卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

含2条断续贯通预制裂隙岩样破坏特性的三轴压缩试验研究

通过在类岩石模型材料中预制特定倾角和尺寸的断续贯通2条裂隙试样,以MTS常规三轴压缩试验为手段,研究2条裂隙试样的破坏特性。主要研究成果:(1)2条裂隙岩样的宏观破裂迹线由次生共面裂纹、反翼裂纹和翼裂纹3种类型组成;(2)2条预制裂隙之间的贯通有拉伸贯通、剪切贯通、一预制裂隙共面扩展裂纹与另一预制裂隙的反翼裂纹扩展连接贯通及两预制裂隙无贯通4种形式;(3)2条裂隙岩样在三向受力条件时,反翼裂纹为主要裂纹形式,它影响着试样的最终破坏形式;(4)2条预制裂隙的排列形式和围压大小决定着试样的破坏模式;(5)2条裂隙试样的轴向应力–轴向应变曲线表现出多峰值的特点,变形特性为从低围压下的脆性向高围压下的延性转化;(6)2条裂隙试样在高围压状态时,裂隙岩石的扩容现象不明显甚至完全消失;(7)2条裂隙试样的轴向应力–轴向应变曲线与裂纹的萌生、扩展、贯通具有密切的关系。研究成果能为含节理或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟

通过颗粒流程序(PFC)细观参数敏感性分析与完整红砂岩在常规三轴压缩下的试验结果,获得一组能够真实反映完整红砂岩宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下进行颗粒流模拟,分析围压以及岩桥倾角对断续双裂隙红砂岩强度破坏特征的影响规律,揭示断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学响应机制。研究结果表明：与完整红砂岩相比,断续双裂隙红砂岩峰值强度参数显著降低,且降幅与岩桥倾角?密切相关,黏聚力和内摩擦角均随着岩桥倾角?的增大呈非线性变化。当断续双裂隙红砂岩?= 0°和30°时,两者裂纹扩展模式相近,裂隙①和②之间无贯通;当?= 60°和90°时,两者裂纹扩展模式相近,裂隙①和②之间出现一处贯通;当?= 120°时,在低围压下裂隙①和②之间出现两处贯通,在高围压下只有一处贯通。当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。围压的增加在细观上提高了颗粒之间的接触力,在宏观上表现为强度增大。高围压的存在限制了微裂纹的扩展速率。     

岩石类材料裂纹扩展贯通的近场动力学方法模拟

在连续体内引入预制裂纹的数学描述,运用近场动力学方法对含有预制裂隙(不同倾角的单裂缝和不同岩桥倾角的三裂缝)的岩石类材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。结果表明,随着裂缝倾角的增加,翼型裂纹出现的位置逐渐向预制裂隙的两端移动,次生共面剪切裂纹与次生倾斜裂纹出现的时间与形态也随之改变;不同倾角的岩桥呈现的断裂贯通形式有着明显的差异,但裂纹均是在预制裂缝尖端首先产生,随后逐渐扩展贯通,最终导致试件的整体失稳破坏。数值模拟与室内试验结果的对比分析表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石类材料的裂纹扩展贯通形态,反映裂隙扩展的基本力学机制;作为一种新的非局部数值模型,其在岩石材料与岩体工程数值研究领域具有广阔的应用前景。     

岩质边坡断续裂隙阶梯状滑移模式及稳定性计算

阶梯状滑移破坏是一类典型岩质边坡破坏失稳模式。在总结断续裂隙阶梯状滑移的岩质边坡地质结构特征的基础上,利用离散元二维颗粒流程序（PFC^2D）模拟研究了边坡阶梯状滑移破裂模式及其演化过程。边坡岩桥可归纳为剪切贯通破坏、张拉贯通破坏及张–剪混合贯通破坏3类。通过岩石细观颗粒黏结力场、岩桥段应力及破裂贯通演化分析,揭示了重力作用下阶梯状滑移是从下而上岩桥逐个渐进性破裂贯通演化的过程,坡体后缘张裂纹发展贯通是下部坡体的牵拉作用造成;以缓倾角阶梯状平行裂隙边坡（岩桥倾角90°,裂隙倾角30°）为例,阶梯状滑移过程大致可分为坡体弹性稳定变形、下部岩桥贯通破坏、中上部岩桥贯通–后缘张裂、整体沿贯通面滑移共个阶段,其中第3个阶段坡体微断裂数急剧增加,为滑裂带扩展至贯通的临界失稳状态。基于滑移模式及其演化过程的认识,建立了岩桥剪切贯通、张拉贯通和张–剪混合贯通三类阶梯状滑移边坡稳定性计算理论模型,推导了考虑岩桥强度和贯通率的边坡安全系数极限平衡计算公式。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

类岩石材料有序多裂纹体单轴压缩破断试验与翼形断裂数值模拟

为研究断续岩石裂纹产状特性对岩体强度的影响和岩桥破断规律,在水泥砂浆中预制有序多裂纹体,开展单轴压缩下类岩石材料有序多裂纹体破断试验。研究发现：有序多裂纹体破断模式主要为排间翼形拉裂纹贯通、排间拉伸—剪切裂纹贯通和排内倾斜剪切裂纹贯通。当裂纹倾角较小（如倾角为25°和45°）时,随裂纹密度的增加,试件表征峰值强度总体上呈衰减趋势,而残余强度总体上呈增加走势;裂纹倾角较大（如倾角为75°和90°）时,裂纹密度对表征峰值强度无显著影响,其残余强度特性表现不明显;相同裂纹密度下倾角从25°变化到90°,试件表征峰值强度总体上呈增加趋势。提出主控岩桥贯通模式的概念,倾角25°试件的主控岩桥贯通模式大都是斜对角线上排间拉伸-剪切裂纹贯通;倾角45°试件的主控岩桥贯通模式为：翼形裂纹贯通和斜对角线方向上共面次生剪切裂纹贯通两种模式。裂纹尖端应力-应变集中特性揭示了压剪裂纹尖端的拉应变集中是岩石翼形裂纹萌生的本质原因,而裂纹端部的双向压应力-应变集中导致次生剪切裂纹萌生。从岩石断裂力学基本理论出发,引入点剪切安全系数,构建基于ANSYS的岩石多裂纹体翼形断裂扩展的数值分析模型,阐明了单轴压缩下有序多裂纹体翼形断裂贯通的力学机制,其数值结论与物理试验基本相吻合。     

非贯通非共面节理岩体直剪试验DEM数值模拟

将由室内试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟非共面非贯通节理岩体的直剪试验,分析预制节理倾角、法向应力和节理间距对岩体力学特性和贯通模式的影响,并揭示相应的宏微观机制。结果表明:非贯通非共面节理岩体试样的破坏由节理端点处因拉应力导致的翼裂纹开始,随着剪切位移的增加,翼裂纹朝着最大压力方向扩展,并最终贯通岩桥;峰值剪切应力大体随着预制节理倾角的增加而增加,随着法向应力的增加而增加,随着节理间距的增加基本保持不变。     

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。     

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。     

Fracture coalescence in rock-type materials under uniaxial and biaxial compression

Fracture coalescence, which plays an important role in the behavior of brittle materials, is investigated by loading pre-fractured specimens of gypsum, used as a rock model material, in uniaxial and biaxial compression. Several new phenomena and their dependence on geometry and other conditions are observed. The specimens have two pre-existing fractures or flaws that are arranged in different geometries, and that can be either open or closed. Two different test series are performed with these flaw geometries, one under uniaxial loading and one with biaxial loading in which confining stresses of 2.5, 5.0, 7.5 and 10 MPa are applied. As the vertical (axial) load is increased, new cracks emanate from the flaws and eventually coalesce. Flaw slippage, wing crack initiation, secondary crack initiation, crack coalescence, and failure are observed. Two types of cracks occur: wing cracks, which are tensile cracks, and secondary cracks which initiate as shear cracks in a plane roughly co-planar with the flaw. The secondary cracks usually propagate as shear cracks in the same plane but, depending on the geometry, they also propagate out of plane as either tensile or shear cracks. The wing cracks initiate at the flaw tips for uniaxial or low confinement biaxial conditions but move to the middle of the flaw and disappear completely for higher confining stresses. Three types of coalescence, which depend on the geometry of the flaws and to some extent on stress conditions, occur; they can be distinguished by different combinations of wing cracks and secondary cracks. For closed flaw specimens, at least partial debonding and slippage of the flaws is required prior to initiation of a crack. In uniaxial compression coalescence and failure occur simultaneously, while failure in biaxial compression occurs after coalescence.     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

逆层岩质边坡地震动力破坏离心机试验研究

使用相似材料分别制作了只含有非连续的层面和同时含有非连续的层面和非贯通的次级节理逆层岩体边坡小比例物理模型,进行离心机动力试验,研究边坡的动力响应和破坏机理以及非连续层面和次级节理对其的影响。试验结果证明：逆层岩体边坡地形放大效应受地震动力输入频率和振幅影响显著;次级节理对逆层边坡动力稳定性影响很大,含有次级节理的逆层岩体边坡动力稳定性明显低于不含次级节理的逆层岩体边坡;两种逆层边坡的破坏模式存在很大的区别,不含次级节理的边坡破坏从坡脚开始依次向后产生岩层的弯折破坏,而含有次级节理的边坡破坏从坡体中后部开始依次向坡脚岩层产生贯通破坏,贯通破坏面倾角明显高于不含次级节理边坡,并且呈明显的台阶状。     

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。