基于3D打印的内置粗糙节理岩体力学特性研究

为了研究地下工程隐伏粗糙节理围岩的稳定性特征,基于三维扫描获得了岩石的卸荷破裂面真实形态,进而分别通过3D打印技术和类岩石材料制备了充填型粗糙节理面和岩石基质,从而来浇筑含内置粗糙节理的岩体试样.通过常规三轴压缩试验,研究了粗糙度和围压对节理岩体强度、变形和破坏形态的影响规律.试验结果表明:随着节理面粗糙度的增大,岩体试样的三轴强度、弹性模量和割线模量总体均呈现逐渐增大的趋势,大粗糙度可以有效地减缓节理面两侧岩体的剪切滑移破坏;节理岩体的力学参数与围压整体呈正线性关系,且基本服从摩尔-库仑准则;低围压时粗糙度对节理岩体破坏形态的影响较为显著,随着围压的增大,岩体的主破裂形态逐渐由围压起控制作用.     

不同围压下共面双裂隙脆性砂岩裂纹演化特性颗粒流模拟研究

为了研究裂隙岩体在不同围压作用下裂纹演化规律,采用颗粒流程序PFC2D对含共面双裂隙脆性砂岩不同围压作用下的破裂过程进行模拟研究。主要得到如下结论:1)通过单轴压缩下共面双裂隙脆性砂岩峰值强度、弹性模量及最终破裂模式数值模拟与室内试验的比较,验证了细观参数的可行性;2)峰值强度随共面裂隙倾角总体呈现增加趋势,但不同围压下峰值强度变化趋势有所改变,主要是试样的最终破裂模式不同所导致的;3)将预制裂隙试样大体分为四类:试样的最终破裂模式主要为轴向劈裂破坏为主、试样最终以剪切破坏为主且剪切面倾角受预制裂隙倾角及围压的影响、试样的最终破裂模式随围压的增大由轴向劈裂转变为剪切破坏、试样最终以剪切破坏为主且剪切面主要受围压的影响;4)试样的最终主要以轴向劈裂破坏和剪切破坏两种形式为主,两种破裂模式的破裂过程不同,且裂纹周围的位移场分布明显不同。     

含贯通-非贯通交叉节理岩体等效弹性模型及强度特性

基于等效弹性模型的方法,构建综合考虑含贯通-非贯通交叉节理岩体宏细观缺陷的复合损伤模型。首先,将贯通节理部分看成一定厚度的独立材料,其主要产生闭合变形及沿节理面的剪切变形,其储存弹性应变能及剪切应变能;其次,基于断裂力学及应变能理论相结合,将交叉节理中的非贯通节理岩体部分看成岩体内部宏观损伤,对节理尖端的应力强度因子进行了计算,推导得出了储存在非贯通节理中的应变能计算公式,并将岩体内部的细观损伤按Weibull分布描述,建立综合考虑宏细观缺陷的节理岩体复合损伤模型;再次,对交叉节理岩体的强度准则进行了讨论,构建考虑交叉节理不同强度准则的等效弹性模型;最后,将计算结果与试验结果进行了比较分析,模型计算结果与试验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时讨论了贯通节理倾角、非贯通节理倾角对岩体峰值强度及破坏准则的影响,以及非贯通节理贯通率对初始损伤变量影响规律。     

基于3D打印的类节理岩体模型及力学特性

节理裂隙构造分布对岩体变形与破坏特性具有关键控制作用,厘清节理构造及岩体力学特性对于指导工程稳定性具有重要意义。3D打印技术在岩石力学方面的应用为节理岩体力学特性研究提供了有效手段。基于3D打印技术提出一种节理岩体制备方法,开展单轴压缩测试分别分析了实心试样、RDFN模型和DFN试样的变形特性及破裂模式,讨论了透明硬水晶与PLA材料在预制节理岩体力学特性分析的适用性,对比了冷冻处理下透明硬水晶材料的力学变化。研究发现：基于PLA树脂的3D打印材料在单轴压缩条件下发生了膨胀扩容,并呈现显著的塑性变形特征,与岩石的力学性质有较大差异;硬水晶材料的破坏模式为明显的“X”共轭剪切变形破坏特征,峰前应力-应变曲线特征与岩石接近,含裂隙试样的表现为沿近似45°斜面的压剪破坏;裂隙网络的存在会显著降低类岩体模型的抗压强度,粗糙RDFN的类节理岩体模型强度高于直线型DFN类节理岩体模型,试样发生斜截面剪切破坏时,节理模型增强了裂隙系统的锁固效应;类节理岩体表现出一定的尺寸效应,并受PLA材料高塑性特性影响;承压强度实心试件总体来说最强,RDFN模型次之,DFN模型最小,3类模型强度存在一定的尺寸效应特...     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

基于FLAC3D的层状岩石强度特征研究

利用单元切割法确定节理单元并赋予相应的本构模型进行计算,研究单轴与不同围压条件下的不同节理倾角层状岩石的力学特性。结果表明,无论是单轴压缩试验还是三轴压缩试验,节理对岩石强度的影响都很显著; 随着节理倾角增加,层状岩石单轴抗压强度先减小后增大,呈U型分布,在层理倾角呈60°时,抗压强度值最低; 从塑性单元个数可以看出,层理倾角0°~30°以及90°时,岩石以突然破坏为主,而层理倾角45°~75°时岩石破坏较缓慢; 随着围压增加,岩石抗压强度增加,岩石破坏时间延后,弹性段增长。研究结果可为岩石、岩体的各向异性问题的研究提供参考。     

煤岩单轴与三轴压缩试验研究

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时,煤岩的变形增加并沿某一斜面产生剪切破坏,变形表现出塑性材料的特征;煤样弹性模量相对单轴压缩时提高,离散性降低;三轴强度大于单轴强度,而且三轴强度和残余强度随围压的增加而增大。     

不同围压下页岩残余强度及破裂面特征的试验研究

以页岩为研究对象,通过室内单轴和不同围压下的常规三轴压缩试验,对破坏后页岩中的破裂面倾角和破裂面擦痕对峰后强度及变形特性的影响进行了系统研究。结果表明:页岩从屈服破坏至稳定残余阶段主要发生的是黏聚力的弱化过程,破裂面的摩擦角减弱量较小;由于破裂面的倾角随着围压的增大而减小,使得页岩残余强度与峰值强度的比值随着围压的升高而增大,而且低围压下页岩残余强度比峰值强度受围压影响更明显;岩石破裂面擦痕具有明显的分形特征,破裂面擦痕的分形维数随围压的增大而非线性增加,岩石残余强度和其对应的破裂面擦痕分形维数具有较好的指数函数关系。     

基于Smooth-Joint模型的层状页岩力学特性研究

普光气田陆相页岩气资源潜力巨大,侏罗系千佛崖组一段页岩气大面积分布,埋深适中,页岩气资源量为4 239.5亿m³。为实现页岩气的高效开发,在室内页岩单轴压缩力学试验的基础上,利用颗粒离散元法建立页岩的单轴压缩模型和Smooth-Joint节理模型,探讨宏观各向同性页岩单轴压缩破坏、变形及强度特征,以及不同Smooth-Joint节理倾角对岩石力学特性的影响。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,即节理面倾角θ=45°+φ_s/2时,岩体受压破坏沿节理面发生,岩体强度下降得最多;层状页岩单轴压缩全应力—应变曲线可以分为5个阶段,阶段Ⅰ岩样内部裂纹闭合体积减小、阶段Ⅱ弹性变形过程(总体积应变增量等于弹性体积应变增量)、阶段Ⅲ裂纹稳定扩展(弹性变形)、阶段Ⅳ裂缝非稳定扩展(塑性变形阶段)、阶段Ⅴ试件裂缝继续扩展延伸直至达到峰后强度σ_p停止。该研究结果为普光陆相千佛崖组页岩气的开发提供...     

预制非贯通单组裂隙岩石模型力学参数的实验研究

开展裂隙岩体破坏的力学特性的研究始终是岩体力学研究领域的重要课题,预制裂隙岩石模型是了解和掌握岩石破坏机理的一条重要途径,本文预置裂隙的水泥砂浆试块模拟节理发育的裂隙岩石,通过单轴压缩试验与剪切试验研究节理影响下的岩石力学参数的变化,并演示了裂隙的扩展贯通过程。研究表明：(1)岩体内部节理面的张开扩展延伸直至贯通从而引起非贯通节理岩体的破坏。(2)岩石模型的单轴抗压强度随着节理角度的增加逐渐下落,在节理角度达到45°时,试块的单轴抗压强度出现最小值,随后开始反向增大。(3)岩石模型单轴抗压强度与节理贯通率的关系满足一定的关系式,单轴抗压强度随着节理贯通率的增大而不断降低。(4)随着法向应力的增加,裂隙岩石模型的峰值剪应力也相应线性增大,当节理面存在充填物时会一定程度上会提高裂隙岩石的强度。这为裂隙岩石的破坏机理提供了重要的参考依据。     

潜江超深盐矿盐岩力学特性的试验研究

对取自潜江白垩系地层2000 m的盐岩试样,进行了一系列的力学特性试验。包括单三轴压缩试验,巴西劈裂试验,直接剪切试验。研究了盐岩的单轴抗压强度,弹性模量等,并与国内外其他地区盐岩相比较,得出潜江盐岩单轴抗压强度,弹性模量都偏小;研究了三轴压缩强度特性,着重研究了模拟地层温度和高围压条件下,温度和高围压对盐岩力学特性的影响机理,研究表明:温度对盐岩的力学特性影响明显,盐岩塑性变形能力非常强,围压对弹性模量的影响非常小,高围压下盐岩没有明显的破坏面,不再是单纯的剪切破坏;同时对盐岩的抗拉强度,抗剪强度参数进行了研究,得到潜江盐岩的抗拉强度为1.041 MPa,抗剪强度参数c,φ值分别为2.46 MPa和41.36°     

基于细观特征分析的单节理岩石破裂机理研究

为揭示不同节理方位对岩石破裂机理的影响,利用PFC软件模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论、P-T图法和T-k图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、破裂方位、破裂类型、应力状态、矩震级等破裂参数及其演变规律。试验结果表明:1)岩石破裂方位受加载方向和节理方位影响,当节理方位与加载方向呈一定夹角时,主压应力分量逐渐分布在与节理方位对应的P-T图位置附近。2)线性张拉破裂所占比例随节理角度的增大而减小,线性剪切破裂、混合破裂和双力偶剪切破裂所占比例随节理角度的增大而增大。3)张拉破裂主要分布于节理面上,其矩震级(能量)较小;剪切破裂和混合破裂主要分布于节理面与临空面的交线上,其矩震级较大。运用矩张量理论、P-T图法和T-k图法可有效掌握岩石破裂机理及其宏观演变规律,可为分析岩体稳定性及其发展趋势提供一种新的技术手段,是传统分析方法的有效补充。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。     

Strength predictions for jointed rocks in confined and unconfined states

Most of the rational approaches to the design of structures on or in a rock mass are based on the strength response of the rock mass. Realizing this important aspect, the present investigation was undertaken to understand the strength response of jointed rocks. The objective was achieved by simulating joints in intact isotropic rock cores in the laboratory.Three materials, namely, plaster of Paris, Jamrani sandstone and Agra sandstone were selected. The intact specimens of these materials provided a wide range of compressive strength (σ_ci = 11.3−110MN/m²). A special technique was devised to develop joints varying in number and inclination. In all, about 250 uniaxial compressive strength (UCS) tests and 1300 triaxial tests on jointed and intact specimens of these materials were conducted. Based on this extensive experimentation, a joint factor J_f, has been evolved to account for the number of joints per metre length, inclination of the sliding joint and the shear strength along this joint. This factor is found to be uniquely related to the ratio of compressive strength of jointed rock to that of the intact rock irrespective of the type of rock. A strength criterion for jointed rocks is proposed and the parameters defining this criterion can be evolved simply by knowing the joint factor, compressive strength of intact rock and triaxial strength of intact specimens at two convenient confining pressures. The empirical relations developed have been verified with similar data for other jointed rocks and model materials.     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。     

不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究

在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏,多表现为岩爆、板裂、塌方等形式,通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质,而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验,则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景,综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法,从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析,全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明:①数值模拟与室内试验所得的结果,无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近;随着围压的增大,岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变;随着试件长径比L/D增大,岩石峰值强度减小、弹性模量增大。②采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法,能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制;随着试件长径比L/D增大,岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏;当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大,当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③随着岩石试件长径比L/D的增大,其峰值强度有所减小且受围压影响明显,弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④通过分析裂隙数量与应变关系可知,在不同围压条件下,岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现"S"型曲线增长,当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长,且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤随着试件长径比L/D的增大,岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少,且减小速度增快。总的来说,岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响,因此,室内试验中应合理设计岩石试样的形状,以获取准确的岩石强度和力学参数。