含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

注浆充填裂隙砂岩试样力学特性试验研究

为研究注浆材料对裂隙岩体力学特性的影响,通过在真实砂岩试件中预制裂隙,分别用22.5级和42.5级复合硅酸盐水泥充填并进行单轴压缩试验,研究有无充填及不同充填材料强度对裂隙岩石试样强度和破坏模式的影响,并利用RFPA2D有限元软件进行数值模拟分析。     

纵向裂隙对砂岩力学特性影响试验研究

将西部矿区高水平应力岩层巷道顶板受力特征简化为含纵向裂隙的岩石单轴压缩问题,选取砂岩材料为试验对象,并对其强度、变形及破坏形态进行试验研究。试验结果表明:纵向裂隙砂岩随着裂隙长度的增大,峰值强度和峰值应变先逐渐减小后又有所增大,裂隙长度为42 mm时达到最小值;砂岩试样沿预制裂隙尖端发生纵向劈裂,但非均质性对主要次生裂纹的数目和扩展路径具有很大的影响。与无充填相比,石膏充填对裂隙砂岩强度的提升并不明显,而高强水泥具有较好的加固效果,与无充填相比峰值强度平均值增大22.27%。研究成果对西部矿区的岩石力学和围岩稳定性控制理论的发展具有积极意义。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α<45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α>45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正...     

流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明：注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。     

孔洞式三叉裂隙砂岩裂纹扩展特征颗粒流分析

为研究节理和孔洞对岩体的力学特性影响规律,通过完整砂岩和含预制单裂隙砂岩试样室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC2D模拟试验,对试样的弹性模量和峰值强度等相关参数以及最终破坏模式进行对比分析,最终选取了一组合理的细观参数,并采用该组细观参数对孔洞式三叉裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究结果表明:随着裂隙倾角α、裂隙倾角β、孔洞直径d和裂隙长度2a的改变,孔洞式三叉裂隙试样的峰值强度和峰值应变呈非线性变化,且它们均显著低于完整试样,其中裂隙长度2a对试样的峰值强度影响最大。孔洞式三叉裂隙试样在加载过程中发生拉伸和剪切破坏,且主要以拉伸破坏为主;翼形裂纹一般萌生在预制三叉裂隙的外尖端或距其外尖端一定位置和预制三叉裂隙与孔洞交接处附近位置,次生裂纹一般萌生在翼形裂纹扩展过程中的某个位置或试样的边界部位;裂隙倾角α主要影响试样的破坏程度,裂隙倾角β主要影响裂纹的扩展模式,孔洞直径d主要影响次生裂纹的萌生位置,裂隙长度2a主要影响翼形裂纹的萌生位置;通过对孔洞式三叉裂隙试样裂纹扩展机制探讨,裂隙试样在初始裂纹萌生阶段,应力集中区一般产生在预制三叉裂隙尖端附近和孔洞边缘,并且伴随在试样内部产生声发射...     

冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性

通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验,探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果,首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律;其次进行能量分析,揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响;最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程,探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明,含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样,降低幅度与孔洞直径密切相关,随着孔洞直径的增加,含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势;在相同入射能量的条件下,随着孔径的增大,反射能量比增大,透射能量比减小,能量耗散率线性增大;随着孔径的增大,承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多,试件的破碎块数也增多,且碎块尺寸减小。     

考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷,为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式,基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数,采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明:1)单轴压缩条件下,根据裂纹分布规律的不同,提出了3种破裂形态,分别为"X破裂形态"(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、"完全破裂形态"(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、"中间形态"(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界;2)试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关,随倾角增加呈现先减后增的"对勾"形趋势;3)侧压力增加,试样峰值强度呈对数形式增长,45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高;4)双轴压缩对比单轴压缩,新生裂纹数量显著减少,细长裂纹转变成片状破碎区域。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不大;低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力,使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征,除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,表明应力应变曲线弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。     

真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为试验研究

借助于多功能真三轴流固耦合试验系统,基于深部初始高地应力状态还原思路,对砂岩进行了不同应力路径、不同模拟深度下的真三轴正交力学试验,获得了真三轴不同工况下砂岩变形全过程应力-应变曲线,深入分析了砂岩在Z,Y,X三个方向上的渐进变形演化规律,表征了真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为演化特征,较好地反映了与之相对应的深部矿井巷道开挖后围岩的渐进变形演化特征及其渐进破坏力学机制。研究结果表明:①同一应力路径、不同模拟深度下的砂岩峰值强度随模拟深度的增加而不断增大,这表明深部效应对砂岩强度演化规律存在显著影响;②同一模拟深度、不同应力路径下的砂岩Z向主应变随Z向主应力的增大而不断增加,X向主应变却是随Z向主应力的增大而不断减小,这表明应力加载路径是影响砂岩X方向与Z方向渐进变形破坏机制的一大因素;③路径2与路径3下的砂岩Y向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,而路径1下的砂岩Y向主应变却是随着模拟深度的增加呈现出先增大后减小的渐变规律,这说明应力卸载程度会显著影响砂岩Y方向的渐进变形特征。另外,不同应力路径下的砂岩X向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,深部效应显著。     

板状页岩单轴压缩实验及断裂力学分析

基于板状页岩的单轴压缩试验,研究了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展规律,从断裂力学角度,解释了裂纹起裂顺序,推导了板状页岩的脆性断裂准则及抗压强度,给出了断裂韧性的求取方法,得到:含预制裂隙页岩的抗压强度劣化程度较弹性模量大;破坏后宏观裂纹分为两类,一类为表面平整、光滑的拉裂纹,另一类为呈锯齿状、有明显压痕的压剪裂纹;预制裂隙内端比外端更容易起裂,起裂角范围为46°~86°;裂隙间距越小岩桥越容易搭接贯通;裂纹尖端起裂方向只和θ有关,和KⅡ无关;裂隙尖端的内端应力强度因子较大,更易起裂;共线双裂纹模型的优势裂纹角为β_m=0.5arctan f~(-1)。     

大尺寸节理煤体单轴压缩力学行为的离散元模拟研究

为研究结构面对节理煤体单轴压缩力学行为的影响,首先基于结构面实测与参数标定试验构建合成煤体模型,然后分别针对REV尺寸煤块与煤体进行不同加载方位的单轴压缩数值试验,分析结构面对节理煤体力学行为的影响机制以及裂隙的形成机制。结果表明:① 所构建的合成煤体模型可表征研究煤体,其REV为1.0 m×1.0 m×2.0 m;② 结构面弱化煤体单轴抗压强度与弹性模量,增大煤体单轴压缩变形,弱化/增强程度取决于加载方位与结构面的方位关系;③ 结构面决定煤体单轴压缩破坏方式,煤体表现为平行加载方向的劈裂破坏,加载方位不同劈裂形态不同;④ 提出了可量化评价基质破坏与结构面活化对节理岩体破坏贡献程度的指标:基质破坏贡献比和结构面活化贡献比;⑤ 平行加载方向的结构面在加载力作用下激活为活化原生裂隙,并在其端部发育出翼裂纹,形成压致拉裂裂隙组合。对于包含非贯穿结构面的煤体,裂隙组合彼此连通形成劈裂裂隙;对于包含贯穿结构面的煤体,贯穿的活化原生裂隙直接形成劈裂裂隙。     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了研究温度—含水率耦合作用下重塑性煤体抗剪强度的变化规律,保障松软煤层安全高效稳定开采,采用直剪试验分析了重塑性煤体在较低温度(20、0、-10、-20、-30、-40 ℃)、一定含水率(0、0.8%、4%、8%、12%、16%)耦合作用下的抗剪强度特性,并通过数学统计分析了温度与含水率对抗剪强度的影响。研究结果表明：含水率为0时重塑性煤体的黏聚力随着温度的降低呈幂指数增加;温度—含水率耦合作用下重塑性煤体的抗剪强度均与垂向应力成正比,均符合莫尔-库仑准则;在温度为10~20 ℃、含水率为12%~16%时,黏聚力达到最大值322.9 kPa,最小值138.0 kPa出现在温度-40 ℃、含水率4%附近;在-20~-40 ℃温度下,重塑性煤体内摩擦角随含水率的增加逐渐降低至最小值18.25°;当含水率为6%~13%、温度为-20~10 ℃时,内摩擦角达到最大值31.45°,对应抗剪强度达到最大值。温度—含水率耦合作用下,重塑性煤体抗剪强度、内摩擦角与黏聚力均受温度的影响较大。

     

单轴压力下煤样表面电位实验

建立了煤岩变形破裂过程表面电位测试实验系统,研究了不同试样单轴压力下变形破裂过程中的表面电位特征规律.结果表明,原煤、型煤和混凝土在受单轴压力变形破裂过程中都有表面电位产生,并且表面电位在整个变形破裂过程中始终存在.从总体上看,表面电位和载荷的变化趋势一致;载荷突变时,表面电位信号也出现突变,表面电位的突变幅度和载荷的突变幅度成正相关.     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-II声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律.试验结果表明:进入屈服阶段,大于80 dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能...     

不同孔径尺度水泥石单轴压缩力学特性试验研究

为了研究深部巷道锚喷层卸压孔径大小对围岩应力释放与喷层承载强度的影响,对6种不同孔径的12个试件进行了单轴压缩试验,研究了不同孔径条件下水泥石试件应力-应变关系,以及试件抗压强度、峰值应变与弹性模量的变化,得到了试件的破坏形态与失稳模式。结果表明：孔洞水泥石试件孔径越大,试件破裂粘结面积与试件抗压强度越低|随着孔径尺寸由0mm向50mm增加,试件抗压强度、峰值应变与弹性模量呈减小趋势,且减小趋势变缓,衰减率分别是52.74%、22.31%与34.63%,孔径尺寸与试件抗压强度、峰值应变与弹性模量可采用负线性函数表征,但线性关系依次减小|0～20mm孔径水泥石试件裂纹起裂于孔壁上下斜角,破坏于上下斜角孔壁对角线,称为小孔径破坏形态,而30～50mm孔径水泥石试件起裂于左右侧孔壁,破坏于孔壁两侧垂直劈裂,称为大孔径破坏形态,30mm以上试件破坏形态明显具有孔洞试件结构特征|依据大小孔径破坏形态差异,不同横向孔径水泥石试件失稳模式分为剪切错动失稳与片状劈裂失稳。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。