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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

倾角对裂隙岩体力学特性影响试验模拟研究

为了解决工程中遇到的裂隙岩体的开挖与防护问题,用水泥砂浆制作试样,模拟具有不同倾角的贯通裂隙岩体,利用电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆分别对试样施加静、动荷载,分析倾角对裂隙岩体静、动态力学性能的影响.结果表明,裂隙岩体的破坏具有脆性破坏的特征;其强度具有应变率敏感性,随着应变率的提高,强度也得到提高;倾角对裂隙岩体的静、动态力学性能有影响,静态荷载下的抗压强度在裂隙倾角为45°时最小,O°和90°时最大,而动力荷载下的抗压强度则是在裂隙倾角为30°时最小,90°时最大.     

断续双裂隙岩石抗拉强度与裂纹扩展颗粒流分析

利用颗粒流(PFC)构建了圆盘试样的巴西试验模型,模拟了含单条中心直裂隙和断续双裂隙试样的巴西试验,通过含中心直裂隙模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,并分析了裂隙参数对抗拉强度和裂纹扩展特征的影响.结果表明:抗拉强度总体随裂隙长度、岩桥倾角的增大而减小,随岩桥长度的增大而增大,但随裂隙倾角的改变呈非线性变化.断续双裂隙试样翼形裂纹一般萌生在裂隙的尖端,次生裂纹一般萌生在试样的边界.试样发生拉伸破坏,裂隙倾角主要影响翼形裂纹的萌生位置,岩桥倾角主要影响次生裂纹的萌生位置,裂隙长度主要影响试样的最终破裂程度,岩桥长度主要影响翼形裂纹的扩展程度.     

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。     

砂浆模拟裂隙岩体在动静组合荷载下的SHPB试验研究

通过预制裂隙砂浆试件模拟工程实际裂隙岩体,以研究在不同裂隙情况下及有围压作用时裂隙岩体的动力学响应问题。在模具中安装预设裂隙塑料片模拟实际岩层的裂隙倾角及裂隙贯通率,在试验中围压简化为正常金属环固定。基于正交试验方法,利用分离式霍普金森压杆试验装置(split Hopkinson pressure bar, SHPB)研究了不同倾角(0°、30°、45°、60°、90°)、不同贯通率(100%、 75%、 50%、 25%、 0%)的砂浆试件在不同围压下的动力学响应。试验结果表明:当倾角小于45°时,试件稳定性随裂隙倾角增大而降低,当倾角大于45°时,稳定性随裂隙倾角增大而提高,倾角45°为稳定性临界点,稳定性与倾角并非线性关系;试件贯通率的增大明显降低动力学强度;施加围压后砂浆试件产生了伪塑性变形,能有效提高动力稳定性,对于高贯通率试件表现尤为明显。该结果为进行地下工程裂隙岩体的强度分析提供参考。     

不同倾角裂隙砂岩单轴压缩颗粒流模拟分析

为探索不同倾角裂隙岩体在单轴压缩作用下的破坏形式,利用二维颗粒流程序(PFC2D)对不同倾角裂隙岩体试样进行单轴压缩数值模拟,研究了不同倾角裂隙岩体的强度变化规律、破坏形式以及裂纹扩展路径。结果表明:不同倾角预制裂隙岩体的破坏模式略有不同;不同倾角预制裂隙岩体破坏过程基本一致,都会经历弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、岩体失稳阶段3个阶段;不同倾角裂隙的存在使得岩体的抗压强度有不同程度的降低;在单轴压缩破坏中,裂隙的顶点应力集中现象比较严重,沿裂隙岩体对角线方向产生的裂纹最多。该数值模拟分析为进一步探索地下工程中裂隙岩体失稳破坏规律提供了参考。     

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

为了研究非对称Y型分支裂纹在压缩荷载下的起裂及其扩展规律,对含预制裂缝混凝土试件进行了实验研究和相应的数值模拟研究。试验采用水泥砂浆材料制作的含非对称Y型裂纹的正方形试件,利用自制的3向加载设备进行加载并测得其最大载荷。同时利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明:随着分支裂纹与主裂纹之间夹角θ的增大,分支裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子从负值变化到正值,而水平主裂纹的两个尖端的Ⅰ型应力强度因子的绝对值均增大。分支裂纹的Ⅱ型应力强度因子先减小后增加,并在30°~45°之间出现极值。当倾角θ为75°时试件的抗压强度最低,当θ为90°时的强度次之。     

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。     

巷道周边裂纹应力强度因子的实验研究

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的破坏现象,严重影响地下工程的安全施工。岩体裂纹尖端的应力强度因子对岩爆的发生有重要影响。使用一种无损的、全领域的平面应力实验分析技术——光弹性实验技术,通过分析试件的主应力差和主应力方向,并使用数值方法,讨论了当隧道围岩裂纹角度和荷载变化时,其尖端应力强度因子的变化情况。结果表明:1)在单轴压缩荷载作用下,裂纹尖端的应力强度因子随裂纹倾角的增加而增加,到达60°时开始下降,并且当倾角固定时,随荷载增加而增加;2)在围压作用下,倾角为45°时的裂纹为最不利裂纹,其应力强度因子最大。     

裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究

采用花岗岩材料通过红外热像和数值实验的方法,对两预制裂纹导致的岩石中新裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.通过红外热像遥感观测方法以及数值模拟对7块预制双裂纹的试样进行了实验研究.结果表明,裂纹扩展过程中,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量不多,只有在主破裂发生时产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.试样破裂过程中有红外异常现象,在破裂处会出现明显的高温区和高温条带,并指出斑状花岗岩在破裂前主要表现为高温前兆.     

三向应力下裂隙岩石力学特性试验研究

通过三轴压缩试验,对预制张开裂隙岩样在不同围压下裂隙参数(裂隙倾角、裂隙长度)对岩样的强度和变形破坏特征的影响规律进行了研究,并对裂隙岩样的破坏机制进行了探讨。结果表明:1)在围压相同、倾角相同条件下,裂纹长度对峰值强度的影响较大,裂纹越长,其峰值强度越小,而裂隙倾角对岩样峰值强度影响不大;2)裂隙岩样残余强度阶段的粘聚力下降严重,说明残余强度阶段试件已形成宏观贯通的裂缝,其承载力主要由裂隙面间的摩擦力承担;3)预制裂隙岩体的弹性模量随围压的增加经历了先减少再增加的非线性变化。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

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.     

基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体（S-RM）的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征. 基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法. 根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理. 试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.