含预制缺陷类岩体模型破断试验与分析

为了探究内部缺陷形状由裂隙至圆孔的变化对类岩体脆性材料破断模式与特征的影响,构建了含缺陷的单轴压缩力学模型,并利用水泥砂浆材料制作类岩体试样,系统地研究了缺陷形状由裂隙至圆孔变化过程中含缺陷试件的强度变化特征和裂纹演化扩展机制。结果表明:当荷载方向与缺陷长轴垂直时,缺陷周边应力集中在长短轴端点处且与缺陷无关;缺陷对试样峰值强度影响较为明显,在缺陷形状由裂隙向圆孔变化的过程,峰值强度降低幅度逐渐增大;缺陷变化对试样的裂纹起裂与裂纹扩展的影响不显著;缺陷试样的最终破坏模式可划分为剪切破坏和拉-剪混合破坏,当m值大于0.60时破坏模式为剪切破坏,当m值小于0.33时破坏模式为拉-剪混合破坏。     

十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究

岩石内部微裂隙的起裂贯通破坏易引发边坡滑坡、隧道塌方和采场冒顶等工程事故,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为了探究裂隙岩石中裂隙演化规律及破坏机理,根据相似理论,采用细沙、白水泥和水按一定比例制作含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机对其进行单轴压缩试验,并基于室内试验测试结果,建立了含预制十字交叉裂隙岩石试样的PFC数值模拟模型,分析含十字交叉裂隙试样的裂纹起裂、扩展和贯通的演化规律及其失稳破坏机理。研究结果表明:含十字交叉裂隙试样的峰值强度和弹性模量低于完整试样;数值模拟结果的峰值强度、弹性模量、起裂应力和裂隙倾角的变化关系与室内试验测试结果的变化关系基本吻合,即随着裂隙倾角的增大呈现先增大后减小的倒"V"形变化趋势;裂隙倾角为0°时微裂纹起裂于主次裂隙尖端,裂隙倾角为30°时裂纹起裂于主裂隙尖端,裂隙倾角为45°和60°时裂纹起裂于次裂隙尖端;微裂纹数量随应变增加经历了静止期、增加缓慢期、中期增加期和最活跃期4个阶段,且后一阶段增长率总是高于前一阶段;裂隙倾角为0°、30°、45°和60°时试样的破坏模式均为对角剪切破坏。     

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.      

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.      

含预制裂隙类岩石裂隙演化与破裂特征的试验研究

裂隙岩体是自然界中普遍存在的工程岩体,在外力作用下易引起岩体结构破坏失稳而诱发工程故事。为此,基于相似理论制作了含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机,对含有不同裂隙长度和裂隙倾角的类岩石试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化规律和破裂特征。研究结果表明:含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块;当主裂隙长度一定时,裂隙岩样的峰值应力随次裂隙长度的增大而降低;当裂隙倾角为0°和60°时,裂隙岩样表现为拉伸型翼形裂纹的破坏形式;当裂隙倾角为30°和45°时,裂隙岩样表现为拉剪混合型裂纹的破坏形式,既有翼形裂纹,又有次生共面裂纹。     

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.      

条形药包爆炸全场应变以及裂纹动态断裂特性研究

为了探究不同起爆位置下条形药包全场应变以及裂纹动态断裂特性,采用爆炸荷载动态焦散线实验系统和数字图像相关方法（DIC）,开展了爆破模型实验研究。研究结果表明:条形药包一端起爆时,起爆点处翼裂纹扩展长度最小,随着炸药爆轰的传播,翼裂纹扩展长度增长;中心起爆时,中心位置翼裂纹扩展长度小于两端位置翼裂纹扩展长度,一端起爆时非起爆端翼裂纹扩展长度最长。无论中心起爆或一端起爆,条形药包中心区域翼裂纹扩展主要为Ⅰ型裂纹,并且中心翼裂纹起裂韧度最大,端部翼裂纹为以Ⅱ型为主的Ⅰ?Ⅱ型复合裂纹。一端起爆时,拉压应变作用范围沿炸药传爆方向传递,且非起爆端拉压应变作用区域大于起爆端,压应变最大值为距起爆点约0.67 ~ 0.83倍的装药长度。中心起爆时,拉压应变的作用过程沿起爆中心向两端呈对称形式传播,中心点位置应变最大。两种起爆方式下都出现端部压应力集中现象。      

单轴压缩试验中减弱端部效应新型方法研究

为了减弱端部效应对单轴抗压强度测量的影响,提出一种新型的单轴压缩试验方法。该方法采用与试件材质相同的岩石作为垫块进行单轴压缩试验,设置了（25+50+25）mm和（20+60+20）mm 2种试件高度组合进行试验,并与高度为50 mm、60 mm的单一试件的试验结果进行对比。结果表明：该新型试验方法可以降低单轴压缩试验中端部效应对测量岩石单轴抗压强度的影响,并得到更为均匀的径向应变;（25+50+25）mm和（20+60+20）mm组合试件相比高度为50 mm和60 mm的单一试件,单轴抗压强度分别降低了38.41%和39.69%,相比标准试件,单轴抗压强度也有所降低。数值模拟结果表明：无论有无端部摩擦,组合试件的单轴抗压强度均与理想状态下模拟所得的岩石试件的单轴抗压强度值接近;无端部摩擦时单个试件与组合试件具有均匀的径向应变;有端部摩擦时组合试件的径向应变较为均匀。数值模拟结果证明了该新型试验方法减弱了端部效应,但并未完全消除。     

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性，制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件，并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹，且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式，裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著；（2）当裂隙倾角较小时，试件应力—应变曲线为多峰曲线，随着裂隙倾角的增大，曲线呈单峰形式，表现为延性减弱，脆性增强，而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同；（3）当裂隙起伏角相同时，试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律，且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。     

巴西圆盘劈裂二维及三维数值模拟研究

为揭示巴西圆盘起裂模式的变化规律及其破裂演化过程,运用连续介质弹塑性分析开展巴西圆盘劈裂二维及三维数值模拟研究。通过开展二维模拟研究,探究压拉比及加载角对试样起裂破坏模式的影响;通过三维模拟研究,探究圆盘试样三维破裂面的形成及扩展过程。二维数值模拟结果表明,接触加载角及压拉比越大,巴西圆盘试样越容易发生中心起裂;端部起裂由剪切破坏引起,而劈裂裂纹进一步扩展则由张拉破坏驱动。三维数值模拟结果表明,初始起裂点位于三维圆盘端面,随加载角增大其逐渐向端面圆心移动;当圆盘发生端面中心起裂时,三维破裂面以弧形边界向试样内部发散扩展。无论圆盘试样发生中心起裂还是端部起裂,由于三维效应巴西劈裂试验可能都会低估岩石的抗拉强度。      

不同应力条件下硬岩强度与破裂特性试验研究

深部工程围岩内的岩石可能处于一维、二维和三维应力状态下,分别对应室内单轴压缩、双轴压缩和真三轴压缩试验中岩样的应力状态。通过开展单轴、双轴和真三轴压缩试验,系统研究了不同应力状态和水平下岩石非常规破坏的发生机制。不同高宽比和宽厚比岩样的单轴压缩试验结果表明：随着岩样厚度的增加,单轴抗压强度单调增加;随着岩样高度的增加,单轴抗压强度往往先增加后减小,且矮薄岩样更容易发生岩爆和板裂等非常规破坏。双轴或真三轴压缩试验中岩样的抗压强度均表现出明显的中间主应力效应。在相同最小主应力下,随着中间主应力的增加,岩样的双轴抗压强度和真三轴抗压强度均呈先增加后减小的变化趋势,双轴抗压强度增长率则呈先减小而后小幅增大的趋势。通过定义强度增量参数ν和中间主应力位置参数λ构建了指数岩石真三轴强度准则。低围压限制、非对称围压限制和短裂纹扩展路径是引起岩石非常规破坏的主要条件。     

循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验。首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定。然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征。结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63% ~ 89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义。      

节理粗糙度对应力波传播及试样破坏影响的颗粒流模拟

为了研究节理粗糙度对应力波传播规律的影响以及粗糙节理试样受应力波作用发生破坏的微观机理,利用基于离散元方法的数值分析软件PFC^2D构建了SHPB系统的颗粒流数值模型。在已有SHPB物理试验的基础上对试验中采用的节理试样进行微观参数标定,研究了较低冲击荷载下节理粗糙度对应力波传播的影响规律以及较高冲击荷载下不同形貌节理试样的微观裂纹扩展和破坏机理。研究表明：节理面的存在会降低应力波的透射系数,且节理面粗糙度越大,透射系数越小;冲击载荷下裂纹在节理面处萌生并迅速扩展到试样完整部分尤其是试样端面,大部分裂纹形成于峰后阶段,且张拉裂纹占主导地位;节理面越粗糙,动态强度越低,试样越容易破坏,产生的裂纹数也越多。     

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。