含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.      

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。      

预制裂隙花岗岩的强度特征与破坏模式试验

为了探究单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式, 采用水刀切割技术预制裂隙花岗岩试件, 利用GAW2000刚性试验机对单裂隙花岗岩试样进行单轴压缩试验.试验结果表明: 与完整试样相比, 裂隙岩石试样单轴抗压强度明显降低, 降低幅度与预制裂隙和外荷载方向的夹角β密切相关, β=75°时, 强度最低, 降幅达到84.5%, 基于最大畸变能准则计算了裂隙花岗岩的峰值抗压强度与裂隙倾角的关系, 试验结果与数值解吻合; 裂隙的存在改变了岩石的破坏模式, 裂纹起裂角随裂隙倾角的增加而单调增大, 岩石试样的破坏模式由剪切破坏为主转变为张拉破坏占主导.真实裂隙岩石试样的力学性质及裂纹起裂特征更准确地揭示了单裂隙花岗岩的强度变化规律和破坏模式, 为岩土工程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据.      

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。     

不同埋深灰岩岩爆倾向性及声发射特征试验研究

通过开展不同埋深灰岩的常规单轴试验,获取灰岩破坏过程中的应力—应变曲线和声发射时域特征参数。利用弹性能量指数W_ET、变形脆性指数K_ε和线弹性能W_e指标,判别不同埋深灰岩岩爆倾向性。通过分析灰岩破坏过程的声发射特征参量及其变化规律,建立了发生岩爆的前兆信息特征。结果表明：随着埋深梯度递增,岩石岩爆倾向逐级增强,当埋深达1 000 m以上时,灰岩具有强岩爆倾向;不同埋深灰岩受压破坏过程中声发射累计能量—时间变化曲线可划分为平稳、增长和破坏3个阶段,随着灰岩岩爆倾向逐级增强,岩爆破坏释放的能量越大;各埋深灰岩试样主频主要为90~180 kHz的低频带,同时中等和强岩爆倾向具有270~330 kHz高频率次主频;各埋深梯度下灰岩声发射能率分形特征与其内部裂隙演化规律具有一致性,不同埋深灰岩岩爆倾向性由弱到强的分维值演化模式按“升维—波动—降维”到“平稳—降维”演化。研究结果可为深部开采预警岩爆提供理论依据。     

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。      

岩石材料脆性剪切破坏模式下的强度分析

使用声发射法与三轴试验相结合的方法对岩石试样微裂隙产生和发展进行监测,以获取岩石脆性剪切混合破坏模式的特点.采用断裂力学与岩石力学理论相结合的方式进行理论分析和试验数据处理,得到了试样三阶段特征强度随应力状态变化的规律,并提出了一种适用于岩石脆性、剪切混合型破坏强度分析方法,据此建立了Mohr-Coulomb、Griffith和Hoek-Brown等强度准则与脆、剪混合强度模型的关系.采用此模型对水厂边坡混合花岗岩的全应力-应变试验数据进行脆剪混合强度分析,理论值与试验值具有良好的一致性.      

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.      

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.      

玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性, 通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构. 本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法, 构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型. 结合并行计算进行直接拉伸数值试验, 研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响. 研究结果表明: 加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹, 随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹, 并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响. 随着孔隙率增高, 试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小. 拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征, 同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.      

基于裂纹扩展模型的脆性岩石破裂特征及力学性能研究

为了探究初始微裂纹参数分布对岩石破裂特征及力学性能的影响，进一步系统地了解脆性岩石破裂演化过程，依据线弹性断裂力学理论，建立了非均质性二维细观弹性损伤模型，并运用FLAC^2D数值分析软件，数值模拟研究了单轴压缩条件下不同形态岩石试样的破裂过程。研究结果表明，当初始微裂纹长度和角度服从不同的随机分布时，岩石材料表现出不同的破裂特征，其中初始微裂纹长度和角度均服从正态分布时，岩石破裂区域较完整；初始微裂纹长度或角度服从均匀分布和指数分布时，岩石破裂区域较分散；初始微裂纹角度对于解释脆性岩石单轴抗压试验时岩石试样出现剪切破坏和劈裂破坏的原因具有一定的指导意义，且当初始微裂纹角度均值ɑ=45°时，模型具有最小的峰值强度和轴向最大应变。模型还模拟了脆性岩石单轴抗压试验、巴西劈裂试验和断裂韧度试验的演化过程，模拟结果与试验结果具有较高的一致性。     

45号钢延迟断坯事故分析与研究

结合生产实际,对断坯试样进行了光谱、低倍、扫描电镜(SEM)及能谱分析,分析认为：板坯内部裂纹是45#钢板坯横向脆断的根本内因,热坯缓冷速度过快造成板坯内部存在较大收缩应力或吊运过程中受到较大的机械外力是板坯横向脆断主要外因;同时,二次冷却不均匀影响柱状晶生长并造成元素偏析、疏松及夹杂物富集,是造成板坯内部裂纹的主要原因。     

Numerical Simulation on Damage and Failure of Brittle Rocks under Different Confining Pressures

A numerical analysis has been conducted to evaluate the effect of confining pressure on the damage evolution and the fracture process of brittle rock materials by using the rock failure process analysis code (RFPA2D). A fractal dimension D associated with material damage and a damage variable ω are defined to describe the damage process of the specimen subjected to tensile or compressive load. We find that the spatial distribution of microfractures is fractal and has very good statistical self-similarity in the specimen under different confined conditions. The fractal dimension D increases progressively with loading. Meanwhile, the damage variable ω develops from 0 to 1, and the specimen failure is characterized by the critical damage variable ωc with 0.4 ? ωc ? 0.8. The initial damage is delayed by the confining pressure. The confining pressure plays an important role in the mode of rock failure in numerical simulations. The tensile microfractures dominate near the brittle splitting of the specimens under no and low confining pressure. Conversely, a few tensile microfractures appear in the ductile shear failures of the specimens under immediate or high confining pressures. The tensile microfractures run through all failure processes in the specimen under uniaxial tensile loading. The stress-strain curves are also obtained in numerical simulation. The results show that the specimen is strengthed by the confinement and fails according to Mohr-Coulomb failure criterion.     

Shear Strength and Pore-Water Pressure Characteristics during Constant Water Content Triaxial Tests

Shear strength parameters used in geotechnical design are obtained mainly from the consolidated drained (CD) or consolidated undrained (CU) triaxial tests. However in many field situations, soils are compacted for construction purposes and may not follow the stress paths in CD or CU triaxial tests. In these cases, the excess pore-air pressure during compaction will dissipate instantaneously, but the excess pore-water pressure will dissipate with time. Under this condition, it can be considered that the air phase is drained and the water phase is undrained. This condition can be simulated in a constant water content (CW) triaxial test. The purpose of this paper is to present the characteristics of the shear strength, volume change, and pore-water pressure of a compacted silt during shearing under the constant water content condition. A series of CW triaxial tests was carried out on statically compacted silt specimens. The experimental results showed that initial matric suction and net confining stress play an important role in affecting the characteristics of the shear strength, pore-water pressure, and volume change of a compacted soil during shearing under the constant water content condition. The failure envelope of the compacted silt exhibited nonlinearity with respect to matric suction.     

单轴压缩下不同尺寸充填体能量损伤演化特征试验研究

对4种不同尺寸（40,70.7,100,150 mm）的充填体试件进行了室内单轴压缩试验,研究了尺寸变化对充填体能量演化规律和损伤破坏机制的影响,并得到了基于弹性能耗比的充填体破坏前兆判据。研究结果表明：单轴压缩下不同尺寸充填体的能量演化规律相似,体现为峰前以弹性应变能积蓄为主,峰后耗散能占比不断上升并迅速超越弹性应变能;随着试件尺寸的增加,充填体在峰值应力处总输入应变能、弹性应变能和耗散能均呈非线性下降趋势;根据耗散能曲线,可将充填体能量损伤演化过程划分为初始损伤、损伤加速、损伤稳定发展和损伤破坏4个阶段;试件尺寸越大,弹性能耗比K值变化幅度越大;弹性能耗比K值曲线整体先上升后下降,持续到一个较低值,在临近峰值应力处再转为上升。弹性能耗比K值曲线的这一变化规律可作为充填体临界破坏前兆特征。     

高应变率下红砂岩"冻伤效应"

对低温冻结红砂岩进行动态冲击实验，研究高应变率下红砂岩动态力学特性的温度效应，运用损伤理论和能量理论，分析不同负温对红砂岩强度、损伤变量及能量耗散的影响，结合断口形貌分析，探究红砂岩在较低负温下动态力学强度出现劣化的原因.研究表明:较低的负温(-30℃后)会使红砂岩出现"冻伤"，导致高应变率下岩石动态力学强度的急剧降低，宏观上则容易出现动力扰动下的瞬时工程灾变.根据断口形貌分析，较低的负温会导致红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹，这些裂纹尖端塑性变形能力差，在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏，而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响，因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏，进而引起红砂岩整体的破裂.