基于三轴压缩试验的煤矿深部地层裂隙岩石力学性能研究

煤矿深部地层岩巷围岩裂隙发育，严重影响围岩完整性和巷道稳定性。为研究深部地层裂隙岩体在掘进扰动条件下的破坏规律与力学性能，在深井岩巷现场取样，加工裂隙岩石试件，开展了不同围压和裂隙倾角条件下的三轴压缩试验，获得了裂隙岩石试件裂隙扩展规律、破坏形态和峰值强度。通过建立颗粒离散单元法数值模型，并根据裂隙岩石试件室内试验结果，标定离散元数值模型细观参数，开展数值试验，进一步研究了裂隙岩石力学性能。研究结果表明，当裂隙倾角为15°时，裂隙对岩石试件力学性质的劣化效应最为明显；当裂隙倾角为15°和90°时，弹性模量分别达到最小值和最大值；当裂隙倾角>15°时，随着围压的增加，裂隙岩石试件的抗压强度和峰值应变均有所增加。     

裂隙倾角及数目对岩体强度和破坏模式的影响

为研究不同裂隙倾角和数目下低强度岩体强度和变形破坏特征,对含不同预制裂隙的类岩石材料试件进行常规单轴压缩试验。结果表明:(1)低强度岩体峰值强度随裂隙数目增加而减小,随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角0°的三裂隙试件单轴压缩强度最低;(2)除90°裂隙试件外,随裂隙数量增加,试件弹性模量减小,而轴向峰值应变先增大后减小;(3)随裂隙倾角增大,试件弹性模量和轴向峰值应变总体呈“凹型”变化,最小值发生在30°裂隙试件,且大倾角裂隙试件(α>45°)的轴向峰值应变对裂隙倾角敏感程度大于小倾角裂隙试件(α<45°);(4)随裂隙数目增加,低强度岩体的破坏模式变化趋势:脆性破坏→塑性破坏→塑性流动变形破坏。     

节理产状对岩石单轴抗压强度的影响研究

运用岩石破坏过程分析RFPA^2D系统,采用控制变量法,分别研究了节理不同位置、方向和迹长对于岩石试件单轴抗压强度的影响。结果表明:试件节理位置对应值(裂纹尖端到受压面的距离)与抗压强度值有近似的线性关系;岩石试件中所含节理倾角不同时,试件的破坏模式不同,随着倾角的增大,试件的强度先降低随后增大;随着节理迹长与试件直径比值的增大,试件强度随之减小。数值模拟结果同物理试验结果相吻合,研究结果对于深入揭示断续节理岩石在单轴压缩下损伤破坏机制具有重要参考价值。     

加载速率影响的含裂隙类岩石材料破断试验与数值模拟

为了探索加载速率对裂隙岩体强度规律及变形特征的影响,分析加载速率与裂隙倾角复合因素影响下裂隙岩体破断响应规律,室内制备含不同倾角裂隙类岩石试件,基于RMT–150B对其进行不同加载速率下的单轴压缩试验,结果表明:在静态加载条件下,裂隙体峰值强度对应应变值与加载速率呈负相关性;相同裂隙倾角下,裂隙体峰值强度呈现出随加载速率的增加而非线性增大的规律;相同加载速率下,裂隙体峰值强度受控于裂隙倾角,在裂隙倾角为15°时出现最小值;裂隙体弹性模量同时受裂隙倾角和加载速率的影响,并随裂隙倾角的增大而近似线性增大,随加载速率的增加而非线性增大,并趋近于一个常数。为弥补室内试验测试技术在反映裂隙体微观形态上的不足,运用PFC2D数值计算平台,基于平直节理接触单元构建裂隙体数值分析模型,设定与室内试验测试环境相同的边界条件,对比完整试件变形破坏特征数据,标定数值模型细观力学参数;数值模拟试验发现:裂隙体峰值强度与裂隙倾角及加载速率之间的关系与室内试验测试结果相吻合;同时获得数值模拟试验过程中的裂隙尖端应力响应规律,发现15°时裂隙尖端应力集中现象最显著。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

单裂隙岩体冻融力学特性试验分析

采用具有不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样,进行冻融后的单轴压缩试验,分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性,以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响。研究发现:预制闭合裂隙对冻融岩样外观破坏特征影响不是很大;同一类岩样在其它条件相同的条件下,单轴抗压强度及弹性模量随着冻融次数的增加而减小,相同的冻融次数,相同裂隙倾角不同裂隙长度的试件,随着裂隙长度的增长,单轴抗压强度有较大幅度降低,且随着裂隙倾角的增大,降低的程度越来越小;而对于相同的冻融次数,相同裂隙长度不同裂隙倾角的试件,倾角的变化对冻融岩样的影响不大;冻融岩样单轴试验破坏形态随着冻融次数的增加,由单一的较平滑的破坏面逐渐发展为多个表面粗糙的破裂面,除完整岩样及倾角为90°的岩样为劈裂破坏外,其余裂隙岩样基本为沿裂隙面的剪切破坏。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

高温高压耦合下含不同倾角充填缝砂岩的强度实验研究

超深储层中岩石的力学性质十分复杂,在油气勘探中经常会遇到井壁围岩垮塌和压裂施工压力大的难题。为揭示高温高压耦合条件下不同倾角充填缝砂岩的破坏模式和强度特征,通过RTR1500高温高压岩石力学实验机,开展对含充填裂缝类砂岩的抗压强度测试实验,研究不同围压、温度、裂缝倾角和裂缝充填方式对岩石强度的影响规律,并根据实验结果绘制了高温高压耦合的条件下不同裂缝倾角岩样破坏准则图。结果表明:(1)裂缝倾角是影响破坏模式和抗压强度的最主要因素,低、高角度缝岩样破坏模式为剪切破坏,抗压强度不随裂缝倾角变化而变化;斜交缝岩样破坏模式为沿裂缝面的滑移,抗压强度随着裂缝倾角增大先减小后增加,存在最小值。(2)不同充填方式下岩样中的主要微裂缝类型不同,破坏时反应岩石的不同性质。(3)温度增加使岩样的整体强度降低,围压增加岩样强度增加,高温高压耦合会使岩石本体更加破碎,岩样由脆性向塑性转变,并且围压增大会抑制裂缝倾角的作用效果。     

岩石尺寸效应在不同加载速率下的数值模拟

为研究岩石在不同加载速率条件下,尺寸效应的影响因素,对5组不同高径比试件进行了不同加载速率条件下的单轴压缩数值模拟试验。结果表明:对于不同高径比试件,加载速率对岩石尺寸效应起主导因素,在同一加载速率下,随试样高径比的增大,其峰值强度逐渐降低。在不同加载速率下,峰值强度随加载速率的增大依次增高。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

次裂纹几何分布对裂纹岩体破坏机制影响研究

通过对含有裂纹的类岩石试件进行单轴压缩试验,研究次裂纹角度、长度以及岩桥尺寸对多裂纹岩体的破坏机制和裂纹扩展特征的影响规律。结果表明:次裂纹角度增加,初裂强度和峰值强度呈递增趋势,主、次裂纹闭合速度和宽度突增值减小,裂纹张开速度和剪切滑动变化值均增大。主、次裂纹之间岩桥贯通路径变短;次裂纹长度增加,初裂强度和峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度变化值和剪切滑动变化值均增加,次裂纹长度的增加降低了试件的完整度,岩桥贯通区域的椭圆形核体增大;岩桥尺寸增加,初裂强度呈递增趋势,峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度突增值和剪切应变增长值减小,裂纹张开速度和剪切应变突增值增加。分析总结了次裂纹几何分布对岩桥贯通的影响规律。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。     

Mechanical behaviours of sandstone containing intersecting fissures under uniaxial compression

Predicting rock cracking is important for assessing the stability of underground engineering. The effects of the intersecting angle α and the distribution orientation angle β of intersecting fissures on the uniaxial compressive strength and the failure characteristics of sandstone containing intersecting fissures are investigated through laboratory experiments and two-dimensional particle flow code (PFC2D). The relationship between the mechanical properties of sandstone and the intersecting angle α and the distribution orientation angle β is analysed. Crack initiation forms and the final failure modes are then categorised and determined via empirical methods. In addition, the cracking processes of intersecting fissures with different α and β values are discussed. The results show that variations in the peak stress, peak strain, average modulus, and crack initiation stress of sandstone containing intersecting fissures show a “moth” shape in the space of the α-β-mechanical parameters. Two crack initiation forms are identified: inner tip cracking (usually accompanied by one outer tip cracking) and only outer tips cracking. Two failure modes are observed: (1) the main fracture planes are created at the inner tip and one outer tip, and (2) the main fracture planes are formed at the two outer tips. Two main crack evolution processes of sandstone containing intersecting fissures under uniaxial compression are found. Approaches for quickly determining the crack initiation form and the failure mode are proposed. The combination of the determination equations for the crack initiation form and the failure mode can be used to predict the crack evolution. The approach for determining the crack evolution processes is hence proposed with acceptable precision.     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

 脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论：(1) 以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2) 岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3) 采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

单轴压缩条件下含双圆孔类岩石试样力学特性的细观研究

圆孔作为一种典型的岩石缺陷,对岩石的力学特性具有重要影响。采用室内试验及PFC2D程序,构建含双圆孔类岩石试样并对其进行单轴压缩试验,研究其不同圆孔间距、倾角组合条件下的强度、裂纹模式及破裂孕育演化特征。研究表明:(1)当间距不变时,随倾角的增大,试样单轴抗压强度呈先减小后增大的趋势,且在倾角为45°~60°时达到最低单轴抗压强度;当倾角为90°恒定时,随间距的增大,试样单轴抗压强度呈先增大后减小的趋势,且在间距为40 mm左右时达到最大单轴抗压强度。(2)试样产生的裂纹类型可分为I型(张拉型)裂纹、II型(剪切型)裂纹、III型(混合型)裂纹等三类。当孔距较近时,随倾角的增大,圆孔间裂纹类型逐渐由III型裂纹转变为II型裂纹,两圆孔靠近加载端部一侧的孔壁逐渐产生I型裂纹,靠近试样两侧边界处的孔壁始终会产生II型裂纹。当倾角为90°恒定时,随间距的增大,两孔间相互作用减弱,但两圆孔靠近加载端部一侧及靠近试样两侧边界处的孔壁,始终分别产生I型裂纹和II型裂纹。(3)两孔间岩桥连线上的II型裂纹首先产生,其次在圆孔靠近加载端部一侧的孔壁产生I型裂纹,最后在圆孔靠近试样两侧边界处的孔壁产生II型裂纹。通常构成II型裂纹的声发射事件破裂强度,高于构成I型裂纹的声发射事件破裂强度。