岩体结构面破坏条件研讨

岩体由岩石结构体和软弱结构面组成,结构面的抗剪切强度远小于结构体的抗剪切强度。因而,在复杂应力条件下,岩体的破坏常常是沿着结构面发生剪切滑移,而此时岩石结构体内的应力值却远未达到其强度极限。鉴于结构面的存在对岩体强度的影响,本文对岩体中任意方向的结构面的破坏条件进行了探讨。     

单压下节理密度及倾角对类岩石试件强度及变形的影响

通过预制张开节理类岩石试件,在单轴压缩条件下,研究节理密度及倾角的组合作用对试件强度和变形特征的影响.试验结果表明:(1)随着节理倾角的增大,应力-应变曲线由多峰值转变为单峰值,试件脆性增强,延性减弱;(2)节理密度对当量峰值强度的影响与节理倾角大小有关,对当量弹模的影响呈“V”形变化,即当量弹模随着节理密度的增大呈现先减小后增大的变化规律;(3)当量弹模随节理倾角的增大而增大,在节理倾角为90°的时候达到最大值,为完整试件弹性模量的70%~80%;(4)节理倾角对多节理类岩石试件当量峰值强度和当量弹性模量的影响大于节理密度的影响.对试验结果进一步分析发现:节理密度及节理倾角与应力-应变曲线、当量峰值强度及当量弹性模量之间的关系,其变化规律与试件的破坏过程息息相关,其破坏模式可分为张拉破坏、剪切破坏和复合破坏.      

石灰岩抗拉强度的试样厚度效应试验研究

岩石的抗拉强度是反映岩石力学性质的一个重要指标,也是矿山工程稳定性分析的重要依据。通过对厚度在25 mm、30 mm、50 mm的圆柱形石灰岩试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法,分析了试样厚度对岩石劈裂强度和拉伸弹性模量的影响。研究结果表明,石灰岩劈裂强度以及拉伸弹性模量均随试样厚度的增加而减小,岩石劈裂时横向应变也受试样厚度的影响,并存在明显的应变尺寸效应。劈裂试验中,岩石试件的拉伸应力-应变曲线呈线性关系,曲线的斜率随着试件厚度增加而减小。岩石破坏形态主要沿加载直径劈裂破坏为两个半圆,且两加载端基本完整,试件的破坏面一般都是沿着轴向受载荷的方向。     

不同围压下岩石峰后及残余变形特性试验研究

为使矿山能安全高效地开采,对深部矿山三向应力状态的岩石进行研究。试验采用RTS-500三轴流变仪,对较深部岩石进行常规三轴压缩试验,得到了应力-应变曲线。试验发现:随着围压的增大,峰值强度和残余强度都呈逐渐增大的趋势;峰值强度与残余强度的差值也逐渐降低;随着围压的增大,岩石峰值强度对应的岩石应变出现增大的现象;随着围压增大,岩石的弹性模量出现增大的现象。结论对于实际施工的工程稳定以及岩体的支护设计都具有指导和借鉴意义。     

单轴多级加载下岩石声发射特性试验研究

对大理岩和花岗岩开展室内单轴多级加载试验,得到应力—应变,声发射参数、应力与时间关系。研究结果表明:在加载初期,两者没有明显的声发射现象,表明试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合;在稳压阶段,大理岩声发射活动水平较低,岩石中有少量新生裂纹的产生或扩展;花岗岩声发射活动显著,岩石在载荷稳定时裂隙继续发展;临近破坏时,大理岩声发射活动水平较低,花岗岩声发射活动集聚增加。室内单轴多级加载试验在一定程度上反映工程岩体分级开挖时应力调整前后声发射的变化趋势。对高应力、多扰动的深部岩体,建议现场声发射监测岩体稳定性,岩爆等地质灾害时,应掌握合适的监测时机,对多中段同时开采的矿山深部岩体应加强顶底板、围岩、矿柱的声发射监测,为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供了借鉴和思路。     

单轴加载条件下砂岩声发射特性分析

通过单轴加载条件下砂岩破裂过程的声发射试验,采集了砂岩变形各个阶段的声发射信号,得到了应力-时间-累计振铃计数、应力-时间-声发射事件率曲线.结合应力-应变曲线,对整个破坏过程中的声发射信号特征参数进行了分析,同时采用快速傅里叶变换,对其中按时间序列选取的110个声发射信号进行了频谱分析,得到了声发射信号对应的主频,对主频随应力的变化情况进行了分析.结果表明:在峰值强度50%之前,主频随压力随机变化,在峰值强度50%之后主频有降低的趋势,且主频主要集中在140~180 kHz之间.     

基于SHPB试验的岩石应变率效应分析

岩石材料在静荷载和动荷载作用下,其力学特性差异很大。采用直径100 mm分离式Hopkinson压杆试验装置和波形整形技术对岩石进行动态冲击压缩试验,研究应变率范围为10～100 s~(-1)岩石的动态抗压强度、峰值应变及破坏形态的应变率效应。试验结果表明:试件动态抗压强度和峰值应变均随应变率增加而增大,最大动态抗压强度约为静态强度的2倍。试件动态破坏形态从低应变率下径向劈裂破坏到高应变率下粉碎破坏,随着应变率增加碎块数量明显增多而粒径变小,碎块粒径和块度分布变化显示出试件破坏形态具有明显的应变率效应。     

基于RTS-500岩石流变仪三轴强度和变形特性

采用英国GDS公司生产的RTS-500型岩石三轴流变仪试验机,进行不同围岩条件下的三轴压缩实验,并对试验结果进行分析. 确定三轴围压下的峰值应力以及其应变的变化规律,以及根据Mohr-Coulomb强度理论确定岩石的c、φ值的变化规律,研究绿泥石英片岩的强度和变形特性.结果表明:在低围压时,岩样内部非均匀化,岩石表现为脆性特性;在高围压时,岩样内部由低到高逐渐屈服,内部趋于均匀化,此时岩石出现由脆性向塑形特性转变的趋势.岩石的峰值应变与围压呈显著的线性关系,岩石残余强度对围压的敏感性明显高于峰值强度. RTS-500型岩石三轴流变仪系统实验精度较高,实验数据可靠.      

砂岩单轴压缩变形规律及声发射特性

为准确确定岩石岩爆倾向性,对砂岩进行单轴压缩条件下声发射检测试验,研究岩样单轴压缩变形规律与声发射特征.对荷载-变形曲线、AE参数进行统计分析,结果表明,压密阶段和线弹性阶段声发射振铃计数较少,累积能量曲线十分平缓,释放弹性应变能较低,从塑性变形阶段开始,AE活动频繁,累积能量呈指数级释放,损伤加快,声发射类型由之前的突发型变为连续型,应变曲线拐点处,往往出现AE参数峰值.分别对AE振铃计数、累积能量和岩石损伤进行监测分析,能较准确判断砂岩岩爆倾向性.     

高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性

为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理,利用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统,首次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究.随着冲击次数的增加,岩石的弹性模量先增大后减小,而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势,最后一次冲击时弹性模量骤降,最大应变突增,岩石试样发生破坏.单位体积岩石能耗为负值,说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能量的特性,这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放;随着冲击次数的增加,单位体积岩石释放的能量先增大后减小.结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式.      

充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究

为研究充填物对含孔洞岩石的力学特性及变形破坏特征的影响规律,室内预制加工了含孔洞及石膏充填物大理岩,分别对其进行单轴压缩和声发射试验,并对破坏前后试件进行CT扫描,分析其裂纹扩展规律.试验结果表明:(1)相比于含孔洞大理岩,石膏充填使试件的抗压强度提高了10.62%.二者峰前特征相似,均表现为孔周裂纹起裂引起第一次应力跌落现象,峰后特征则有所不同,石膏充填使大理岩变形的局部化特征更为明显.(2)峰后阶段,含孔洞试件声发射特征显著,裂纹扩展迅速,石膏充填试件稍慢,表明石膏充填遏制了试件的裂纹扩展.(3)含孔洞和石膏充填大理岩的破坏模型有所区别,含孔洞试件破坏裂纹较为单一,主裂纹以张拉破坏为主,翼裂纹在试件端部较多,部分从侧面贯通,形成块体掉落.充填条件下孔洞周边的裂纹更细更分散,小裂纹相互贯通,形成"X"状剪切破坏.      

不同层理页岩常规三轴压缩力学特性离散元模拟

页岩作为页岩气储层,在沉积过程中形成部分弱面,在力学特性上表现出各向异性特征。所以,使用离散元软件从微细观层面探讨深部页岩力学各向异性特征具有重要实践意义。基于页岩室内常规三轴压缩试验结果,采用离元程序PFC2D对常规三轴压缩下不同层理倾角页岩进行了颗粒流模拟研究,分析了层理倾角及围压对页岩力学特性的影响规律。结果表明:（1）页岩峰值强度与黏聚力随层理倾角的增加整体呈“U”形变化,但峰值强度在不同围压下的变化趋势有所区别;而内摩擦角随层理倾角的增大呈非线性变化。（2）层理倾角对页岩周围颗粒的位移方向及大小的影响随着层理面与轴向应力的夹角的增大而减小。（3）同一层理倾角试样最终破坏时的微裂纹总数随着围压的升高有所增加;同一围压下,试样最终破坏时的微裂纹数目,随着层理倾角的增加呈现先减少后增多的趋势。（4）同一层理倾角页岩的脆性随围压的增长整体呈下降趋势;低围压情况下,页岩脆性随层理倾角的增加呈两端大中间小的变化规律。      

N型组合节理类岩体单轴压缩破坏试验

针对实际工程中平行与交叉裂隙组合呈N字形裂隙岩体的稳定性问题，以N型组合节理为研究对象，开展了N型节理类岩体试件超声波检测试验和单轴静载试验，结合断裂力学理论，分析其强度特征、破坏特征和超声波波速衰减规律。结果表明：（1）N型组合节理类岩体的裂纹类型依次有翼型裂纹和次生倾斜裂纹，其扩展路径最终均趋向于主应力方向，不同于单节理下的裂纹发展规律；（2）当主节理倾角一定时，主次节理夹角和节理条数对试件的物理性能有一定的影响。各组合节理试件的波速衰减率范围在0.9%～9.6%之间，且15°和90°夹角节理试件的波速衰减最快，而60°夹角节理试件的衰减最慢；（3）组合节理类岩体的本构关系、峰值强度和破坏特征均表现出非线性特征。峰值强度分布规律基本服从M型分布，不同于单节理下的U型分布，其中15°、30°、45°、75°和90°夹角试件，以及完整试件呈准脆性破坏，其他夹角试件呈脆性破坏。     

基于声发射的倾斜软硬互层岩石破坏特性研究

为研究深部矿井中常见的软硬互层岩石的破坏特性,结合声发射技术对红砂岩和混凝土组合的软硬互层岩石试样进行了单轴压缩试验。对单轴压缩试验现象和数据进行分析,对试样的破坏模式进行了分类,给出了软硬互层岩石峰值抗压强度随软层倾角变化的N型曲线。对声发射数据进行分析,结果表明：（1）软层倾角大小对软硬互层岩石的稳定性有显著影响;（2）软硬互层岩石软层倾角增大时,更容易诱导裂纹密集生成从而导致失稳破坏;（3）软硬互层岩石发生失稳扩展的频次随着倾角的增加呈现先增加后减少再增加的规律;（4）随着倾角的增大,剪切裂纹占比呈现先增加后降低再增加的规律。     

卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试

为研究卸荷岩体内部孔隙结构的细观损伤演化特征,以大理岩为岩样,分别进行初始围压为10、20和30 MPa,不同卸荷围压量的常规三轴卸荷试验和核磁共振测试实验,获得卸荷岩体的应力-应变曲线、横向弛豫时间T₂分布、孔隙度及核磁共振成像图像.随着卸荷围压比的增大,岩石由弹性变形转化为塑性变形,岩样内小孔隙的孔径增大,大孔隙的数量增多且孔径增大;卸荷围压比低于90%,岩体损伤主要由孔隙数量的增多引起,卸荷围压比高于90%,损伤由孔隙数量和孔径均急剧增大引起;岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增大,且增速越来越快;核磁共振图像直观地反映卸荷岩体内部孔隙数量、孔径及结构变化情况.      

Characterization of Strength and Deformation of Jointed Rock Mass Based on Statistical Analysis

This paper deals with the statistical analysis of the uniaxial compressive strength and of the elastic modulus of jointed rock masses under different confining pressures. Properties of the rock masses with different joint fabric, with and without gouge have been considered in the analysis. A large amount of experimental data of jointed rock masses from the literature has been compiled and used for this statistical analysis. The uniaxial compressive strength of a rock mass has been represented in a nondimensional form as the ratio of the compressive strength of the jointed rock to the intact rock. In the case of the elastic modulus, the ratio of elastic modulus of jointed rock to that of intact rock at different confining pressures is used in the analysis. The effect of the joints in the rock mass is taken into account by a joint factor. The joint factor is defined as a function of joint frequency, joint orientation, and joint strength. Several empirical relationships between the strength and deformation properties of jointed rock and the joint factor have been arrived at via statistical analysis of the experimental data. A comparative study of these relationships is presented. The effect of confining pressure on the elastic modulus of the jointed rock mass is also considered in the analysis. These empirical relationships are incorporated in a nonlinear FEM code to carryout the equivalent continuum analysis of jointed rock masses. The method presented in this paper recognizes that the jointed rock mass will act both as an elastic material and a discontinuous mass. The results obtained by the model with equivalent properties of the jointed rock mass predict fairly well the behavior of jointed rock mass.     

不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究

岩体工程中的应力状态对围岩的稳定性具有重要影响。为研究地下巷道中岩体应力状态对围岩稳定性的影响规律,基于离散元理论,对地下巷道开挖过程的应力状态进行分析,开展了围压卸载—轴压增加、围压卸载—轴压不变和围压卸载—轴压减少3种不同卸载路径下的三轴压缩数值模拟试验,并与常规三轴压缩试验进行对比,分析了不同应力路径下的岩石宏观强度特征及细观损伤过程差异性。结果表明：强度准则和应力张量状态不受卸载路径的影响,但不同应力路径下岩体的损伤过程不同,围压卸载—轴压不变应力路径下的微观裂纹发育最密集,而围压卸载—轴压增加应力路径下的裂纹丛集速度最快。研究结果可为地下巷道开挖过程中的围岩应力卸载破坏分析提供参考。     

岩石尺寸效应对其声发射影响的数值模拟研究

对6种同一高径比、不同尺寸的同性质岩石试样进行数值模拟,研究其对岩石破坏过程声发射的影响。结果表明:试样尺寸小时,大声发射事件在主破裂前后都有显著出现,其分布由当初无序性到峰值后在试样中部集聚成核;残余变形阶段,有相当数量和能量的声发射出现,且有几次出现在数量和能量上均较显著的声发射带。当试样尺寸较大时,在达到峰值前声发射较少,且随机分布在试样中,大声发射事件出现次数较少且仅在峰值应力时出现,其数量和能量均最显著,声发射在两处聚集成核;残余变形阶段,声发射很少发生,其分布又呈无序性。根据声发射时间序列和空间分布的特征关系,对利用声发射特性预测不同尺寸岩石试样破裂来临及其位置有一定的参考意义。     

顺层岩质边坡变形破坏特征及稳定性数值模拟

针对顺层岩质边坡岩层结构面倾角θ和边坡角α两个参数,采用离散单元法研究了不同工况下总计270个边坡模型的变形破坏特征,统计得到不同变形破坏模式对应的岩层结构面倾角θ与边坡角α的范围,并基于强度折减法研究了两个参数与边坡稳定性的关系,揭示了顺层岩质边坡变形破坏机制及稳定性特征.研究结果表明:依据边坡变形破坏特征,提出了四种顺层岩质边坡变形破坏模式,即坡脚沿岩层结构面的滑移-剪切破坏,坡顶沿岩层结构面的滑动-剪切破坏,岩层下缘弯曲-剪切破坏,以及岩层上缘翻折-拉裂破坏.在此基础上,分析并归纳了这四种模式的产状、变形特征以及可能的破坏模式等一般规律.边坡安全系数f_s随结构面倾角θ的增大先减小后增大,在减小过程中达到最小值后迅速上升,然后变缓回落.边坡安全系数f_s随结构面倾角θ变化过程中,当θ约等于α-7.3°时,f_s取得最小值,此时对应的边坡稳定性最差.      

含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性

对含端部双裂隙?50 mm×50 mm的圆柱体大理岩试样进行单轴压缩试验,并利用高速摄影仪实时记录试样破坏过程,研究了端部裂隙长度和倾角对大理岩力学特性及裂纹扩展规律的影响。研究表明,当裂隙长度达到门槛值前,试样的单轴抗压强度的弱化程度较低,弹性模量、峰值应变的变化较小。相对垂直裂隙,相同长度的倾斜裂隙对大理岩的影响更加显著。试验结果与理论分析均表明,裂纹一般不从端部垂直裂隙尖端起裂,试样的起裂裂纹大多发展为主裂纹,扩展过程中较少产生分支与分叉,试样表面会产生局部剥落,倾斜裂隙试样宏观上呈剪切或拉剪复合破坏,垂直裂隙试样呈劈裂拉伸破坏。试样能耗参数与单轴抗压强度的变化趋势一致,试样总应变能和其单轴抗压强度有较好的正相关关系。最后,比较了动、静载荷作用下含端部裂隙大理岩力学响应与裂纹扩展过程的差异。