基于颗粒离散元法的锚固节理剪切行为宏细观研究

为了研究锚固节理岩体的破坏特点及锚固机理,基于颗粒离散元法利用修正的锚杆双线性本构模型对有锚和无锚节理面在不同边界条件下进行了宏观研究,并对锚固节理试件内部颗粒之间接触力和颗粒旋转弧度等的演化过程进行了细观研究。研究结果表明:1压剪作用下锚固节理块体中处于拉伸状态的锚杆对节理面施加了一个附加的法向应力,从而提高了节理面的黏聚力;随着法向应力的增加,锚杆对节理面峰值剪切强度的贡献越来越小,在宏观上揭示了加锚节理岩体的锚固机理。2压剪荷载和边界位移约束共同作用下,锚固节理试件内部颗粒间接触力和颗粒自身位置不断演化并重新分布,在锚杆周围以及节理面凸起处产生较高的接触压力并在锚杆与节理面交叉处发生较大的颗粒旋转弧度,进而导致压致拉裂纹的产生以及颗粒旋转导致的剪切裂纹的萌生,从细观层面揭示了锚固节理岩体的破坏特点。     

非贯通节理类岩石试件单轴压缩特性初探

针对嵌入式非贯通节理对岩体力学特性的影响规律,采用数字建模和3D打印技术建立了正弦型节理实体模型,制备了完整类岩石试件、含单节理类岩石试件及含双节理类岩石试件,单节理角度分别为30°、45°、60°,双节理角度分别为30°、45°,30°、60°,45°、60°。对各类试件进行了单轴压缩试验,结果表明：含节理类岩石试件的单轴抗压强度低于完整类岩石试件,且随着试件内部节理数量的增加,试件单轴抗压强度的降低幅度增大；单节理类岩石试件的破坏形式均为沿节理所在平面发生剪切破坏,试件的单轴抗压强度随节理角度的增大而增大,这主要是节理面切割度和节理面法向应力共同作用的结果；双节理类岩石试件破坏时内部裂隙发育、贯通程度较高,破坏后的试件非常破碎,基本不具残余强度。     

节理岩体强度及其破坏机制研究

从岩石材料的细观尺度分析节理岩体的强度特性及其变形破坏机制,细观模拟了节理岩体岩桥断裂扩展机制,进一步研究了节理岩体强度及其破坏机制。分别对含单结构面、两组结构面和断续节理岩体破坏机制进行了研究,指出大量岩体工程的失稳破坏,通常是由于开挖面附近荷载的变化,岩体中断续节理的张开、闭合和扩展而产生新的贯通滑移面引起的,即岩桥的贯通。     

应力—渗流耦合作用下原煤渗透特性实验研究

煤岩是典型的层状软岩,在平行原煤节理和垂直原煤节理裂隙面应力作用下,原煤将呈现出不同的渗流规律。采用河南新安煤矿15110工作面的原煤,用酚醛树脂加以包裹,形成方形树脂包裹原煤的透明试件。根据原煤节理情况,选取平行节理方向和垂直节理方向作为试件加载方向,进行应力—渗流耦合作用下原煤渗透特性实验研究,获得应力—渗流耦合作用下原煤的渗流规律。通过实验得出结论:稳定水压条件下随平行节理方向应力的增加,其渗透水流量逐渐增大;透水量随垂直节理方向应力的增大而减少;同时,得到水压与应力耦合作用下原煤的流固耦合方程。     

注浆对岩体节理面加固作用的试验研究

为了确定裂隙注浆后对围岩理化性质的影响,通过现场采样,制作了5个红砂岩尺寸相同试件,在试件进行模拟注浆,借助激光扫描仪对试件在不同配比注浆材料和保养天数后,注浆材料对注浆岩体的节理面影响。结果表明:随水灰比的增大,红砂岩试件的最大剪切应力呈不断减小的趋势,且养护天数越长剪切应力越大,水泥—岩体的黏聚力先增大后减小,而内摩擦角先减小后增大;对试件施加的法向应力越大剪切应力越大,相同法向应力下添加减水剂的水泥—岩体大于未添加减水剂的最大剪切应力;节理面注浆宽度越大,红砂岩试件的最大剪切应力越大,且随水泥水灰比的增大试件的最大剪切应力逐渐减小;随结构面粗糙度的增大,剪切应力呈不断上升的趋势。     

露天矿节理岩质边坡稳定性分析

针对弓长岭露天铁矿东帮节理岩体边坡的结构特征,使用3GSM三维岩体不接触测量系统,进行了结构面调查及统计分析,获取了结构面倾向、结构面倾角以及节理迹长、节理间距的详细统计数据。基于Monte-Carlo随机模拟方法,使用结构面网络模拟的软件Frac Sim3D,得到节理岩体的三维网络模型。在建立的三维网络模型基础上,采用钻孔取样方法获取节理岩体的岩体质量指标RQD,结合现场点荷载强度试验,进而获取RMR指标,基于Hoek-Brown经验方法得到节理岩体的抗剪强度参数。通过FISH语言编程实现了对复杂节理岩体的精细建模,采用离散元软件UDEC对边坡进行稳定性分析。结果表明:边坡整体处于稳定状态,局部发生岩体变形,受顺倾结构面控制,边坡顶部岩体沿结构面产生楔体破坏,局部散体区域出现掉块现象。     

基于岩体质量评价的充填采场稳定性分析

针对金属矿山采场遗留矿柱回采中的采场稳定性问题,利用点荷载强度试验得到单轴抗拉和抗压强度,基于非接触扫描方法对节理化岩体进行结构面信息统计,综合现场点荷载强度、结构面参数信息结果,采用工程岩体质量评价的BQ分级方法对采场围岩进行岩体分级,最终确定了岩体按质量分级主要为Ⅲ级,局部岩体为Ⅳ级。该方法能够实现非接触式扫描节理岩体获取结构面信息与岩石力学实验相结合的岩体质量评价,从而为类似矿柱回采工程提供参考。     

现场点荷载强度的破坏模式及其与单轴拉压强度的相关性研究

对不同破坏方式和不同岩性的点荷载强度与室内试验的岩石强度的相关性系数进行研究。通过现场点荷载强度测试,得出岩块的破坏方式主要分为平直破坏,不规则的弯曲破坏和沿节理面的不规则破坏,分析3种破坏方式的强度特征和破坏特征。结果表明:沿节理破坏的岩块破坏面有明显节理裂痕;平直破坏的岩块表现为弹性破坏,破坏面平整且新鲜;弯曲破坏岩块的点荷载强度较大,岩块的破坏面表现出微小的节理。3种不同破坏方式的点荷载强度相差较大,因此,认为不能盲目的将现场点荷载强度测试结果的平均值作为最终的实验结果,必须根据不同的破坏形式分析点荷载强度,从而提高测试结果的可靠性。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

考虑细观力学特征的结构面剪切行为分析

基于岩石结构面的数字精细化测量,利用fish语言建立裂隙结构面的数值仿真模型进行结构面直剪试验模拟,并对结构面的剪切力学参数进行了反演,反演的力学参数与节理面试验数据有较高的相似度。之后仿照Barton的JRC轮廓线建立了5种粗糙节理模型,并在不同法向荷载下进行直剪数值实验,所得结果与Barton准则进行对照发现两者能较好吻合,说明此数值方法不仅能有效还原任意粗糙节理的表面形貌,从细观角度分析粗糙节理的剪切特性,而且还能有效预测其剪切强度,可以为室内试验和工程应用提供参考和依据。     

非共面断续裂隙类岩石试件破断试验与分析

为了探讨不同数目、不同倾角下非共面断续裂隙岩石的力学特性和裂纹演化规律,采用RMT-150岩石力学加载试验机单轴压缩含预制裂隙的类岩石试件。结果显示:当主裂隙水平时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小再增大;当主裂隙倾斜时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小;次裂隙倾角为30°、45°和60°时,第二条次裂隙的存在对试件承载力有一定的强化作用,三裂隙试件峰值强度比双裂隙试件峰值强度大;水平裂隙裂纹萌生的位置不在裂隙尖端且具体位置受次裂隙的影响;预制裂隙出现相互贯通,主要贯通模式为拉贯通和拉剪混合贯通,破坏模式主要为对角剪切破坏;运用PFC2D数值分析软件进行模拟试验,数值模型的破坏模式与室内加载下的试样破坏情况基本一致,模拟试验较好地反映了试样受压后裂隙的裂纹演化过程。     

预腐蚀7050-T7651铝合金微裂纹的萌生与扩展北大核心

开展不同预腐蚀时间下7050-T7651铝合金的扫描电子显微镜原位拉伸实验,利用扫描电子显微镜观原位、在线测试件表面微观裂纹的萌生、扩展,分析腐蚀对铝合金微裂纹行为的影响。结果表明:随着腐蚀程度加剧,试件表面腐蚀坑密度增大,形成腐蚀坑群,试件的承载能力也随之下降。微裂纹主要萌生于试件缺口粗糙表面和试件表面蚀坑处,微裂纹数量随着腐蚀时间的延长而增多;缺口产生的微裂纹与相邻的蚀坑微裂纹相互联结形成主裂纹,主导试件的损伤失效过程。腐蚀损伤较轻时,主裂纹尖端附近的蚀坑会引起裂纹分支;腐蚀损伤较重时,腐蚀坑诱导的多条微裂纹与主裂纹发生多次联合,影响了主裂纹的扩展方向与路径;切应力在裂纹扩展过程中也起到了重要作用,开裂模式为Ⅰ/Ⅱ混合断裂模式。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果,验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大,节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展,且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限,甚至可以忽略,但随着循环加载幅值的增加,节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多,表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加,且有增速的趋势,在循环加载次数增加到某个量级时,裂纹出现激增的现象,表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下,节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势,表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度,但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果,有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

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°时,压缩峰值强度随另一条裂隙倾角的增加单调递增;试件内部应力最大值的演化在加载初期随加载步的增加线性增长,压缩条件下最大主应力最大值增长最快,拉伸条件下,剪应力最大值增长最快。     

冲击荷载作用下煤矿泥岩能量耗散试验研究

岩石破裂破碎实质是一个能量吸收与耗散的过程,煤矿岩巷钻爆掘进过程中,既要有足够的爆炸能量使待开挖区岩石破裂破碎和抛掷、形成空腔,又要控制爆炸能量对保留岩体造成的损伤,尤其是冲击荷载作用时强度较低的泥岩的动态响应特性更需要重点研究。以淮南矿区典型巷道泥岩为研究对象,利用直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下泥岩动态压缩试验,研究在冲击荷载作用下泥岩的动态力学性能和破裂破碎特征,重点研究动荷载作用下泥岩的能量耗散规律。为了进一步揭示泥岩动态破碎破裂与泥岩构成主要化学成分与细观结构之间的关系,对泥岩的静态物理力学性能进行了测试并进行泥岩的X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)测试,确定其主要组分、化学和颗粒成份;同时采用放大1 000倍的电子数码显微镜对泥岩试件表面、断口进行放大观察,从岩石细观结构出发,通过对细观结构变化、物理与力学过程的分析研究了岩石的损伤及其演化。结果表明:泥岩的主要化学成分主要为Si O2,其次为Al2O3,Fe2O3,其力学强度低,物理性能指标差,在冲击荷载作用下,泥岩内部大量空隙缺陷(如空穴,位错,微裂隙等)动力学过程加剧,形成损伤;在应力波的持续作用下,大量的微损伤和微观不均匀处在试件内部进行复杂的演化,在颗粒内部结构、沿颗粒间裂缝和沿晶粒界会产生大量的微裂纹并发展,在构造边界碎片分层、夹杂物中也产生裂纹,泥岩试件最终产生环向断裂破坏和轴向劈裂拉伸破坏;试件吸收能、透射能和反射能均随入射能增加而增加,分别呈线性、对数和二次函数形式增长;试件吸收能可以用单位体积耗能密度、单位质量耗能和吸收阻抗比能表征,三者均随入射能增加呈线性增长,随应变率呈二次函数增长。     

含弱面岩体拉伸破坏形式及声发射特性研究

金属矿山开采过程中的弱面岩体工程结构极易发生拉剪破坏。为了探究含弱面岩体支护方式与弱面角度的关系，对预制弱面的砂岩进行不同角度的抗拉试验。结果表明：①含弱面拉伸试验试样主要有 2 种破坏形式，剪切拉伸复合破坏和拉伸破坏；②弱面深度为 10 mm，弱面与加载方向的夹角为 70°时，预制弱面试件能承受的抗拉强度最大，当预制弱面深度增大时，圆盘试件承受的峰值抗拉强度会随着角度前移；③弱面角度会影响试件劣化过程，当弱面深度为 15 mm，弱面与加载方向为 50°时，试件会发生突然性断裂，具有一定的岩爆倾向性；④含弱面岩体破坏模式与其内部的不同角度弱面有密切关系。进行室内含预制弱面试件抗拉强度实验，可为含弱面岩体的现场施工提供指导建议。     

被动围压下层理角度对页岩动态强度及耗能的影响

页岩在围压条件下的动力学特性,对页岩的高效致裂至关重要。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对页岩进行冲击试验,分析被动围压条件下页岩试件的强度特征、损伤特性和能量耗散规律。试验结果表明:在不同应变率下,页岩的损伤程度随冲击速度的提高显著提高,试件承载能力降低;在被动围压条件下,岩石材料的延性和抗破坏能力均得到提高,页岩从无围压条件下的脆性破坏向延性破坏过渡,页岩试件的屈服强度提高2.25~3.06倍,轴向应力峰值为无围压条件下的1.8~2.5倍;在被动围压条件下,页岩试件的能量耗散随平均应变率增大呈线性增长,在试验应变率范围内($\dot{\varepsilon} $ =97~520)具有显著应变率相关性;页岩具有显著的横观各向同性特征,层理角度对页岩试件的强度特征、能量耗散和损伤特性均有显著影响。