非共面闭合裂隙巴西圆盘试验与颗粒流模拟研究

天然裂隙岩体抗拉强度及破裂模式是岩体重要的力学特性,在一定程度上影响岩体的稳定.鉴于此,使用室内试验和数值模拟的方法探究了平行非共面闭合双裂隙岩桥倾角对巴西试样的抗拉强度和破裂模式的影响.结果表明:1)试样的抗拉强度随岩桥倾角的增大呈现先减小后增大的规律,且随着岩桥倾角增大试样的最终破裂模式受到预制裂隙的影响越大;2)Flatjoint模型中有效接触模量主要影响试样的弹模,黏结力与抗拉强度比主要影响试样的拉压强度比,并提出关于单轴压缩和巴西劈裂试验细观参数验证的一般过程;3)使用Smoothjoint模拟了闭合裂隙巴西试样,模拟结果与试验结果吻合较好,试样的破裂模式主要受到黏结力的分布影响;4)岩桥倾角在30°~60°时黏结力随加载的进行不断向试样中心聚集,而倾角在90°~120°时试样黏结力主要集中在裂纹的尖端,这是造成试样承载能力不同的主要原因.     

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脆性破坏;试样最终破坏的发生是由3条预制裂隙中的2条预制裂隙尖端萌生的翼裂纹扩展贯通导致的;当岩桥倾角β相同时,填充试样的破坏强度要明显高于非填充试样;根据声发射特征图可以看到:在峰前阶段,振铃计数基本不变,试样在达到峰值及峰后阶段时,其振铃计数有较大的突变出现,变化较为剧烈.     

单轴压缩下三裂隙黄砂岩力学特性及裂纹扩展试验研究

为了研究单轴压缩下含裂隙黄砂岩的损伤劣化机理,利用伺服压力机对预制断续三裂隙黄砂岩进行单轴压缩试验,并结合高清摄像机录像对试样破坏全过程进行监控,进而分析了不同中心裂隙倾角α对三裂隙黄砂岩力学特性、裂纹扩展规律及破坏模式的影响。结果表明,随着中心裂隙倾角α的增加:(1)三裂隙黄砂岩单轴抗压强度先增大后减小,与完整砂岩试样相比,三裂隙黄砂岩试样峰值强度降低明显;(2)初始裂纹由岩桥区域附近萌生,α=15°、30°时垂直于中心裂隙B,α=45°时发展为连通裂隙AB、BC尖端并与中心裂隙B成一定角度,次生裂纹沿轴向扩展,主裂纹沿试样上下端面及边缘扩展;(3)裂隙砂岩试样的破坏模式由张拉破坏变为劈裂破坏,最后变为剪切破坏。     

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.     

单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.     

两条雁行预制裂隙贯通机制的细观数值模拟

采用颗粒流分析软件,对含有不同岩桥倾角的两条雁行预制裂隙岩样进行数值模拟.研究表明,当岩桥倾角为80°和90°时,在荷载作用下裂隙内外端有翼裂纹出现,同时次生裂纹在预制裂隙尖端出现,岩桥区域主要产生拉剪复合型的贯通;当岩桥倾角为120°时,随着荷载的增加,一条预制裂隙内端翼裂纹扩展至另一条预制裂隙内端或中部,岩桥区域主要产生拉伸型的贯通,且翼裂纹是张性的.数值模拟结果表明,非叠合裂隙试样强度均低于叠合裂隙试样强度,当裂隙呈现一定交角时,其相互之间会产生屏蔽效应,造成试样强度增加.     

裂隙岩体断裂破坏扩展数值模拟研究

为进一步了解复杂裂隙断裂破坏过程,基于断裂力学理论,采用PFC2D软件对不同裂隙数量岩体进行数值试验,分析裂隙倾角、围压等因素对岩体强度及裂纹扩展的影响规律。研究表明:随着裂隙倾角增大,单裂隙峰值应力和起裂应力先减小后增大,当围压由2 MPa增加到8 MPa时,峰值应力约从120 MPa增大到160 MPa,且起裂应力随着围压增大而增大,与理论分析结果一致;双裂隙倾角为30°和45°裂隙扩展以翼型裂纹和次生斜裂纹为主,裂隙倾角为60°和90°时主要为共面次生裂纹;不同围压下,随着预制裂隙数量增多,裂隙岩体试样峰值应力逐渐减小。研究成果为进一步探索裂隙岩体失稳破坏规律提供参考。     

裂隙砂岩力学特性颗粒流数值模拟

为了研究裂隙砂岩力学特性,利用颗粒流(PFC)软件构建含不同几何状态的裂隙试样模型,分析裂隙几何状态对裂隙试样力学特性和变形特性的影响。结果表明:相比于完整试样,裂隙试样的峰值强度、弹性模量、峰值轴向应变均有所降低,泊松比明显提高;裂隙试样峰值强度、弹性模量随着岩桥宽度的增加逐渐增加,随着岩桥倾角增加,裂隙试样弹性模量呈现先减小后增大的变化规律,当岩桥倾角与裂隙倾角相同时,裂隙试样的弹性模量、峰值强度最小;裂隙试样泊松比随着岩桥宽度、围压的增加逐渐降低,随着围压增加,裂隙试样峰值强度、峰值轴向应变逐渐增加;裂隙的存在弱化了试样的力学特性,改变了试样的变形特性,岩桥宽度越小,弱化能力越强,相比于岩桥宽度对裂隙试样的影响程度,岩桥倾角对试样的影响程度较小。     

基于颗粒流的带中心孔巴西圆盘试样裂纹扩展分析

为研究带中心孔巴西圆盘的劈裂过程,利用颗粒流法分析不同孔径的带中心孔巴西圆盘的裂纹扩展规律和机理。结果表明,不同孔径的巴西圆盘断裂模式有一定差异,主裂纹均从孔洞在加载方向的两端萌生并沿加载方向扩展。当中心孔径较小时,次生裂纹从加载点附近萌生并与主裂纹发生连通作用,圆盘试样破裂分成两半;当中心孔径较大时,次生裂纹从加载点的一侧萌生并向中心孔方向扩展,圆盘试样劈裂成4块。带中心孔巴西圆盘的劈裂过程可分为弹性变形阶段、主裂纹的萌生和稳定扩展阶段、主裂纹的扩展失稳阶段和次生裂纹扩展失稳阶段等4个阶段。从应力场角度来看,巴西圆盘的劈裂过程是拉应力集中区不断转移并产生新的微拉裂纹,大量微裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观裂隙的过程。从能量角度来看,巴西圆盘的劈裂破坏过程是岩石从受荷初期应变能不断积累,到达峰值强度后应变能瞬时释放并伴随耗散能急剧增加的过程。     

直剪作用下不共面断续节理岩桥 破断试验与数值研究

在伺服控制剪切加载系统下对不共面类岩石断续节理试件进行正向、反向直剪试验,研究直剪下不共面断续节理的岩桥破断机理和剪切规律,试验研究发现,直剪作用下不共面断续节理岩桥破坏过程具有明显的阶段性,经历线弹性阶段、裂纹起裂扩展阶段、岩桥断裂贯通阶段、剪切面爬坡咬合阶段和残余摩擦阶段5个阶段,正向剪切下岩桥呈齿形破断面,反向剪切作用下岩桥产生沿直剪方向贯通的带形破断面,与正向剪切相比,反向剪切下节理的初裂抗剪强度和峰值抗剪强度较大,裂纹倾角、法向应力和相邻节理搭接比例是影响试件初裂抗剪强度和峰值抗剪强度的主要因素。采用FLAC3D对正向、反向直剪作用下不共面断续节理的岩桥破断、剪切破断面的形成过程进行数值试验,数值试验结果和类岩石直剪试件的试验结果基本吻合,数值试验揭示了直剪作用下不共面断续节理岩桥的拉裂破坏和破断面的剪切屈服机理。     

平行双缝倾角变化混凝土圆盘的三维动态研究

为研究动荷载下平行双缝倾角变化对混凝土圆盘的影响,基于有限元方法,建立平台巴西圆盘的三维动态数值模型.采用Weibull统计学理论,考虑混凝土材料的非均匀分布,研究应力波作用下平行双缝倾角变化对裂纹扩展模式的影响,得到裂纹萌生、扩展直至贯通的破坏全过程图与声发射图.结果表明,试件的破坏是劈裂性的,新生裂纹扩展的方向与动荷载加载方向一致;声发射活动随预制裂纹倾角增大而减少;双缝预制裂纹倾角越大,峰值荷载越大,声发射累积能量越小,试件越不容易发生破坏.     

水力耦合作用下裂纹扩展演化机理的试验和颗粒流分析

在地应力不断变化的过程中,裂隙水压力的作用机理会变得十分复杂,为阐述裂隙水压力对裂纹扩展规律的影响,基于离散元理论和室内试验,研究了含单裂隙的水泥砂浆试件在单轴压缩和内水压共同作用下的裂纹演化机理。结合岩石颗粒低渗透性的特点,修正了流体与颗粒之间相互作用的计算法则,并改进了流体域参数的计算方法,提出了一种更加适用于脆性岩石的流固耦合模型。研究结果表明：当裂隙倾角为450,内水压为1MPa时,翼裂纹在初始萌生阶段时会沿着最大应力降方向扩展,其扩展方向基本与裂隙平面垂直,并在扩展的过程中使裂纹尖端附近的拉应力消散。试样轴向应力达到峰值后,次生裂纹大量萌生,微裂纹数目随轴向应变增加呈指数关系增长,同时预制裂隙尖端的压应力场得到释放。与传统水压致裂机理不同,水压力并不会沿着萌生的新裂纹一直扩散,在恒定内水压作用下,由于裂隙尖端一直存在部分压应力场,水压力只会沿着翼裂纹扩散,并没有扩散到已经贯通的次生裂纹中。在轴向应力不断变化的情况下,颗粒之间的孔径处于动态变化之中,反过来对水压力的变化规律产生影响,从而形成了3种不同类型的水压变化规律,类型Ⅰ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速下降,但下降幅度不大,之后水压会随轴向应变增加而上升;类型Ⅱ：水压力随轴向应变增加一直增加;类型Ⅲ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速跌落至0MPa,水压力最终消散。     

基于RFPA~(2D)的岩石裂纹扩展模式的研究

运用岩石破裂过程分析软件——RFPA2D,通过对岩石试样中预置一组裂纹,研究了裂纹几何分布(不同裂纹倾角、不同岩桥倾角)及围压条件对裂纹扩展模式的影响。数值模拟再现了非均匀岩石介质中多裂纹扩展的相互作用模式及其贯通机制。结果表明:1)预置裂纹的几何分布对裂纹贯通机制有显著影响。2)随着裂纹倾角的增大,试样的平均峰值强度明显增加,当裂纹倾角较大(75°左右)时,峰值强度接近无预置裂纹试样。3)随着围压的增大,剪破裂明显增多,剪裂纹对扩展模式起主导作用。在高围压条件下,试样的破裂形式与在低围压下显著不同,且与均质试样的破裂形式也有显著不同。     

基于DIC技术的充填体固结时间对花岗岩裂纹扩展的影响研究

为了研究地下工程中裂隙岩体的变形、破坏规律对岩体稳定性控制的影响,基于数字图像相关方法,对单轴压缩下未充填裂隙岩石、充填裂隙岩石的应变场演化过程进行监测,结合滑动裂纹模型理论,从宏观和细观角度系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹萌生、扩展和贯通规律。结果表明:未充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙尖端连接处,沿预制裂隙某一侧贯通破坏,而充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙连接处与次翼裂纹扩展处,沿预制裂隙两侧贯通破坏;未充填裂隙岩石的岩桥边界区域以剪切破坏为主,充填裂隙岩石的岩桥区域以张拉破坏为主,无论裂隙岩石充填与否,应变场内都主要分为拉应力与压应力区域;在弹性阶段内,应变场中已形成了沿翼裂纹、次翼裂纹扩展路径的局部化应变带;在内侧翼裂纹和次翼裂纹的搭接处,破坏程度最严重。随着充填体固结时间的延长,在预制裂隙尖端处,伴有剪切起裂的次生共面裂纹扩展,所形成的断面粗糙度高于其他断面。     

高温后含孔花岗岩拉伸力学特性试验研究

为考察高温作用对岩石物理及力学特性的影响,对经历常温~900℃高温处理后花岗岩圆盘试样进行巴西试验,分析了高温后岩样的物理性质(如颜色、体积、质量和密度)变化,研究了力学性质(如荷载-位移曲线、拉伸强度和刚度)与温度关系,探讨了高温后花岗岩裂纹演化特征.试验结果表明,高温作用后花岗岩体积增大,而质量和密度减小.随着温度的升高,花岗岩试样峰后脆性减弱,延性增强,拉伸强度呈先增大后减小趋势.含孔试样拉伸强度低于完整岩样,而且降幅与孔洞分布倾角密切相关.水平和倾斜分布孔洞试样是由于中心孔边缘萌生的裂纹造成劈裂破坏,而竖直分布孔洞试样是由于3个孔洞边缘萌生的裂纹贯通导致最终破裂.     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...     

岩石三维内置裂隙的尺寸效应研究

采用切割、粘结技术,利用红砂岩制作了含三维内置裂隙的圆柱体试件,通过试验和裂隙扩展后的CT图像扫描分析,结合裂隙扩展的数值模拟,研究了在单轴压缩条件下裂隙尺寸的变化对岩石裂隙扩展、破坏规律和应力分布的影响。结果表明,含裂隙试件的峰值强度和峰值应变的折减程度随裂隙直径和张开度的增大而增大;随裂隙直径的增大,反翼裂纹逐渐退出裂隙扩展过程,裂隙扩展方式以翼裂纹为主;翼裂纹与反翼裂纹的扩展随裂隙张开度的增大而越剧烈,试件到达峰值强度时会出现局部破碎区;试件边界对裂隙周围应力分布有一定影响,随裂隙直径的增大,拉应力从应力集中区至试件边界的递减程度减小,应力集中影响范围逐渐超出试件边界;随裂隙张开度的增大,拉应力从应力集中区至试件边界的递减程度不变,应力集中影响范围增大,但未超出试件边界。     

山西晋中马兰黄土劈裂特性及抗拉强度研究

为研究干燥黄土巴西劈裂试验的稳定性和有效性,本文从试样的劈裂特征、荷载-变形关系、抗拉强度与干密度的关系、直接拉伸与巴西劈裂抗拉强度等方面开展了原状与重塑马兰黄土的巴西劈裂试验研究.结果表明:试样破坏分为不同破坏类型,它们对试验结果影响不同,偏离直径裂纹的出现会使试样结果偏小;剔除破坏类型对抗拉强度影响较大的试验结果后,根据损伤点和峰值点将试样劈裂破坏过程分为3个阶段;随着干密度增加,损伤点和峰值点对应的荷载逐渐增加,而对应的竖向变形则先增大后减小;重塑黄土的抗拉强度随干密度增加,呈指数递增;巴西劈裂抗拉强度结果小于直接拉伸试验结果,且与直接拉伸抗拉强度之间存在较好的线性相关关系.     

厚煤层采动裂隙发育演化规律及分布形态研究

结合弹塑性和断裂力学相关理论分析厚煤层上覆岩层采动裂隙扩展力学原理,根据覆岩内原生裂隙、次生裂隙和贯通裂隙分布情况将采动裂隙瓦斯流动通道沿工作面倾向分为:孤立区、局部网络区和网络区,运用UDEC数值软件模拟不同倾角和工作面长度条件下覆岩采动裂隙分布规律.结果表明:受采动影响,厚煤层工作面采空区覆岩出现"O"形裂隙圈,其随煤层倾角增大且沿煤层倾向向上发育,由水平煤层的等腰梯形演化为急倾斜煤层的不对称钝角梯形,瓦斯积聚于"O"形圈顶部;煤层倾角不变的情况下,"O"形裂隙圈随工作面长度的增加而增高.     

车用含Nb奥氏体不锈钢热疲劳行为分析

采用自约束热疲劳试验方法,分析了排气歧管用含Nb奥氏体不锈钢热疲劳行为.结果表明:热疲劳裂纹主要沿晶界扩展,少部分穿过晶界扩展,与较大碳化物颗粒有关;除循环上限温度为1050℃的试样外,其他试样的热疲劳过程均包括萌生、加速扩展及稳态扩展阶段;随循环上限温度的升高,热疲劳裂纹起裂及达到最大扩展速率所需次数减少;循环上限温...