单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.     

花岗岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟

采用电液伺服试验机对花岗岩进行单轴压缩试验, 利用RFPA 模拟岩石破裂过程, 详细分析了单轴压缩下花岗岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。结果表明: 花岗岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的41. 1%、58. 7%、88. 3%; 在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值, 以应变值为基础建立花岗岩损伤与裂隙演化之间的联系, 定量分析了花岗岩裂隙演化4 个阶段下损伤变量的变化; 花岗岩单轴压缩下破坏模式与主裂隙方向有关, 当主裂隙方向和轴向压应力方向平行时, 花岗岩发生竖向劈裂破坏, 当主裂隙方向与轴向压应力方向存在夹角时, 花岗岩发生竖向劈裂与剪切组合破坏; 根据RFPA 2D 模拟得到花岗岩破裂结果, 发现当加载应力达到峰值应力的46. 9%时, 花岗岩内部出现局部的微损伤, 当加载应力达到峰值应力的63. 3%时, 花岗岩内部的微损伤累积引起局部的微裂纹, 当加载应力达到峰值应力的88. 3%时, 花岗岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹, 在显裂纹区域出现应力集中现象, 使得显裂纹相互贯通, 最终导致花岗岩的宏观破坏。     

充填体包裹岩石组合强度与破坏机理研究

充填体与岩石的组合力学特性及破坏机理是深部充填法开采中的重要研究方向，对于保障地下采场安全、维护地下采场结构的永久稳固至关重要.文章针对充填体包裹岩石(BR)这一组合结构试件开展了单轴、三轴力学试验研究，分析了应力-应变曲线、峰值强度、破裂模式和等效力学特性，探索了体积分数及围压对组合结构承压特性及破坏机制的影响.结果表明：充填体能够抑制尺寸效应对岩石破裂模式产生的影响；BR试件的三轴全应力-应变曲线呈现出多峰值、阶梯式下降现象，兼具脆性和延性破坏特征；随着围压的增加，BR试件破裂模式以剪切破坏为主，趋于集中在上端部；结构面抑制了BR试件的侧向形变.基于试验结果和连续介质理论，从力学角度分析了BR组合结构的三向受力机理，构建了组合破坏强度模型.研究结论对于补充充填体与岩石相互作用理论研究和优化地下充填采场结构稳定性控制具有重要的科学意义.     

基于DIC技术的充填体固结时间对花岗岩裂纹扩展的影响研究

为了研究地下工程中裂隙岩体的变形、破坏规律对岩体稳定性控制的影响,基于数字图像相关方法,对单轴压缩下未充填裂隙岩石、充填裂隙岩石的应变场演化过程进行监测,结合滑动裂纹模型理论,从宏观和细观角度系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹萌生、扩展和贯通规律。结果表明:未充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙尖端连接处,沿预制裂隙某一侧贯通破坏,而充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙连接处与次翼裂纹扩展处,沿预制裂隙两侧贯通破坏;未充填裂隙岩石的岩桥边界区域以剪切破坏为主,充填裂隙岩石的岩桥区域以张拉破坏为主,无论裂隙岩石充填与否,应变场内都主要分为拉应力与压应力区域;在弹性阶段内,应变场中已形成了沿翼裂纹、次翼裂纹扩展路径的局部化应变带;在内侧翼裂纹和次翼裂纹的搭接处,破坏程度最严重。随着充填体固结时间的延长,在预制裂隙尖端处,伴有剪切起裂的次生共面裂纹扩展,所形成的断面粗糙度高于其他断面。     

循环加卸载下花岗岩破裂过程及能量演化研究

使用MTS815实验机对北山花岗岩进行了循环加卸载实验.基于实验结果,探讨了循环加卸载条件下北山花岗岩声发射特征,研究了北山花岗岩破裂过程中能量演化特征.结果表明:1)峰值应力前循环,卸载阶段弹性模量略大于加载阶段弹性模量.2)根据声发射变化特征可以很好地判定岩石所处的应力状态和损伤程度,并在一定程度上证明了岩石材料的Kaiser效应.3)峰值应力前,能量演化主要表现为以弹性能为主的聚集和释放;在峰值应力时耗散能迅速增多导致岩石内部结构发生根本性的变化,耗散能在峰后阶段所占比重持续增加导致岩石进入加速破坏阶段.4)峰值应力前,围压对弹性能和耗散能的影响很小;但弹性储能极限和岩石破坏所需的耗散能随围压的升高线性增大.     

考虑初始等距共线微裂纹列影响的Ⅲ型裂纹体的蠕变断裂分析

在工程中,特别是对长期持续荷载作用下带裂纹的构件,裂纹扩展寿命的预测是一个十分的问题,由于混凝土、岩石等材料中存在着大量的初始微裂纹,要研究这一类材料断裂问题就必须研究主裂纹与微裂纹之间的相互作用,依据宏观裂纹－微裂纹相互作用模型和蠕变裂应力强度因子理论,对具有初始等距共线微裂纹列影响的反平面Ⅲ型裂纹体的蠕变断裂问题进行了分析,并给出了混凝土Ⅲ型裂纹体的蠕变断裂应力强度因子与裂纹体初始应力强度因子的关系。     

3D打印类岩石材料强度特性与动态损伤本构模型

为研究基于3D打印的层状类岩石材料动态损伤力学行为，对5组不同倾角的岩样，采用分离式霍普金森杆对其进行动态压缩试验。依据所得的应力-应变数据，以朱-王-唐本构模型为基础，建立一种线性弹簧体、Weibull分布损伤体和Maxwell体并联的黏弹性本构模型，并结合试样的残余强度特性引入损伤修正系数。最后，将其推广应用于黑色页岩的变形规律研究，以检验该本构模型的适用性。结果表明：动态冲击下岩样峰值应力随着倾角的增加呈现先减小后增大的“V”形变化趋势，与天然层状岩石的变化规律相符合；所构建的损伤本构模型，能准确地表征3D打印的层状类岩石材料的应力-应变曲线形状及其力学特征；考虑损伤修正后，其还可较好地反映试样峰后阶段应力应变变化特性与残余强度。研究结果对揭示层状岩石动载下变形规律具有一定参考价值。     

岩石断裂控制爆破的裂纹扩展

工程控制爆破,要研究岩石的定向断裂的裂纹扩展。本文在进行了动载荷作用下径向裂纹产生扩展过程的动光弹试验。对应力波的起裂作用,爆炸气体的扩裂作用进行了分析研究。文章指出,爆破岩石的应力历程及损伤累积是岩石破裂首要条件,而原裂纹存在条件影响裂纹扩展方向。探讨了爆破应力波作用下波激活裂纹数的分布规律和裂纹密度的表达式。     

裂隙网络扩展机制试验研究

在外部荷载作用下,岩体内部裂隙的形状是影响其强度和稳定性的重要因素之一.为了探究裂隙对岩石力学特性及破坏特征的影响,利用3D打印技术,制备间隙性离散裂隙网络模型,结合数字图像相关技术对裂隙网络类岩石模型试件在单轴压缩条件下的破坏特征进行研究.研究表明:因裂隙的存在,类岩石试件的弹性模量和峰值应力均随之发生显著降低;裂隙...     

单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

单轴循环冲击下花岗岩力学特性与损伤演化机理

为研究循环冲击荷载下黑云母花岗岩的动态力学特性,利用改进的分离式霍普金森压杆,选取4种不同的入射波应力幅值对花岗岩试样进行等幅循环冲击,并对相关机理和试验现象进行探析.结果表明:入射波应力幅值为110.57和90.48 MPa时,随着冲击次数的增加,岩样的峰值应力逐渐降低,最大应变、平均应变率和损伤值均呈现增大趋势;入射波应力幅值为70.82 MPa时,花岗岩的峰值应力随着冲击次数的增加表现出先增强后降低的特性,而最大应变、平均应变率与损伤值则表现出相反规律;入射波应力幅值降为50.69 MPa时,岩样的力学性质基本不变,岩样未见明显的损伤.此外,研究还发现基于岩样静态压缩应力-应变曲线推求的静态裂纹起裂应力,经强度增长比例系数放大后可得到动态裂纹起裂应力,籍此能较好地解释上述循环冲击试验中所观测到的现象.     

大理岩特征应力的加载速率效应研究

为研究加载速率对脆性岩石特征应力的影响规律,利用MTS815型试验机和声发射测试系统进行大理岩的单轴压缩试验.采用体积应变法、声发射法和基于微裂纹发育特性的黏结颗粒离散元法确定试样的特征应力,探究特征应力的加载速率效应.结果表明,3种方法确定的特征应力值较为接近,基于微裂纹数的黏结颗粒离散元法是一种较可靠有效的方法.在中低加载速率范围内,随加载速率增加,归一化特征应力值呈现减小规律.数值模拟结果显示,加载速率在中低和较高范围内增加时,归一化起裂应力和损伤应力均减小.当处于中低加载速率范围时,其归一化特征应力降幅较大.当处于较高加载速率范围时,归一化特征应力趋于平稳,尤其是归一化损伤应力.相比较而言,归一化损伤应力的加载速率效应整体上比归一化起裂应力明显.     

胶结充填体早期损伤对后期力学性能的影响

目的 为了探明胶结充填体早期损伤对后期承载性能的影响,方法 通过开展早期受损充填体经养护一定龄期后的单轴压缩试验,以损伤龄期和压损程度为变量,以受损充填体的后期变形特性、抗压强度、弹性模量为后期力学性能评价指标,分析充填体损伤龄期和压损程度对其后期力学性能的影响规律。结果 结果表明：在同一损伤龄期下,充填体在80%压损下后期峰值应力及残余应力最低;压损程度对龄期3,7 d的充填体后期变形特性影响较小,对龄期14,21 d的充填体后期变形特性弱化作用较大;80%以下的压损程度对龄期3,7 d充填体后期抗压强度影响较小,各个压损程度对龄期14,21 d充填体后期抗压强度影响较大,压损程度越大,后期抗压强度越低;各龄期充填体后期弹性模量均随压损程度的增大而增大。养护龄期14 d之后的充填体受损后对其后期力学性能影响显著,且不同压损程度对龄期14 d之后的充填体后期力学影响显著。结论 研究结果可为上向水平充填采矿方法中充填质量的控制提供理论指导。     

焊缝缺口试样解理断裂统计分析和断裂模型

通过大理４ＰＢ试样解理断裂力学和断口参数的统计，发现在缺口前端发生于峰值应力左侧的断裂几率大于右侧，并且随温度的降低发生于左侧的几率增加，解理起裂在离开缺口根部的一个最小距离处才能发生，在某一距离范围内断裂几率最大。通过对上述现象的分析提出缺口试样的解理断裂须满足两个条件，即缺口根部的塑性应变εｐ大于材料中薄弱环节的起裂塑性应变εｐｃ，使解理微裂纹形核；最大正应力σｙｙ大于薄弱环节的解理强度σｆ，     

等围压条件下岩石本构模型及损伤特性

为了揭示岩石变形破坏的全过程,将连续损伤理论与非平衡统计方法相结合,建立了等围压作用下岩石的损伤本构模型,推导了模型参数与岩石变形破坏特征参量的理论关系,分析了砂岩以裂纹为主导的变形破坏过程.结果表明:岩石损伤细观上表现为原始微裂纹的扩展贯通,其宏观力学特性取决于岩石内部的细观力学响应;随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至产生破坏;随着围压的增加,砂岩的损伤劣化程度减小,损伤演化率逐渐降低,宏观上表现为岩石平均强度的增大和塑性的增强.通过试验结果验证,损伤本构模型合理可行.     

真三轴压缩下大理岩强度、变形与损伤特征数值

为研究真三轴条件下岩石的力学行为,采用离散元颗粒流程序,探析不同应力路径下大理岩试样的变形破坏过程、微裂纹演化机制及其中间主应力效应。结果表明：平行黏结模型能较准确地反映大理岩真三轴压缩下力学特性和破坏模式;中间主应力对峰值强度、弹性模量、破坏角和破坏模式演变的影响较为显著;八面体理论可较好地拟合出大理岩真三轴压缩中的破坏应力,所得的破坏强度包络线具有明显线性特征;结合应力-应变曲线形状,该大理岩在压缩过程中裂纹扩展可划分为4个阶段,即线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段及峰后破坏阶段;随着中间主应力增大,应力-应变曲线峰后段的脆性破坏特征变强,试样从拉伸破坏向拉剪混合破坏转变,且中间主应变符号由拉转向压,岩石损伤演化与中间主应力间呈现出“对勾”型趋势。     

基于压电智能骨料的3D打印断续节理围岩内部损伤监测

3D打印模型试验是研究复杂地质结构损伤机制的有效手段，3D打印逐层堆积过程中定位压电骨料可有效提高埋设精确度和模型内部损伤监测精度。该文采用3D打印增减材技术制备内部埋设压电骨料的断续节理围岩模型，基于压电骨料与数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)监测围岩模型在单轴加载下的破坏过程，研究节理连通率对围岩模型破坏机制的影响规律，验证压电骨料定位围岩模型起裂位置和监测内部裂隙损伤扩展的可行性。结果表明：1)随着节理连通率的增大，围岩模型荷载-位移曲线的峰值强度降低、延性增强，由单峰曲线变为多峰曲线；2)断续节理围岩模型的起裂位置多在临近洞口的节理尖端或顶板和底板的中部，裂纹扩展方向大多沿着节理尖端方向，表现为块体分离破坏；3)预制节理连通率增大会导致同路径的监测信号能量衰减，连通率与信号能量之间表现出抛物线相关性；4)压电骨料监测方法相比于DIC监测等宏观监测方法可以更早一步发现模型内部损伤，并能确定内部损伤的位置。     

冻融荷载下节理岩体的复合损伤模型

针对工程实际中的冻融受荷岩体,以岩石初始损伤状态为参考状态,将冻融与荷载作用引起的损伤视为细观损伤,节理引起的损伤视为宏观损伤,根据Lemaitre应变等效性假设,推导建立考虑宏细观缺陷的节理岩体复合损伤模型.应用该模型分析贯通率和冻融次数分别对岩体力学性质劣化的影响,结果表明:在贯通率一定时,损伤演化曲线随冻融次数的增加而增加,试验与理论峰值强度(或弹性模量)曲线随冻融循环次数增加而降低;在冻融次数一定时,损伤演化曲线与贯通率呈正相关关系,试验与理论峰值强度(或弹性模量)与贯通率呈负相关关系.说明贯通率与冻融次数对岩体的劣化产生一定影响,且饱和试验组受冻融效应较天然试验组力学性能劣化严重.将所建模型计算结果与试验值进行比较,理论曲线与试验曲线吻合良好,验证了所建模型的合理性与有效性.     

梯度非均匀有限板中裂纹动态响应的有限元分析

为了研究梯度非均匀有限板中裂纹动态响应问题,用波动有限元的方法研究了梯度非均匀板中裂纹在冲击载荷作用下的动态响应.通过对裂缝宽度与到裂端距离插值的方法求裂尖端处的动态应力强度因子(DSIFs),对指数衰减脉冲作用下弹性模量按单向线性变化的梯度非均匀有限裂纹板进行了数值计算.结果显示:无论板材料梯度参数及裂纹长度如何变化,裂尖处动态应力强度因子时程均呈起始快速上升转而缓慢下降;无论在什么时刻,裂尖处动态应力强度因子随裂纹的长度减小而减小,随板材料的功能梯度参数增大而减小.