单向应力下类岩石试件预制浅裂隙发育规律及破坏特征分析

我国西南煤矿在开采过程中覆岩裂隙发育显著,开采扰动较强,围岩控制难度较大。为研究含裂隙岩石破坏机理,改善西南矿区围岩控制效果,采用单轴压缩试验结合DIC技术研究了裂隙倾角、裂隙数量等对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：裂隙倾角由0°和90°变化至45°的过程中,岩石单轴抗压强度降低程度分别由12.47%和16.66%增至28.83%,单裂隙试件、双裂隙试件、三裂隙试件的平均峰值强度分别为完整试件的80.24%、69.07%、56.94%,单裂隙类岩石试件在单向应力下,常沿裂隙端翼出现裂纹扩展,多裂隙类岩石试件则出现与加载方向平行的裂隙。当单裂隙试件裂隙倾角为45°和60°时,试件最大主应变超过完整试件;在多裂隙试件中,仅双横向裂隙试件有此现象。此研究结果可为控制我国西南煤矿围岩稳定性提供理论依据。     

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。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

裂隙砂岩变形破裂过程中应变场灰度及纹理特征分析

为探究裂隙岩体变形破裂机制以及前兆特征,利用高速水刀切割技术对板状红砂岩试件预制不同倾角的裂隙,对其进行单轴压缩试验,通过数字图像相关技术实现试件加载过程中应变场的非接触式观测,引入均值、标准差、三阶矩、平滑度、一致性和熵6种灰度特征参数以及对比度、相关性、角二阶矩和熵4种纹理特征参数,量化研究了裂隙砂岩试件变形破裂过程中应变场灰度及纹理演化规律。研究结果表明:裂隙砂岩试件在裂纹起裂、扩展及贯通过程中,应变场灰度整体从低灰度级向高灰度级方向移动,灰度直方图形态从"矮胖"型转化为"高瘦"型,峰值频率随之增大。裂隙砂岩试件的应变场灰度/纹理特征参数-时间曲线可划分为波动段、平稳段以及突变段3个阶段;应变场灰度/纹理特征参数突变段的出现与裂纹萌生、扩展有关,对应的变化趋势可划分为增长型、降低型以及变异不明显型3种。绝大部分灰度特征参数与纹理特征参数的皮尔逊相关系数绝对值>0.5,说明这2类特征参数之间存在显著或高度的相关关系。灰度/纹理特征参数的第1次突变,对应于张拉裂纹萌生,且在试件临近破坏时出现,可视为前兆点,作为裂隙岩体即将失稳的预警信号,对应的前兆/峰值应力比为0.83～0.9...     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

完整岩石试件和含有裂隙岩石试件在单轴压缩下破坏过程的数值模拟研究

应用RFPA岩石失稳和破坏失稳程序对完整岩石试件以及含有单一裂隙和交叉裂隙的岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟研究。结果揭示了完整岩石试件和含有不同裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般都分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,随后在中间、径向、侧向均出现裂纹,并且这些裂纹迅速扩展衍生许多新的次生裂纹,最终贯穿整个岩石试件。而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的2端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展并贯通整个岩石试件。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以"勾连"形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ大于K_(Ⅱ);裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。     

充填作用下顶板底部单裂隙扩展研究

为了得到采动下海底采场顶板底部裂隙的扩展规律,依据力学特征将顶板沉降过程进行分段建模,并采用ABAQUS模拟了顶板底部裂隙的扩展过程。结果表明,在顶板沉降初始阶段,裂隙面两侧应力对称,裂隙沿垂直拉伸应力方向扩展; 在充填体与顶板相互作用阶段,裂隙面两侧应力不对称,裂隙朝着拉伸应力较大一侧发生转向。三山岛金矿新立矿区某采场顶板底部不同位置处裂隙扩展过程分析结果表明,裂隙转向主要由不对称拉伸应力造成,且越远离岩梁中心的裂隙,垂直扩展长度越小,越早发生转向,处在离岩梁中心10 m位置处的裂隙,垂直扩展长度达到8 m后发生转向; 处在离岩梁中心20 m位置处的裂隙,垂直扩展长度仅2.5 m后发生转向,处在岩梁中心的裂隙不发生转向。     

含不同预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律研究

为了研究煤岩中不同位置、角度和尺寸的裂隙对注浆诱导裂隙劈裂的影响,采用物理相似模拟试验的方法,在煤岩相似试样中设置不同的预制裂隙进行注浆试验,并基于相似试样断面情况、声发射监测结果和泵压曲线,对含预制裂隙相似试样的裂隙劈裂扩展规律进行研究。研究表明:预制裂隙与注浆孔不相交时,含预制裂隙的煤岩相似试样注浆劈裂裂隙的发育过程包含劈裂贯通、浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展4个阶段;随着预制裂隙尺寸的增大,劈裂裂隙越易向着预制裂隙的方向发育;与预制裂隙贯通后,新发育的劈裂裂隙更倾向沿着预制裂隙的角度向外扩展;相交时,无劈裂贯通阶段;预制裂隙位置、角度和尺寸影响甚至决定着劈裂裂隙的发育方向。     

含弧形裂隙岩体的裂纹扩展模拟研究北大核心

为研究弧形裂隙对裂隙岩体的力学性能和裂纹扩展的影响,选取FLAC3D软件中应变软化模型和空模型来模拟岩石裂隙扩展情况,将塑性区视为反应裂隙扩展的依据,研究单轴压缩荷载下裂隙拱高、裂隙弦长及裂隙倾角等对弧形裂隙扩展规律及力学特性的影响。模拟结果表明试件峰值强度随着拱高的增加而降低,且裂隙弦长对峰值强度也有影响。裂隙倾角影响着弧形裂隙的扩展路径,当倾角变大时,试件峰值强度也随之增加。最后采用模型试验对模拟结果进行初步验证。     

浅埋近距离煤层开采裂隙演化机理研究

为研究浅埋近距离煤层群下行开采下煤层采场上覆岩层裂隙二次扩展机理,本文以柠条塔煤矿浅埋近距离煤层群开采为工程背景,通过FLAC3D数值计算、物理相似模拟及理论分析,得出煤层群下煤层采场上覆岩层裂隙二次扩展的基本特征和应力场分布,覆岩裂隙以张剪型复合裂隙为主,裂隙尖端起裂符合最大正应力准则。基于宏观裂隙与微观裂隙的相似性原理,建立裂隙扩展力学模型,应用裂隙尖端断裂能量理论和Griffith准则,给出了裂隙扩展方向、起裂应力强度因子、扩展速度和裂隙发育高度计算公式。     

不同卸荷速率下节理岩桥变形破坏及裂隙扩展演化试验研究

边坡开挖速率对边坡稳定性有重要影响,探究锁固型高陡岩质边坡在不同开挖卸荷速率下的变形破坏特征和内部岩桥破坏机制具有重要意义。为模拟滑坡前缘蠕滑破坏和后缘陡拉裂隙,在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,开展3种不同岩桥长度双轴单面卸荷试验,分析了不同卸荷速率下试样强度、变形、破坏特征和裂隙扩展模式,探讨了裂隙扩展力学机制。结果表明:①卸荷速率主要影响试样卸荷强度及次生裂隙数量,对裂隙扩展方式影响较小;②应力-位移曲线呈现出"应力陡降"和"峰后回升"现象,且试样还表现出"多峰值"特征;③随卸荷速率的增加,试样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破坏,且张性裂隙多集中于卸荷面附近;④总结出6种裂隙扩展类型:贯通岩桥、贯通试样上端面、下部裂隙贯通试样下端面、上部裂隙贯通试样下端面、贯通试样左端面、贯通试样右端面;⑤推导了卸荷条件下闭合裂隙尖端应力强度因子表达式,理论计算和实验所得裂隙起裂角误差在6.5%以内,验证了理论计算结果的可行性与合理性。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α<45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α>45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正...     

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

采用一种新型的透明性和脆性度良好的非饱和树脂材料,制作了一组含有不同倾角椭圆形三维内置单裂隙的试样。研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,分析探讨其产生的条件和机理。试验结果表明：三维单裂隙试件破坏过程大致经历4个阶段。三维单裂隙的断裂比二维断裂复杂得多,产生多种不同形态的裂纹,如鱼鳍状裂纹、花瓣形裂纹等。在FLAC 3D软件框架内还建立了一种新的弹脆性破坏本构关系和分析法,并采用超细单元划分法建模,用以模拟三维裂隙扩展。数值模拟结果与本文和前人的三维裂隙试验对照,相符程度均良好,表明了新的数值模拟方法的有效性。当推广到双轴压缩试验模拟时,也与前人相关试验结果有很好的一致性。     

单轴压缩下预制端部节理岩桥变形破坏及裂隙扩展机制研究

边坡岩体内岩桥对边坡稳定性具有控制作用,为探究节理岩桥变形破坏特征及裂隙扩展机制,通过在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,并结合数字图像相关技术,分析了岩桥裂隙起裂、扩展、贯通规律及微观损伤演化特征,同时利用断裂力学理论揭示了岩桥裂隙扩展机制。结果表明:岩桥试样破裂过程划分为5个阶段,且应力-应变曲线出现"峰前波动"和"峰后阶梯式"下降特征;岩桥试样破坏过程为下部倾斜裂隙首先起裂,而后偏转一定角度向上扩展,且裂隙是逐级扩展的;岩桥试样的破坏都是由其前期的损伤累积所导致,裂隙尖端形成的局部高应变区域变化预示了宏观裂隙的扩展路径。推导了裂隙尖端应力强度因子表达式,计算了裂隙起裂角,理论与试验结果基本一致。