花岗岩高温高压损伤破裂细观机制模拟研究EI北大核心CSCD

为了探究花岗岩高温高压损伤破裂细观机制,使用颗粒流程序(PFC)中的晶粒模型(GBM)单元开展高温作用后花岗岩常规三轴压缩模拟,分析应力-应变曲线、强度特征及破裂模式随围压及温度演化,研究其破裂过程,研究结果表明:GBM模型可以反映晶粒间的嵌锁效应,较好地模拟花岗岩劈裂、三轴压缩过程以及真实的花岗岩拉压比和强度随围压非线性特征,一定程度上克服了圆形颗粒嵌锁力不足的问题。不同围压下试样峰值强度随温度升高总体呈现先基本不变后迅速下降的趋势,450℃为阈值温度。莫尔–库仑准则回归得到的内摩擦角及黏聚力随温度总体呈先增高后降低趋势,且花岗岩强度参数的变化与其受力结构密切相关。当石英发生α-β相变后(573℃),花岗岩内产生大量穿晶裂纹及晶粒边界裂纹。单轴压缩下,试样的破裂特征受到热裂纹控制,峰后呈延性破坏;而高围压下,剪切带穿过晶粒,导致试样峰后产生脆性破坏。     

含三裂隙巴西圆盘抗拉强度和裂纹特征试验研究

通过对含3条填充预制裂隙或含3条非填充预制裂隙巴西圆盘进行巴西劈裂试验,研究了岩桥倾角β和预制裂隙是否填充对试样强度和裂纹扩展规律的影响.结果表明:不论预制裂隙是否填充,含三裂隙圆盘试样强度均表现为随岩桥倾角β的增加而先减小后增加最后又减小;并且填充试样发生应力跌落后表现为由脆性向延性转化的特点,而非填充试样始终表现为...     

高温后两种晶粒花岗岩破坏力学特性试验研究

晶粒尺寸对花岗岩高温力学行为有着较大影响,进而也影响高放核废料处置库的安全稳定.基于此,选择两种不同晶粒花岗岩进行高温后巴西劈裂及常规三轴压缩试验,分析其物理力学参数随围压及温度的演化规律,结果表明,粗晶花岗岩较细晶花岗岩含有较多缺陷,总体上其强度及弹性模量较细晶花岗岩低,同时粗晶花岗岩对温度更加敏感.但在高围压下粗晶...     

煤样三轴循环加卸载力学特征颗粒流模拟

基于煤样常规三轴试验,使用颗粒流程序PFC得到了一组能够较真实反映煤样宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对煤样进行不同围压下循环加卸载颗粒流模拟试验,分析了不同围压下煤样的宏观参数、裂纹扩展过程及其之间的关系。通过分析弹性模量和塑性应变随加载轴向应变的变化规律,表明弹性模量随加载轴向应变先增大后减小、塑性应变随加载轴向应变先稳定增加后快速变化,证明了使用颗粒流程序模拟循环加卸载是可行的。其后对循环加卸载过程进行分析,结果表明裂纹数目的非“记忆”行为随加载的进行逐渐加强,峰后微裂纹主要产生于宏观裂纹之间的相互摩擦。结合裂纹在试样内的破裂过程分析,表明剪切带的形成是造成弹性模量和塑性应变出现拐点的主要原因,对试样在循环荷载作用下的破裂过程有了一定的认识。     

单裂隙砂岩蠕变模型参数时间尺度效应及颗粒流数值模拟研究

深部高应力环境下硬岩的蠕变变形不可忽略,尤其是裂隙岩体的蠕变变形。为研究含裂隙硬岩的长期蠕变变形行为及蠕变模型,采用高速水射流技术在红砂岩试样中预制了一条贯穿的α=45°单裂隙。确定了该裂隙岩石在围压30 MPa下的三轴压缩强度,采用单级加载方式对试样进行长期压缩蠕变试验,蠕变应力水平约为峰值偏应力的80%。试验结果表明:经历539 h(约22 d)的含45°单裂隙红砂岩只出现衰减和稳态蠕变变形,未发生加速蠕变破坏。为描述裂隙岩石的蠕变变形,在Burgers模型基础上基于有效应力原理建立了考虑损伤的蠕变模型。通过最小二乘法得到的蠕变模型参数显示出显著的时间效应,据此提出了考虑时间尺度的损伤蠕变模型,该模型可以描述裂隙岩石在不同时间尺度下的蠕变变形。最后,采用颗粒流程序PFC~(2D)对试样的三轴压缩及蠕变进行了数值模拟,数值计算结果与试验结果吻合程度较高。研究工作为进一步研究裂隙硬岩的蠕变变形和模型提供了一定的参考价值。     

不同层理页岩常规三轴压缩力学特性离散元模拟

页岩作为页岩气储层,在沉积过程中形成部分弱面,在力学特性上表现出各向异性特征。所以,使用离散元软件从微细观层面探讨深部页岩力学各向异性特征具有重要实践意义。基于页岩室内常规三轴压缩试验结果,采用离元程序PFC2D对常规三轴压缩下不同层理倾角页岩进行了颗粒流模拟研究,分析了层理倾角及围压对页岩力学特性的影响规律。结果表明:（1）页岩峰值强度与黏聚力随层理倾角的增加整体呈“U”形变化,但峰值强度在不同围压下的变化趋势有所区别;而内摩擦角随层理倾角的增大呈非线性变化。（2）层理倾角对页岩周围颗粒的位移方向及大小的影响随着层理面与轴向应力的夹角的增大而减小。（3）同一层理倾角试样最终破坏时的微裂纹总数随着围压的升高有所增加;同一围压下,试样最终破坏时的微裂纹数目,随着层理倾角的增加呈现先减少后增多的趋势。（4）同一层理倾角页岩的脆性随围压的增长整体呈下降趋势;低围压情况下,页岩脆性随层理倾角的增加呈两端大中间小的变化规律。      

预制裂隙岩石裂纹扩展相场模拟方法研究

裂隙岩石变形破坏是其内部裂纹萌生、生长和聚合成宏观裂隙的结果。为了模拟裂隙岩石复杂断裂破坏过程,基于传统的相场断裂模型,通过拉、拉剪和压剪应变能密度分解,提出一种新的相场模型。根据Mohr-Coulomb准则分别定义剪切应力和压剪应变能,推导位移场和相场耦合控制方程,采用有限元方法进行空间离散和交错求解算法进行相场理论数值求解。通过对比基准算例的相场模拟结果与解析解,验证编制的相场有限元程序的准确性。然后,基于黄砂岩试验数据确定模型参数,运用该程序对单预制裂隙岩石(α=30°)和双预制裂隙岩石(α=30°,β=30°和α=30°,β=60°)单轴压缩试验进行模拟,再现了裂隙岩石所产生的张拉、剪切和混合裂纹生长和扩展模式,与试验结果吻合较好。因此,改进的相场模型能够模拟裂隙岩石裂纹起裂及后续扩展的动态演化过程。     

不同节理模型在层状复合岩石离散元模拟中的应用

煤矿巷道围岩中广泛存在由不同岩性岩石组成的层状复合岩体,其变形破坏具有强烈的各向异性特征,对巷道的稳定安全会产生特殊的影响。目前,除了物理力学试验手段以外,离散元模拟被越来越广泛地应用到数值模拟研究中。本文以物理模拟试验为基础,在颗粒流模拟程序PFC^2D平台中分别采用删除颗粒黏结(bond removal method, BRM)和光滑节理模型(smooth joint model, SJM)2种节理面处理方式建立了层状复合岩石的模拟模型。模拟研究结果表明：SJM模拟模型可以更好地反映物理试验的应力—应变曲线形态,而BRM模型会在岩层倾角较大时产生较大的塑性变形,无法反映室内试验试样的脆性破坏特征。2种节理模型均可整体反映物理模拟试样的强度变形各向异性规律以及破坏模式,但SJM模型能更好地反映物理试样单轴压缩强度和弹性模量的各向异性特征,而BRM模型试样的宏观破裂面比SJM模型试样更加显著,与物理试样的破裂面更接近。另一方面,SJM节理模型能单独统计出SJM拉伸裂纹和剪切裂纹,通过分析这些裂纹的数目和分布区域可以更好地分析层状复合岩石试样破坏的细观机理。研究结论为...