考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷,为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式,基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数,采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明:1)单轴压缩条件下,根据裂纹分布规律的不同,提出了3种破裂形态,分别为"X破裂形态"(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、"完全破裂形态"(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、"中间形态"(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界;2)试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关,随倾角增加呈现先减后增的"对勾"形趋势;3)侧压力增加,试样峰值强度呈对数形式增长,45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高;4)双轴压缩对比单轴压缩,新生裂纹数量显著减少,细长裂纹转变成片状破碎区域。     

近距离煤层群开采底板不同分区采动裂隙动态演化规律

为了研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律,运用弹塑性力学和卸荷条件下断裂力学等相关力学理论分析了不同分区裂隙张开、扩展力学机理,提出不同分区裂纹扩展的应力、位移条件,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件分别研究了底板三维应力状态、位移变化和裂隙演化规律,对底板应力分区做出量化,同时得到采动影响下底板裂隙发育“O”形圈及其动态变化。通对底板不同分区内裂隙的发育倾角统计结果分析,得到了底板不同分区裂隙发育特点：压缩区裂隙多为弯折拉伸裂纹,方位角大致为垂直方向;过渡区裂纹多为反向滑移和弯折扩展裂纹,裂纹倾角多为45°以上;膨胀区多为Ⅱ型剪切裂纹,倾角大部分在45°以下;裂隙发育特征与力学分析相吻合。     

冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

落锤冲击下饱冰裂隙砂岩动态力学性能研究

为了研究饱冰裂隙砂岩的动态力学特性，通过落锤冲击试验与PFC数值模拟相结合的方法揭示了裂隙倾角对饱冰裂隙砂动态力学特性及裂纹扩展过程的影响规律。试验结果表明，不同倾角饱冰裂隙砂岩的应变时程曲线形式一致，裂隙倾角仅影响峰值应变的大小，其中裂隙水平时的峰值应变最小，且随裂隙倾角的增大峰值应变增幅超过40%。试样的宏观破坏模式均以张拉为主。数值结果表明，循环冲击会影响饱冰裂隙砂岩应力-应变曲线的形态和斜率。试样的起裂应力与起裂应变的大小以及微裂纹数量均随裂隙倾角的增加呈先增后减的变化过程，而峰值应力则随裂隙倾角的增加而线性增大。     

预制裂隙细砂岩裂纹扩展 过程及宏观破坏模式单轴压缩试验研究

为研究裂隙的存在对岩体破坏模式的影响,本文对含有不同几何状态的裂隙细砂岩进行了单轴压缩试验,分析了单轴压缩条件下,岩桥倾角和岩桥宽度对裂隙细砂岩试样裂纹起裂、扩展过程以及破坏模式的影响;结果表明:从整体来看,在单轴压缩条件下,裂隙细砂岩试样的破坏模式主要有拉伸破坏、剪切破坏、拉剪组合破坏3种;随着岩桥宽度的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从1条裂隙的尖端转化为2条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由剪切破坏模式经过拉剪组合破坏模式后向拉伸破坏模式过渡;随着岩桥倾角的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从2条裂隙的尖端转化为1条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由拉剪破坏逐渐向剪切破坏过渡;裂纹的发育和扩展在应力-应变曲线上都有所体现,应力-应变曲线的每一次波动都对应裂纹的发育或扩展;试验结果为裂隙岩体工程提供了一定的指导意义。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

温度裂隙对充填体强度耦合效应及裂纹扩展模式

温度与裂隙是影响充填体稳定性的两大重要因素。通过制备预制45°单裂隙全尾砂胶结充填体试样,对20~100℃范围内不同温度处置后的试样进行单轴压缩实验,分析温度-裂隙耦合作用下充填体强度及裂纹扩展规律。结果表明:1)裂隙存在劣化了充填体强度,温度升高使得充填体强度先增加后降低,二者对充填体强度的弱化系数Iσ1,Iσ2及耦合弱化系数Iσ分别介于0.401~0.504,-0.131~0.170及0.364~0.552之间;20~60℃之间,温度强化了充填体强度,温度在40℃左右,充填体强度达到最大值,60℃之后充填体强度开始劣化降低;温度-裂隙耦合作用下充填体强度的影响因素中,裂隙占主导地位,温度次之。2)预制单裂隙充填体试样在单轴压缩条件下先发生拉应力破坏,后转为剪切破坏;产生的翼裂纹形式大致分为4类,相比Ⅰ型和Ⅱ型裂纹形式,Ⅲ型裂纹对试样强度起到劣化作用,Ⅳ型裂纹提高了试样强度,裂纹最终贯穿方向均与加载方向一致。     

单轴压缩条件下裂隙几何特征对岩石力学特性的影响研究

为探究裂隙几何特征对岩石单轴压缩力学特性的影响,采用Rhino-Griddle软件建立不同裂隙几何特征的标准岩样模型,并通过FLAC3D软件对单轴压缩条件下裂隙岩体的变形破坏规律进行了模拟研究,探讨了倾角、张开度、数目与岩石单轴力学特性的关联,分析了多裂隙岩样的裂纹扩展规律。数值计算结果表明:随着裂隙倾角的增加或裂隙张开度的降低,岩样的单轴抗压强度和峰值应变均会有所增加,且裂隙倾角相较于裂隙张开度对岩石的力学性能影响程度更大;裂隙数目对应力-应变曲线的影响在峰后阶段较为明显,随着裂隙数目的增加,岩样的残余强度不断降低,三裂隙岩样的残余强度几乎为0;预制裂隙端部首先萌生裂纹,裂纹不仅向裂隙平行方向沿裂隙扩展,还沿着接近平行于轴向的加载方向向其他裂隙端部扩展,不同预制裂隙裂纹上下完全交汇贯通并与外部裂纹搭接,最终导致岩样完全失去承载能力。     

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

采用一种新型的透明性和脆性度良好的非饱和树脂材料,制作了一组含有不同倾角椭圆形三维内置单裂隙的试样。研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,分析探讨其产生的条件和机理。试验结果表明：三维单裂隙试件破坏过程大致经历4个阶段。三维单裂隙的断裂比二维断裂复杂得多,产生多种不同形态的裂纹,如鱼鳍状裂纹、花瓣形裂纹等。在FLAC 3D软件框架内还建立了一种新的弹脆性破坏本构关系和分析法,并采用超细单元划分法建模,用以模拟三维裂隙扩展。数值模拟结果与本文和前人的三维裂隙试验对照,相符程度均良好,表明了新的数值模拟方法的有效性。当推广到双轴压缩试验模拟时,也与前人相关试验结果有很好的一致性。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

不同形态下红砂岩力学特性和裂纹断裂特征研究

为探究不同形态下红砂岩的力学特性变化以及裂纹断裂形态的发展,改变红砂岩的含水率以及预制不同倾角的裂隙,在单轴压缩条件下研究其抗压强度的变化,同时通过图像处理对产生的裂纹进行量化分析,研究不同含水率、不同裂隙倾角、不同裂隙长度情况下试件的裂纹发展特征以及破坏形态.研究表明:单轴压缩下含水率的增加使红砂岩试件抗压强度降低,裂纹形态变复杂;预制裂隙倾角为０时,试件出现了不同于其他裂纹倾角下的特殊裂纹发展形态,裂纹倾角为４５°的试件,其抗压强度最低,产生的分支裂纹较少;试件预制裂隙长度越长,其抗压强度越低,裂纹率和崩坏面积系数越小,裂纹增长速率增大.试验所得结论较为全面地记录了不同形态下红砂岩的裂纹发展变化,对红砂岩裂纹发展的进一步研究提供了依据.     

断续预制三裂隙砂岩变形破坏特征的试验研究

采用岩石力学伺服试验机,对预制三裂隙砂岩进行单轴压缩试验,并结合RFPA2D数值计算,对其强度和变形破裂特性进行了分析和探讨。研究结果表明,三裂隙砂岩以剪切错动破坏为主,但最终失稳裂纹并非初始扩展裂纹,数值模拟获得的力学参数及破裂行为与室内试验具有较好的一致性;随着侧压力和加载速率的增大,三裂隙砂岩的峰值强度和峰值应变逐渐增大,但弹性模量变化幅度较小。研究成果可以为煤矿巷道、硐室等地下工程的稳定性分析与控制提供一定的理论依据。     

高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

冻结裂隙砂岩解冻后蠕变力学特性研究

富水洛河组砂岩地层人工冻结法施工后,在长期应力作用下斜井井壁围岩会发生蠕变破坏。为了研究解冻后不同裂隙倾角岩石的蠕变破坏机理,以可可盖煤矿洛河组砂岩为原岩,制备预制不同角度裂隙的类砂岩,研究其解冻后三轴压缩蠕变力学特性。试验结果表明：岩样预制的三种倾角中,倾角45°时内部新生裂纹沿着预制裂隙发育与扩展程度更大,产生的轴向蠕变量更大且变化速率更快;其次是裂隙倾角0°时,最后为裂隙倾角75°。根据试验结果,基于西原体蠕变模型,引入裂隙塑性体元件及蠕变全过程劣化演化方程,建立考虑原生节理影响的非线性蠕变模型并且进行三维推广,并利用最小二乘法进行求解并拟合,拟合结果与试验数据基本吻合。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验.结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响.应力应变曲线初始段呈"上凸型"特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载.砂岩峰值强度、 弹性模量、 抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关...     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

不同加载方式下含预制裂隙岩石力学特性及破坏规律试验研究

为探究不同加载方式下含裂隙岩石的力学特性和破坏规律,加工制备了5组裂隙角度的圆柱形花岗岩试样,采用万能材料试验机和改进的SHPB装置,分别进行了静态单轴压缩试验、常规冲击试验和动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录分析了试样的变形破裂过程.试验结果表明,各加载方式下含裂隙试样的强度、峰值应变和弹性模量均随裂隙角度的增大而增大.试样的单位体积吸收能和能量吸收率均随裂隙角度的增大呈先上升后下降的趋势,但同一裂隙角度试样在常规冲击条件下其值总要大于动静组合加载.裂隙角度和加载方式均会对含裂隙试样的裂纹扩展特征与破坏模式产生影响.     

注浆充填作用下共面双裂隙砂岩变形破坏特征研究

以共面双裂隙砂岩为例,采用不同的水泥浆液进行注浆充填处理,并进行室内单轴压缩试验,来研究不同注浆充填材料作用下砂岩的强度及变形破坏特征。试验结果表明:与完整砂岩相比,共面裂隙砂岩强度具有明显的退化,退化幅度在18.68%~36.99%之间;随着充填材料强度的增大,砂岩峰值强度和平均模量均表现为逐渐增大的特征。充填材料对砂岩的破裂形态具有很大的影响,充填材料强度较低时,砂岩的破裂过程主要表现为预制裂隙尖端的裂纹扩展;而充填材料强度较大时,充填作用有效抑制了预制裂隙的扩展,破裂面多表现为穿越裂隙布置。研究成果在一定程度上可以为裂隙岩体地下工程支护设计和防灾减灾提供必要的理论依据。