含充填裂隙砂岩破坏特征的模拟研究

深部应力环境下充填裂隙会影响岩石的破坏特征,针对此问题,基于PFC2D模拟了充填裂隙对砂岩裂纹发育、力链和应力场演化特征的影响。结果表明：试样在属性相对较弱的充填裂隙内部起裂,在承压条件低于砂岩颗粒破坏的阈值前,裂纹仅在充填裂隙内部发育,超过阈值时裂纹在充填裂隙尖端突破;砂岩颗粒与充填裂隙尖端交界处受较高的压应力,充填裂隙内部分布有拉应力;充填裂隙中部的应力集中导致试样起裂,裂纹突破充填裂隙后,内部形成卸压区,试样由两侧完整部分承载。     

裂隙岩石渐进变形破坏过程研究

为探究应力荷载作用下含裂隙岩体的裂隙演化过程与破坏状态,采用PFC^2D数值软件建立了岩石数值模型,通过与环氧树脂材料相似模型的应力-应变曲线以及裂隙扩展状态进行对比,标定了岩石数值模型的力学参数,进一步分析了不同裂隙倾角条件下单裂隙与多裂隙岩石数值模型的渐进变形破坏过程。结果表明：起裂应力随裂隙倾角的增加表现为先增大后减小的趋势。在裂隙倾角平行或垂直于柱体轴向时,加载作用力对裂隙产生的剪切作用力最小,当裂隙存在30°～60°的倾角时,岩石的破坏主要沿裂隙发生斜面剪切破坏。相比于单裂隙情况下,多裂隙岩石的应力-应变曲线明显降低。     

基于数字图像技术的含双裂隙类岩石试样力学特性细观研究

岩石破坏过程中裂纹孕育演化规律及分布模式是解决岩石破坏问题的关键所在,而裂隙作为一种典型的岩石缺陷,与岩石的宏观力学状态和结构破坏特性之间有着密切的联系。采用数字图像技术(DIC)及颗粒流程序(PFC),研究了单轴压缩状态下含双裂隙类岩石试样破坏全过程,得到了试样破坏过程中观测面全场应变和位移的演化过程以及裂纹发展、微破裂数等特性。研究表明：(1)当载荷到达一定阶段,预制裂隙两端首先出现明显的微破裂区,其形状近似椭圆,开始形成宏观Ⅰ型裂纹(翼形张拉裂纹)。(2)随着载荷的增大,微破裂聚集,裂隙端部开始形成宏观Ⅱ型裂纹(剪切裂纹),并与Ⅰ型裂纹一起持续发育直至试样破坏。(3)预制裂隙左、右两侧和上下两侧的X和Y方向位移量差别较大,X方向位移量在两条预制裂隙的右边为正值,左边为负值;Y方向位移量自固定端(下端)向加载端呈由大到小呈梯度分布。     

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。     

基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究

岩石破坏过程中裂纹孕育演化规律及分布模式是解决岩石破坏问题的关键所在,而预制裂隙作为一种典型的岩石缺陷,与岩石的宏观力学状态和结构破坏特性之间有着密切的联系。采用数字图像技术(DIC)及颗粒流程序(PFC),研究了单轴压缩状态下含双预制裂隙类岩石试样破坏全过程,得到了试样破坏过程中观测面全场应变和位移的演化过程以及裂纹发展、微破裂数等特性。研究表明:①当载荷到达一定阶段,预制裂隙两端首先出现明显的微破裂区,其形状近似椭圆,开始形成宏观Ⅰ型裂纹(翼形张拉裂纹);②随着载荷的增大,微破裂聚集,预制裂隙端部开始形成宏观Ⅱ型裂纹(剪切裂纹),并与Ⅰ型裂纹一起持续发育直至试样破坏;③预制裂隙左右两侧和上下两侧的X方向和Y方向位移量差别较大,X方向位移量在两条预制裂隙的右边为正值,左边为负值;Y方向位移量自固定端(下端)向加载端呈由大到小呈梯度分布。     

基于DIC和YOLO算法的复杂裂隙岩石破坏过程动态裂隙早期智能识别

为了定量研究复杂裂隙岩石变形破坏规律和裂隙扩展特征,利用裂隙网络模型3D打印技术制作了含20条随机节理的类岩石试件,利用数字图像相关方法(DIC)研究了试件破坏过程中应变场演化过程,并分析了每一条裂隙的扩展过程,探讨了动态裂隙对试件整体强度的影响。在此基础上,基于YOLOv5深度学习网络模型,结合DIC云图,提出了一种智能精准识别动态裂隙的算法。研究表明:含复杂裂隙试件破坏过程中往往伴随多条裂隙同时扩展和贯通,试件整体强度与动态裂隙扩展具有重要关系,统计动态裂隙的扩展情况可以半定量地判定试件整体稳定性。在每条原生裂隙起裂前,总是首先出现应变集中区域,并且应变集中区域具有前兆性,预示着新裂纹的萌生。原生裂隙的动态演化基本可以分为原生裂隙、应变集中区、新生裂纹和交叉裂隙4种类型,其中,新生裂纹和交叉裂隙对试件整体强度影响最大。提出的智能精准识别动态裂隙算法的精确率、召回率和平均精度均值(P_mA)都在80%以上,且P_mA最高达到了91%,GIoU损失参数迭代训练后达到0.01,4种类型裂隙相对应的F₁分别为83%,89%,87%和85%,4种类型裂隙的总体识别精度可达86%。说明该方法在复杂裂隙岩体裂纹识别、定位分类是快速精确有效的。试件在受载时,智能识别算法重点识别并统计新生裂纹和交叉裂隙数量,当新生裂隙和交叉裂隙数量较多时,试件即将破坏,可提前进行预警。     

不同加载方式下含预制裂隙岩石力学特性及破坏规律试验研究

为探究不同加载方式下含裂隙岩石的力学特性和破坏规律,加工制备了5组裂隙角度的圆柱形花岗岩试样,采用万能材料试验机和改进的SHPB装置,分别进行了静态单轴压缩试验、常规冲击试验和动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录分析了试样的变形破裂过程.试验结果表明,各加载方式下含裂隙试样的强度、峰值应变和...     

裂纹在层状岩石中扩展特征的研究

为研究裂纹在层状岩石中的扩展特征,通过数字图像相关方法观测裂纹在层状岩石中的扩展过程,并通过数值模拟方法研究岩石强度对裂纹在层状岩石中扩展的影响。研究表明,裂纹在层状岩石的扩展过程中,载荷曲线具有双峰值特征,各峰值时刻分别对应于界面层两侧岩石的起裂时刻,峰值大小随岩石强度的增高而升高;界面层破裂及界面滑动,对裂纹扩展具有止裂作用,止裂效果随界面层不含裂纹一侧岩石强度的增高而提高;受界面层破裂和界面滑动的作用,裂尖沿界面层发生迁移,裂纹在层状岩石中的扩展呈非连续性扩展特征。     

不同冻结状态下含单裂隙岩石动态抗拉特性研究

目的：为探明冻融和动态扰动双重作用对寒区露天矿边坡岩体稳定性的影响。方法：利用摆锤冲击加载SHPB试验系统研究干燥、饱水和冻结状态下完整、含预制单裂隙花岗岩的动态峰值载荷、加载速率敏感性及破坏模式;建立了含裂隙饱和动态巴西盘数值模型,并验证了模型正确性,模拟不同加载速率下裂隙充水饱和试样的破坏模式和强度率效应。结果：结果表明：相同加载速率下,冻结强度>干燥强度>饱水强度,完整试样强度大于含裂隙试样,预制裂隙降低了试样的强度;不同含水和冻结状态下试样的动态抗拉峰值载荷与加载速率呈正向幂函数关系,表现出应变率强化效应,干燥、饱水、冻结状态下完整、含裂隙试样的增速分别为0.465、0.456、0.445和0.479、0.438、0.480,冻结强化动态强度,饱水弱化强度,预制裂隙放大了加载速率敏感性;裂隙充水会增大饱和试样的强度、裂纹扩展范围增大。结论：研究结果为揭示冻结状态下含单裂隙岩石动态破裂机理提供试验和模拟支撑。     

裂隙岩石破裂机理研究

应用伪张力法和断裂力学原理对在受压状态下裂隙岩石的破裂机理作了进一步的理论和实验研究，研究表明，裂隙岩石的宏观破裂与岩石的微裂隙分布及其互作用密切相关，在一定载荷条件下，岩石内部微裂隙的扩展和聚集方式呈现一定的规律性，从面使得裂隙岩石宏观破裂的形成和扩展也具有一定的规律，文中引入了等效系数和有效剪应力，并通过实验观测，进一步证明了本文的理论分析与实验结果的一致性。最后，作为实例分析了雁形裂纹的形成     

基于多元监测信息融合的含裂隙类岩石材料破坏规律和预警方法

为探究含裂隙岩石试件的变形破裂特征和前兆规律,进行了含裂隙类岩石材料的破坏试验,采用数字图像相关技术(DIC)、红外辐射测温技术(IRT)和声发射技术(AE)实时无损地探测了试件在损伤破坏过程中应变场、红外辐射温度场及声发射振铃的响应规律、前兆性和敏感性,并引入样本标准差指标对应变场和温度场矩阵数据进行了数据降维和定量分析。基于上述物理量监测信息,建立了考虑多元监测信息及其权重的数据融合函数。在此基础上,对试件破坏过程进行了阶段划分和综合预警。结果表明：试件在裂隙起裂、扩展和贯通过程中表现出显著的应变局部化特征。试件破坏过程中,应变局部化带逐渐扩大,应变场标准差曲线呈非线性变化。试件破坏过程中产生的多物理量响应规律和前兆性具有一定区别。红外辐射温度场和声发射振铃次数在宏观裂隙生成前变化平稳,在宏观裂隙生成时发生突变。而应变场在裂隙起裂前就展现出应变离异特征,前兆性更显著。多元监测信息反应试件破坏的显著性也不相同,强弱顺序为水平应变场标准差、剪切应变场标准差、垂直应变场标准差、温度场标准差、声发射振铃次数。综合考虑各指标特点,建立了基于多元信息共生和各监测信息权重的综合评判方法,并从能量...     

单裂隙岩石在单轴压缩下破坏的数值模拟

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D在单轴压缩下对含有单裂隙在不同分布下的岩石试件的破坏过程进行数值模拟研究。结果表明:岩石试件破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的断裂破坏几个阶段;完整岩石试件的力学性能显著高于含有裂隙的岩石试件。随着裂隙长度的增加,岩石试件的峰值强度逐渐降低,根据其降低趋势,拟合出峰值强度随裂隙长度增大而降低的拟合函数,由函数可知,二者成负指数关系;而随着裂隙倾角的增大,峰值强度呈现出先减小后增大的趋势,在裂隙倾角为45°左右时岩石试件的强度达到最小值。裂隙长度越小或者裂隙倾角越大的岩石试件,其对岩石试件的力学性能影响不明显,裂纹扩展不明显,其扩展形式与完整岩石试件类似。     

拉剪应力作用下单裂隙砂岩裂纹扩展规律试验研究

地下矿山采空区顶板等地下工程岩体常面临拉剪破坏灾害,而目前对拉剪应力状态下裂隙 岩体的破坏机制认识不深。 为了探究裂隙岩体拉剪破坏规律,利用自主研制的拉剪辅助装置开展 了单裂隙砂岩试样在法向拉应力条件下的直接剪切试验。 结果表明:裂隙与水平剪切方向的夹 角(逆时针方向,简称“裂隙角”)对拉剪强度及裂纹扩展形态有明显影响。 随裂隙角从 0°~180°变 化,强度总体上先增大后减小,最大值出现在裂隙角为90°~120°。 当裂隙角为锐角时容易发育从 试样边缘开始的次生裂纹与裂隙端部发育的主裂纹形成成核破坏,而当裂隙角为钝角时仅从裂隙 端部发育裂纹,裂纹路径相对较水平。 随裂隙角从0°~180°变化,起裂方向角先减小后增大,当裂 隙角为 30°时最小。 随着法向拉应力增大,裂纹较水平,起裂方向角总体上呈增大趋势。 试样破坏 以翼裂纹的拉伸破坏为主,当裂隙较陡时裂纹可从裂隙内部起裂扩展,这与压剪情况下试样破坏以 剪切破坏或张拉-剪切混合破坏为主,当裂隙角为钝角时可出现反翼裂纹相比具有明显差异。 通 过 DIC(数字图像相关)观测,分析了应变演化和位移场特征。 随着剪应力的施加,预制裂隙处应变 集中区域逐渐从中部向裂隙两端延展,裂纹沿着应力集中区域的内边缘起裂扩展。 预制裂隙受到 的应力状态与裂隙角有较大关系。 裂隙角为 90°以下时,随着裂隙角增大,预制裂隙从受拉至拉剪 再到剪切变化,裂隙角为 90°以上时仅受拉剪;而不同裂隙角时扩展裂纹的力学属性均以张拉为 主。 研究揭示了拉剪应力状态下裂隙岩体裂纹扩展特有的规律,可为地下岩体工程开挖稳定性评 价提供理论参考。     

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。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生\"翼形裂纹\",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。     

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。     

双轴加载条件下裂隙岩体相似模型力学特性试验研究

煤矿深部地层主要受构造应力场影响,以水平应力为主且具有明显的方向性,而煤系地层节理、裂隙发育。为探究煤矿深部地层裂隙岩体断裂特征和力学特性,研制了裂隙岩体试验平台,制备了不同倾角的裂隙岩体相似模型,开展双轴加载试验;基于试验结果和数字图像相关技术（DIC）分析研究了节理倾角对裂隙岩体强度和断裂特征的影响规律。研究结果表明：裂隙与主应力方向的夹角对试件峰值强度影响较大,夹角为30°时,试件峰值强度最低,90°时最高;试件受载后产生的次生裂纹共有7种类型,随着预制裂隙倾角的增大,试件破坏模式经历了压剪破坏、拉-剪复合破坏、压剪破坏的变化;次生裂纹扩展经历了与预制裂隙共面、与预制裂隙异面、与预制裂隙共面的变化。     

含共面双裂隙复合岩石的力学特性与破坏规律研究

为了研究裂隙构型属性对层状复合岩石的力学行为、破坏模式及裂纹扩展规律的影响,以预制含共面双裂隙复合岩样为研究对象,通过室内单轴压缩试验与数字图像采集模块,分析在不同裂隙长度、倾角下岩样的力学特性和破坏特征.结果表明:(1)岩样峰值应力和弹性模量随着裂隙倾角增加上升,随裂隙长度增加而下降;劣化系数k随裂隙倾角的增加而减小,随裂隙长度的增加而增大.(2)破坏模式受裂隙倾角和两种岩石材质的影响,破碎程度主要由裂隙长度决定定.(3)岩桥的贯通模式受裂隙倾角和结构面的控制,4种贯通模式中,随裂隙倾角增大,贯通趋势增强,但裂隙倾角达90°时不再贯通,且结构面会抑制岩桥的贯通.(4)裂纹扩展受裂隙长度影响,当裂隙长度小于12 mm 时,裂纹首先出现在岩样的右半部分,而弹性阶段产生的裂纹主要出现在岩样的左半部分,当裂隙长度大于12 mm 时,裂纹均匀布满岩样表面.该研究成果对实际工程建造和设计具有一定的指导意义.     

基于紫外光和可见光的岩体节理裂隙图像获取

由瑞典SKB和欧盟支持的研究计划TRUE（The Tracer Retention Underslanding Experiments）是世界范围内在核废料处理研究领域方面最大的科研项目。该项目中的重要研究内容之一是岩石节理裂隙特征的模式识别。为了获取岩体内不同节理裂隙的粗细程度和充填物的类型,首先在现场岩体中注入稀释的荧光材料,然后钻孔取出岩体样本,用紫外光和可见光分别获取两种不同的数字图像。研究结果表明：该获取岩石节理裂隙图像的方法不仅获取信息量大,而且经济实用。     

不同加载速率下含交叉裂隙类岩石力学特性研究

对含交叉裂隙类岩石试件开展不同加载速率的单轴压 缩试验,研究并分析加载速率对试件力学特性的影响机理,并借助声发射系统分析了其破坏过程.结果表明,试件的峰 值应力强度与加载速率呈现正相关性,峰值应力变化幅度随 着加载速率的增大表现出先增大后降低的倒“V”形变化;在 达到应力峰值前会存在０．１５~４．８min的振铃计数平静期,平静期随加载速率增加逐渐减小,声发射活跃区间由６０min压缩至１２min;试件在低加载速率(δ≤０．２mm/min)时,声 发射振铃计数呈现高频高幅的特点,在高加载速率(δ＞０．２ mm/min)时,声发射振铃计数则表现出低频高幅的特点;试件 破坏模式为拉 剪混合型破坏,试件处于低加载速率时,以拉 伸裂纹破坏为主,在高加载速率时,以剪切裂纹破坏为主.