基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究

岩石破坏过程中裂纹孕育演化规律及分布模式是解决岩石破坏问题的关键所在,而预制裂隙作为一种典型的岩石缺陷,与岩石的宏观力学状态和结构破坏特性之间有着密切的联系。采用数字图像技术(DIC)及颗粒流程序(PFC),研究了单轴压缩状态下含双预制裂隙类岩石试样破坏全过程,得到了试样破坏过程中观测面全场应变和位移的演化过程以及裂纹发展、微破裂数等特性。研究表明:①当载荷到达一定阶段,预制裂隙两端首先出现明显的微破裂区,其形状近似椭圆,开始形成宏观Ⅰ型裂纹(翼形张拉裂纹);②随着载荷的增大,微破裂聚集,预制裂隙端部开始形成宏观Ⅱ型裂纹(剪切裂纹),并与Ⅰ型裂纹一起持续发育直至试样破坏;③预制裂隙左右两侧和上下两侧的X方向和Y方向位移量差别较大,X方向位移量在两条预制裂隙的右边为正值,左边为负值;Y方向位移量自固定端(下端)向加载端呈由大到小呈梯度分布。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正交型裂隙试样起裂应力集中于0.22σ_c～0.34σ_c,起裂发生在较低应力水平;当岩石中存在与加载方向垂直的裂隙时,岩石的破裂与破坏受此类裂隙的影响最为显著。     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

对称X型裂隙类岩体的力学特性及破坏机制研究

为了研究对称X型裂隙对岩石力学特性及破坏机制的影响,对预制对称X型裂隙类岩体试件进行单轴压缩试验和数值模拟分析,结果表明：1)预制裂隙角度影响裂隙尖端的受力状态,是试件裂纹起裂特征和破坏模式的主要因素;2)对比完整试件,裂隙试件的应力应变曲线峰前出现应力降现象,峰后表现为延性下降,且峰值强度、弹性模量和弹性应变能明显下降,表明试件的力学特性和能量特征对预制裂隙的敏感性高;3)当0°＜α＜90°时,随着预制裂隙角度α的增大,K_e和T应力值减小,裂纹尖端抵抗开裂的能力增强,裂隙试件峰值应力增大,且裂尖抵抗I和II型断裂能力的强弱是造成裂隙试件破坏模式差异的主要原因。     

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。     

裂隙岩石破裂机理研究

应用伪张力法和断裂力学原理对在受压状态下裂隙岩石的破裂机理作了进一步的理论和实验研究，研究表明，裂隙岩石的宏观破裂与岩石的微裂隙分布及其互作用密切相关，在一定载荷条件下，岩石内部微裂隙的扩展和聚集方式呈现一定的规律性，从面使得裂隙岩石宏观破裂的形成和扩展也具有一定的规律，文中引入了等效系数和有效剪应力，并通过实验观测，进一步证明了本文的理论分析与实验结果的一致性。最后，作为实例分析了雁形裂纹的形成     

直剪条件下含裂隙岩石变形特征研究

为研究直剪条件下含裂隙岩石破坏过程中的变形特征,使用PFC^2D对含裂隙岩石进行直剪试验,分析试验中岩石的破坏位移、破坏功、抗剪强度之间的关系,并从细观角度分析试验过程中试样内部的位移情况。结果表明：裂隙使得岩石在破坏过程中产生了更大的变形;破坏功与破坏位移具有正相关关系;含单裂隙岩石两侧的位移方向和大小各不相同,越靠近裂隙中部,裂隙两侧的位移差越大,挤压情况越严重;含交叉裂隙岩石分为多个不同的区域,各区域内的位移大小、方向不相同,存在裂隙两侧张拉和挤压情况,在直剪条件下,内部各区域发生张拉破坏和挤压破坏。     

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。     

完整岩石试件和含有裂隙岩石试件在单轴压缩下破坏过程的数值模拟研究

应用RFPA岩石失稳和破坏失稳程序对完整岩石试件以及含有单一裂隙和交叉裂隙的岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟研究。结果揭示了完整岩石试件和含有不同裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般都分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,随后在中间、径向、侧向均出现裂纹,并且这些裂纹迅速扩展衍生许多新的次生裂纹,最终贯穿整个岩石试件。而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的2端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展并贯通整个岩石试件。     

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。     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用 FLAC^3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,最终形成一个倾斜的应力面,导致试件最后形成一个倾斜的破坏面;而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟.结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75...     

沿空掘巷非对称性差异化支护技术研究

针对2103工作面沿空掘巷巷道围岩变形量大,矿压显现明显,煤柱侧与实煤体侧巷道围岩呈非对称变形问题,采用数值模拟分析确定工作面留设煤柱的合理宽度为5 m,同时利用钻孔成像技术对巷道围岩裂隙变化情况进行分析,得出实煤体侧和煤柱侧巷道围岩松动圈范围分别为1.8～2.2 m、1.5～2.4 m,据此提出非对称性差异化支护方案。支护方案优化后,通过对巷道围岩顶底板及帮部位移量变化情况和岩层裂隙发育情况进行监测,监测结果巷道在采用优化后支护方式后,80%锚杆受力在20～60 kN;巷道两帮位移变化量在75～95 mm,巷道顶底板移近量在43～95 mm,巷道围岩裂隙发育大部分集中在距围岩表面深度1.1 m以内。应用结果表明:该支护方案能够有效控制沿空掘巷巷道围岩变形,为类似条件下巷道支护提供了较大的参考价值。     

双孔洞式双裂隙类岩石力学特性及裂纹扩展分析

为了研究单轴压缩下含有双孔洞和双裂隙缺陷岩石的力学响应,通过完整类岩石室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC~(2D)模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数及破坏形态的对比分析,最终选取一组合理的细观参数,对双孔洞、双裂隙和双孔洞式双裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究表明:双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性,双孔洞缺陷的弱化效应大于双裂隙,随裂隙的倾角增大,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,且双孔洞和双裂隙对岩石产生的共同弱化效应小于叠加弱化效应;当裂隙的倾角较小时,试样的初始裂纹萌生于裂隙尖端和孔洞与裂隙的岩桥,孔洞与裂隙较容易贯通,随倾角增大,孔洞的上下部开始萌生初始裂纹,且当倾角为90°时,初始裂纹仅萌生于孔洞的上下部,孔洞与裂隙不贯通;双孔洞式双裂隙试样的破坏模式主要为拉伸破坏,且拉伸破坏主要发生在孔洞的上下部、外侧和裂隙的尖端,剪切破坏主要在孔洞与裂隙的岩桥产生。     

Propagation mechanism of neighboring cracks in rock-like cylindrical specimens under uniaxial compression

The mechanism of cracks propagation and coalescence of neighboring cracks existing in precracked rock like cylindrical specimens has been studied experimentally and numerically by considering multiple cracks in the middle part of each specimen. The pre-cracked cylindrical specimens of rock like materials are experimentally tested under uniaxial compression in a rock mechanics laboratory. Then these experiments are numerically simulated by a modified higher order displacement discontinuity method (HODDM) using cubic displacement discontinuity elements and three special crack tip elements for crack tip behavior to increase the accuracy of the Mode I and Mode II stress intensity factors (SIFs) obtained based on linear elastic fracture mechanics (LEFM) theory. The crack propagation and coalescence paths of the internal inclined crack are estimated by implementing a suitable iteration algorithm of incremental crack length extension in a direction predicted by using the maximum tangential stress criterion. The numerical and experimental results are compared showing the validity, applicability and accuracy of the present work. Finally, a numerical simulation has been accomplished to study the effect of interaction among neighboring cracks on the SIFs.     

含不同预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律研究

为了研究煤岩中不同位置、角度和尺寸的裂隙对注浆诱导裂隙劈裂的影响,采用物理相似模拟试验的方法,在煤岩相似试样中设置不同的预制裂隙进行注浆试验,并基于相似试样断面情况、声发射监测结果和泵压曲线,对含预制裂隙相似试样的裂隙劈裂扩展规律进行研究。研究表明:预制裂隙与注浆孔不相交时,含预制裂隙的煤岩相似试样注浆劈裂裂隙的发育过程包含劈裂贯通、浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展4个阶段;随着预制裂隙尺寸的增大,劈裂裂隙越易向着预制裂隙的方向发育;与预制裂隙贯通后,新发育的劈裂裂隙更倾向沿着预制裂隙的角度向外扩展;相交时,无劈裂贯通阶段;预制裂隙位置、角度和尺寸影响甚至决定着劈裂裂隙的发育方向。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。