煤样剪切变形及裂纹演化特征离散元模拟研究

通过对煤样常规三轴试验的拟合,得到一组能够反映煤样宏观力学性质的PFC细观参数,并在此基础上制备含不同倾角预制裂隙的剪切试样,利用模拟的方法研究裂隙倾角对煤样宏观剪切力学性质的影响.通过对模拟结果分析,得到如下结论:由于拉应力最大值和拉应力的分布区域随裂隙倾角不断改变,导致裂纹萌生应力在倾角为0°~30°时呈现不断增大的趋势,在30°~75°之间呈现减小的趋势,在75°~90°之间呈现增大趋势.根据裂纹数目随应力应变曲线的变化特点,将试样的破坏过程分为3个阶段,并根据翼裂纹再次扩展到次生裂纹萌生扩展阶段对应的剪切应变大小将不同裂隙倾角试样大体分为脆性破坏试样和延性破坏试样.在对试样破坏过程分类的基础上分析了试样的最终破裂模式和次生裂纹萌生对应的剪切应变,结果表明试样破裂过程的决定因素为试样的破裂模式,并且破裂模式影响次生裂纹萌生对应的剪切应变.通过对模拟试验结果的分析,提出不同工况的支护建议.     

大理岩预制裂纹试样细观损伤试验研究与分析

基于SEM的大理岩试样细观损伤全程跟踪试验方案,选取四川锦屏二级引水隧洞围岩大理岩试样进行试验观察．利用扫描电镜拍摄大量不同荷载作用下的细观损伤演化图像,从中选择有代表意义的图像进行损伤破坏特性分析．研究结果表明,由于应力集中的影;向,预制裂纹大理岩试样在加载初期产生与预制裂纹垂直的微裂纹;随着荷载的增加产生大量的拉裂纹及分叉裂纹,裂纹的扩展方向逐渐向加载轴方向转动;由于初始损伤和损伤的不断积累,压剪作用对岩石的破坏起控制作用,并形成剪切破坏面．     

单轴压缩下预制裂纹岩石的数值模拟

为了研究单轴压缩作用下预制裂纹对岩石的力学性能、声发射和能量演化的影响,通过室内试验数据反演PFC2D模型的力学参数,然后在数值模拟的基础上分析不同倾角和长度的预制裂纹对岩石力学特性的影响。结果表明：预制裂纹倾角越大,岩石的峰值应力和峰值应变越大,而弹性模量和变形模量也会随着倾角的增大而增大;预制裂纹长度增加时,峰值应力、峰值应变、弹性模量和变形模量不断减小。在预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°时,微裂纹计数波动较大,在60°,75°,90°时计数较为稳定。预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°,60°时,裂纹以翼型裂纹扩展为主,在75°和90°时,并没有出现翼型裂纹,而是在岩体上出现大量的微破裂,在轴向应力的作用下,这些微破裂逐渐贯通,造成剪切破坏。预制裂纹倾角在0°,15°,30°,45°时岩石内部损伤的出现早于60°,75°,90°的,并且弹性储能极限随着预制裂纹倾角的增大而增大。     

等围压条件下岩石本构模型及损伤特性

为了揭示岩石变形破坏的全过程,将连续损伤理论与非平衡统计方法相结合,建立了等围压作用下岩石的损伤本构模型,推导了模型参数与岩石变形破坏特征参量的理论关系,分析了砂岩以裂纹为主导的变形破坏过程.结果表明:岩石损伤细观上表现为原始微裂纹的扩展贯通,其宏观力学特性取决于岩石内部的细观力学响应;随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至产生破坏;随着围压的增加,砂岩的损伤劣化程度减小,损伤演化率逐渐降低,宏观上表现为岩石平均强度的增大和塑性的增强.通过试验结果验证,损伤本构模型合理可行.     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

微扰法求解各向异性的演化结构

给出了损伤各向异性体规范空间结构的概念。对具有简并子空间体系的简单异性体，在定义柔度的基础上，提出了渐近逼近本征值与本征矢的微扰方法，并导出向复杂异性结构分裂演化的判别方程。利用微裂纹体柔度演化的细观计算结果，预测了损伤诱发的宏观各向异性效应，及相应的演化结构。     

土工格栅-玻璃砂界面细观特性离散元研究

为分析剪切带的形成机制和演化机理,明确拉拔试验中筋土界面参数的宏细观联系,基于离散元数值方法,使用PFC2D软件模拟土工格栅加筋玻璃砂的拉拔试验,并与物理拉拔试验结果进行对比分析.在数值试验中采用分段函数重现格栅非线性应力-应变关系,根据玻璃砂颗粒位移值确定剪切带的平均厚度,重点分析剪切带内接触力链、颗粒位移、颗粒旋转等因素以及大主应力方向与细观组构参数的联系.结果表明,在格栅拉拔位移较小时,离散元数值方法能较好地分析玻璃砂与土工格栅界面之间的力学行为,试样宏观的体积剪胀主要受剪切带内颗粒的运动控制;通过PFC2D程序采用FISH语言开发的颗粒旋转颜色显示程序,显示格栅上下界面砂颗粒出现不同的旋转方式,颗粒位移和旋转形成了一个呈"锯齿"分布的剪切区,揭示颗粒位移和颗粒旋转是剪切带演化的重要特征;接触力的分布及其各向异性演化决定了试样宏观的力学性质和剪切带基本形状;整个拉拔阶段,剪切带内大主应力方向的偏转与接触力各向异性主方向的偏转呈相近趋势.     

冲击荷载下岩石动态损伤演化研究

I型裂纹破坏为岩石材料在冲击荷载作用下的主要破坏方式.通过假设岩石材料宏观上是一个均匀连续体,而细观上其内部则包含了大量随机分布的微裂纹等损伤缺陷;研究了岩石材料在冲击荷载下裂纹的成核、发展以及内部损伤演化规律;借助于宏细观相结合的理论建立了表征岩石材料细观结构及其损伤演化过程中的某种特征参量与宏观力学参数之间的关系方程.     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.     

岩石微裂纹优势方位与各向异性演化研究

为探究微裂纹优势方位与各向异性的关系,研究了岩石单轴压缩实验过程中的微裂纹萌生与扩展机制和各向异性参数的演化过程。利用最大周向应力理论和提出的剪切滑动导致局部拉应力假设,建立了单轴压缩条件下的微裂纹萌生和扩展理论,并根据该理论对岩石的各向异性参数进行理论分析。为进一步验证理论的有效性,选取大理灰岩和花岗斑岩进行单轴压缩实验,得到弹性模量和泊松比的变化趋势图,实验结果与理论分析一致。最后针对原生微裂纹和次生微裂纹的优势方位问题和微裂纹按优势方位排列对实际工程的影响进行了探讨。研究表明:在单轴压缩条件下,岩石微裂纹的优势方位与最大主应力平行,并导致岩石的各向异性,且泊松比对微裂纹定向排列的敏感度高于弹性模量。     

Numerical analysis of soil-rock mixture's meso-mechanics based on biaxial test

Soil-rock mixture(S-RM)is a widely distributed geotechnical medium composed of "soil" and "rock block" different both in size and strength. Internal rock blocks form special and variable meso-structural characteristics of S-RM. The objective of this work was to study the control mechanism of meso-structural characteristics on mechanical properties of S-RM. For S-RM containing randomly generated polygonal rock blocks, a series of biaxial tests based on DEM were conducted. On the basis of research on the effects of rock blocks' breakability and sample lateral boundary type(rigid, flexible) on macroscopic mechanical behavior of S-RM, an expanded Mohr-Coulomb criterion in power function form was proposed to represent the strength envelop. At the mesoscopic level, the variations of meso-structure such as rotation of rock block, and the formation mechanism and evolution process of the shear band during tests were investigated. The results show that for S-RM with a high content of rock block, translation, rotating and breakage of rock blocks have crucial effects on mechanical behavior of S-RM. The formation and location of the shear band inside S-RM sample are also controlled by breakability and arrangement of rock blocks.     

采动影响下厚湿陷性黄土层拉伸裂缝预测研究

在受到采动影响下,为了预计湿陷性黄土地表生成裂缝的区域,提出了湿陷性黄土极限抗拉强度与采动影响而形成的拉伸变形相结合的方法,判断地表生成裂缝的区域.如果在采动影响下的拉伸变形量大于湿陷性黄土极限抗拉强度,则在该区域生成地表裂缝,否则不生成裂缝.利用概率积分法求得移动变形分量,并推导出了最大拉伸变形和最小压缩变形;根据黄土的力学参数,求得地表产生裂缝的极限抗拉变形.以常村矿为例,得到在该工程地质条件下,地表产生最小拉伸变形为3.9 mm/m,裂缝角为60°.     

Spatial–temporal evolution of gas migration pathways in coal during shear loading

Custom designed and built meso shear test equipment was used to examine the shear crack propagation in gassy coal under different gas pressures. The spatial–temporal evolution of gas migration pathways in the coal during shear loading was also researched. The results show that gas pressure can hasten crack growth at the shear fracture surface, can reduce the shear strength of gassy coal, and can accelerate the shear failure process. Shear failure in gassy coal exhibits five stages: the pre-crack stage; the stable crack growth stage; the unsteady crack growth stage; the fracture stage; and, finally, the friction crack stage. The shear breaking creates two kinds of crack, shear cracks and tensile cracks. Cracks first appear in the shear plane at both ends and then extend toward the center until a shear fracture surface forms. The direction of shear crack propagation diverges from the predetermined shear plane by an angle of about 5°–10°.     

杭州市粉土的各向异性室内试验研究

工程现场取得杭州市典型的粉土土样,用击实的方法制备重塑粉土试样,按与水平沉积面成不同夹角方向切取土样,进行标准固结试验、直剪快剪及渗透试验,从土体压缩变形、强度和渗透性能三个方面,对重塑粉土各向异性特性进行研究.结果表明:重塑粉土在变形、强度及渗透性三方面都表现出不同程度的、相互关联的各向异性,45°取样方向试样的压缩系数比0°和90°取样方向试样小,其强度与渗透系数也比其它两个方向小.因此,进行粉土地基的变形分析和强度计算时,应考虑各向异性的影响.研究结果对复杂加荷条件下粉土地基的工程实践有一定的参考意义.     

大理岩细观破坏行为的量化分析

对选自四川镜屏二级水电站的大理岩进行带有加载装置的扫描电镜(SEM)细观损伤破坏过程的动态试验.获取试验过程中裂纹生长发育的相关图片,并进行图像处理、分析、可视化和算法开发的研究,获取岩石损伤破坏的过程中的重要参数(长度、面积、角度等),进行损伤破坏特性的量化分析.研究结果表明,加载过程中,长度、方位角、面积等细观结构参数服从一定的分布规律和演化规律;加载过程中分叉裂纹极其发育,加载后期裂纹扩展迅速,最终形成剪切破坏面.     

微观尺度下州桥遗址土干缩劣化机理分析

土遗址作为一种特殊的研究对象,探明土样结构的 干缩裂隙的演化规律,对合理保护土遗址具有重要意义。为研究州桥遗址土的干缩变形特性,开展了室内干缩试验;为能更深入地揭示土样干缩开裂与表面张力变化的内在机制,引入了表面张力梯度参数;基于SEM图片在ABAQUS软件中建立州桥遗址土在微观模型并进行了裂隙演化模拟。结果表明：土样裂隙演化过程可归纳为：拉应力场、单根主裂隙、二级水平、三级纵深裂隙、裂隙网络的形成。拉应力场与单根主裂隙持续时间长,而二级水平、三级纵深裂隙持续时间短;裂隙类型产生的机制归纳为：局部剪切、局部拉伸及局部混合拉伸-剪切三种形式,随着裂纹的发展,逐渐由拉伸作用力向混合拉伸-剪切作用力发展,主裂缝垂直于受力面向外延伸开裂;因水分子迁移路径长度不同,上层土样较更深处的土样更易产生较大的收缩变形,并引起纵深裂隙的发展,随着水分迁移路径趋于稳定,水平裂隙成为土样裂隙发展的主要因素;分析裂隙率玫瑰图发现,上半部分的土样裂隙率普遍比下半部分低,并且裂隙多集中与90°与270°方向上,表明微毛细孔隙及土样内部收缩过大是产生裂隙的原因;归一化结果表明该模型能较好地反映州桥遗址土微观损伤的产生和演化发展情况。研究结果对州桥遗址土裂隙修复与保护具有参考意义。     

真三轴压缩下大理岩强度、变形与损伤特征数值

为研究真三轴条件下岩石的力学行为,采用离散元颗粒流程序,探析不同应力路径下大理岩试样的变形破坏过程、微裂纹演化机制及其中间主应力效应。结果表明：平行黏结模型能较准确地反映大理岩真三轴压缩下力学特性和破坏模式;中间主应力对峰值强度、弹性模量、破坏角和破坏模式演变的影响较为显著;八面体理论可较好地拟合出大理岩真三轴压缩中的破坏应力,所得的破坏强度包络线具有明显线性特征;结合应力-应变曲线形状,该大理岩在压缩过程中裂纹扩展可划分为4个阶段,即线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段及峰后破坏阶段;随着中间主应力增大,应力-应变曲线峰后段的脆性破坏特征变强,试样从拉伸破坏向拉剪混合破坏转变,且中间主应变符号由拉转向压,岩石损伤演化与中间主应力间呈现出“对勾”型趋势。     

岩质边坡稳定分析三维与二维的比较

提出岩质边坡沿软弱结构面滑移一剪切的三维稳定分析方法。在分析模型中,下滑体沿滑动面下滑,在其他的面上则产生剪切破坏。在结构面上满足莫尔库伦破坏准则,把剪切面上的摩阻力向下滑方向投影,由下滑体的力学平衡条件求解出未知力,通过迭代可以求得稳定系数。同时推导了摩阻力倾向与倾角的计算式,编制了相应的程序,并利用这个程序,研究了边坡长度、岩层与坡面夹角等因素对边坡稳定系数的影响,比较了三雏分析与二维分析的差别。     

Rock fracture under anti-plane shear (Mode III) loading

Anti-plane punch-through shear test and anti-plane four-point bending test are used to study the crack initiation and propagation under anti-plane shear (Mode III) loading. The tensile and shear stresses at the crack tip are calcualted by finite element method. The results show that under Mode III loading the maximum principal stress σ₁ at crack tip is smaller or a little larger than the maximum shear stress τ_max. Since the tensile strength of brittle rock is much lower than its shear strength, σ₁ is easy to reach its critical value before τ_max reaches its critical value and thus results in Mode I fracture. The fracture trajectory is helicoid and the normal direction of tangential plane with the fractured helicoid is along the predicted direction of the maximum principal stress at the notch tip. It is further proved that Mode I instead of Mode III fracture occurs in brittle rock under Mode III loading. The fracture mode depending on the fracture mechanism must be distinguished from the loading form. Foundation item: Project (50374073) supported by the National Natural Science Foundation of China; project (2002032256) supported by the Postdoctor Science Foundation of China     

倾斜煤层区段煤柱变形破坏规律

煤层倾角是影响区段煤柱稳定性的关键因素之一.利用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了倾斜煤层开挖后倾向覆岩结构演化特征、煤柱变形及失稳破坏形式.研究结果表明,0~45°范围内随着煤层倾角增大,区段煤柱发生剪切失稳破坏的可能性增大;煤柱两侧覆岩结构呈现不对称分布,煤柱上侧砌体梁结构形成层位较低,煤柱下侧形成冒空区,砌体梁结构形成层位高于上侧;与水平煤层煤柱破坏以挤压变形为主不同,倾斜煤柱以沿着弱面剪切滑移破坏为主;不同倾角煤层煤柱围岩变形量呈不对称分布,煤柱下侧围岩变形量大于上侧,煤层倾角越大煤柱围岩变形量不对称分布趋势越明显.