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。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多,试件表面的脱落现象越明显,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。     

岩体侧向卸载变形破裂PFC~(2D)数值模拟

为探讨岩体在侧向卸载作用下的变形破裂行为,采用PFC2D离散颗粒流软件再现了岩体在侧向卸载作用下的失稳破坏过程。通过相似材料岩体室内单轴压缩试验来获得岩体在PFC2D计算所需各参数,然后以此为基础进行岩体的侧向卸载变形破裂数值模拟试验。结果表明:侧向卸载作用下岩体破坏以2条相互贯通的共轭张剪主裂纹为主,其裂纹发展可分为5个阶段;卸载岩体变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容或膨胀,最终岩体的3个岩块将沿主裂纹面发生相互错动;岩体的扩容量与卸载速率成指数衰减关系,且卸载速率越大,卸载岩体的脆性特征就越明显,其破坏具有突发性、猛烈性和复杂性。     

应力路径影响下高应力岩石力学特性颗粒流模拟

结合不同应力路径下岩石真三轴试验与PFC3D数值模拟,研究高应力岩体在不同加卸载路径下的变形破坏特征并探讨其细观机制.结果 表明,真三轴压缩条件下,试件内部能量释放较缓慢,破坏形式有剪切破坏、劈裂破坏和张拉-剪切复合破坏.真三轴卸荷条件下岩石脆性特征更加明显,试件内部能量释放迅速,破坏主要发生在卸荷面附近,破坏形式有劈...     

不同角度结构面条件下裂隙煤岩破坏特征

为了进一步探究裂隙煤岩体的结构面效应,选取现场典型煤岩样,通过在煤岩试样表面预制特定长度、不同角度的单裂隙,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,研究了单裂隙煤岩体结构面角度效应的强度、变形特性和破坏形式。试验结果表明:试样应力-应变曲线的加载和卸载路径不重合,形成了若干封闭的回线-加卸载弹性滞后环,试样循环加卸载应力-应变曲线的外包络线变化特征与单调加载时相似,随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势,结构面长度一定,试样的抗压强度随着结构面角度的增大而不断减小。     

三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究

针对裂隙煤岩体的结构面效应,通过在煤岩试样表面预制特定角度和深度、不同长度的单结构面,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机和SAEU2S多通道声发射检测系统,研究了单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式和声发射特征受结构面长度变化的影响。试验结果表明:随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势;结构面角度一定,试样的抗压强度随着结构面长度的增大而减小;结构面长度越大,结构面效应对试样自身的材料破坏影响越明显,具体体现为试样沿结构面的滑移破坏和穿切结构面的破坏;随着循环加卸载的进行,声发射信息经历了加载初的少量随机期、加卸载时的规律波动期、破坏前的密集活跃期、主破坏发生后的峰值和峰后衰减期,声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程,破坏前的声发射密集活跃期可以作为判定试样破坏的前兆。     

非共面断续裂隙类岩石试件破断试验与分析

为了探讨不同数目、不同倾角下非共面断续裂隙岩石的力学特性和裂纹演化规律,采用RMT-150岩石力学加载试验机单轴压缩含预制裂隙的类岩石试件。结果显示:当主裂隙水平时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小再增大;当主裂隙倾斜时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小;次裂隙倾角为30°、45°和60°时,第二条次裂隙的存在对试件承载力有一定的强化作用,三裂隙试件峰值强度比双裂隙试件峰值强度大;水平裂隙裂纹萌生的位置不在裂隙尖端且具体位置受次裂隙的影响;预制裂隙出现相互贯通,主要贯通模式为拉贯通和拉剪混合贯通,破坏模式主要为对角剪切破坏;运用PFC2D数值分析软件进行模拟试验,数值模型的破坏模式与室内加载下的试样破坏情况基本一致,模拟试验较好地反映了试样受压后裂隙的裂纹演化过程。     

裂隙数量对低强度岩体力学特性及破坏模式影响的试验研究

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:①裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏;②受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势;③裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响;④裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。     

采动应力下急倾斜煤层顶板砂岩的力学及渗透特性

针对煤矿开采过程中垂直应力集中及水平应力卸载所引起的岩体变形破坏和渗透特性等问题,运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以急倾斜煤层顶板砂岩为研究对象,开展不同静水压力条件下,砂岩定轴压卸围压瓦斯三轴渗流试验,研究应力集中状态对砂岩卸围压破坏过程中变形规律及渗流特性的影响。得出的主要结论有：岩样屈服阶段存在一点,为岩样卸荷由张拉破坏向压剪破坏的转折点,且卸荷点越接近屈服强度,岩样卸荷破坏越突然和剧烈,岩体破碎度越高;初始围压(轴压)相同时,砂岩的峰值强度随初始轴压(围压)增大而有所提高;砂岩卸荷破坏卸荷量百分比随轴压增大而减小,随初始围压增大而增大;砂岩卸荷破坏后,峰值瓦斯流量与体积应变之间存在指数函数关系;砂岩卸荷破坏形态主要表现为沿层理方向的张剪混合裂缝,且微裂缝十分发育,岩样的渗透性与裂缝的发育程度具有较好的相关性。岩体渗透性与其所处的应力状态密切相关,开展采动应力下煤系砂岩的变形破坏规律及瓦斯流动特征研究对指导急倾斜煤层开采中瓦斯抽采钻孔的合理布设、提高瓦斯抽采效率具有重要的理论及现实意义。     

TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型

通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理：挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分。获取了各特征应力（损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ1l）与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性-卸荷屈服损伤扩容-峰后脆性跌落-线性应变软化-残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系。对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。     

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。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究

采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩石非均质性和岩石渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对具有不同倾角预制裂纹的页岩力学特性、破坏模式、损伤特征进行模拟分析与讨论。结果表明,预制裂纹对页岩峰值强度有明显弱化作用,弹性模量降低值与裂纹倾角未呈现明显的线性关系; 预制裂纹倾角15°、30°、60°时,试件主要破坏模式为小变形的拉伸破坏模式; 而倾角45°、75°、90°时,试件以大变形的剪切破坏而失效; 裂纹倾角大于45°时裂纹的扩展类型与效果较好。研究结果对改善页岩的水力压裂效果、失稳破坏具有一定参考意义。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先对破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α对岩石的应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σcd、峰值强度σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表面裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,预制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂方式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩体的轴向应力-横向应变曲线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

围压卸荷对矿柱破坏模式影响分析

利用东北大学岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),研究了围压卸荷对矿柱破坏模式的影响。通过对不同围压卸荷方式中岩石试件的应力积累、裂隙扩展及整个破坏过程进行分析,得出了围压卸荷条件下矿柱的破坏规律。数值计算结果表明,当轴向载荷超过岩石试样的单轴抗压强度时,对试件围压实施一次卸荷容易引起岩石剧烈的脆性破坏,而对试件实施围压逐步卸荷,岩石试件则呈现出较明显的延性特征,其内部积累的能量随着卸荷步骤逐渐释放出来,能避免岩石发生剧烈脆性破坏。这一结果对指导采场开挖过程中,保护采场以及矿柱的稳定具有重要的理论意义。     

裂隙岩石拉伸断裂破坏理论分析试探

利用边界配置法对最大周向应力理论、有效应力理论进行了修正,建立了实验室尺度下拉剪裂纹的两种破坏准则,并通过相应的破坏准则建立起了岩石单轴拉伸强度与断裂韧度之间的关系,给出了量化裂隙岩石试件抗拉强度的无量纲量,分析了裂纹倾角、裂纹长度对裂纹尖端开裂角及裂隙岩石试件的抗拉断能力的影响。结果表明,开裂角以及裂隙岩石的抗拉断裂能力(抗拉强度)均随裂纹倾角的增大而增大;对于具有宏观裂隙的试件,开裂角及抗拉断能力随裂隙长度的增加而递减;试件的尺度对裂隙岩石的强度影响不容忽视。     

含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验

为了研究冻结条件下西部地区裂隙岩体的力学性质,以西部中生代地层典型的红砂岩为试验对象,通过数码显微镜观察分析了红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在-5~-15 ℃条件下,对无裂隙冻结红砂岩和裂隙倾角β为0°,15°,30°和45°的冻结裂隙红砂岩进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明：冻结红砂岩和冻结裂隙红砂岩的强度都随围压的增加而线性增加。冻结裂隙红砂岩强度随着裂隙倾角的增加而非线性递减,在裂隙倾角大于30°后,强度降低的幅度不大。含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度和侧向变形主要受裂隙冰控制,因此工程中需要了解裂隙的角度分布特征。     

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆-延-塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理。结果表明：含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生。随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为：15°<45°<60°<0°<30°<90°<75°破岩由易到难。有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大。