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。     

加载速率影响下裂隙细砂岩裂纹扩展试验及数值模拟研究

为研究裂隙倾角和加载速率对岩石裂纹扩展及破坏模式的影响,采用中心钻孔法在50 mm×50 mm×100 mm的细砂岩试样上预制宽度范围为0°～90°的贯通裂隙,并对其进行声发射及摄影监测下单轴压缩试验和PFC数值模拟研究,综合分析其裂纹演化规律及变形破坏特征。结果表明:裂隙砂岩试样的破坏模式包含拉伸破坏、剪切破坏和拉伸/剪切混合破坏3种,根据裂纹起裂机理及发展轨迹可将其细化分为T1～4(拉伸)型、S1～3(剪切)型、M1～2(混合)型等9种类型,裂纹萌生亦可分为翼形裂纹、反抗拉裂纹、共面/非共面次级裂纹、横向裂纹等5种类型,且均与岩样加载破坏过程密切相关。岩样裂纹扩展及破坏模式受控于裂隙倾角α,随着α的增加,裂纹起裂应力升高,起裂位置由预制裂隙中央向尖端转移,裂纹前期萌生数量降低,岩样破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡。加载速率亦对岩样裂纹扩展及破坏模式产生影响,随着加载速率的增加,裂纹萌生类型由翼形裂纹变为反抗拉裂纹,且不再向其他裂纹类型转化,裂纹起裂时间缩短,破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡,岩样表面宏观裂纹数目降低。岩样的破坏过程与其声发射特征密切相关,声发射定位信息准确地反应了岩...     

预制裂隙细砂岩裂纹扩展 过程及宏观破坏模式单轴压缩试验研究

为研究裂隙的存在对岩体破坏模式的影响,本文对含有不同几何状态的裂隙细砂岩进行了单轴压缩试验,分析了单轴压缩条件下,岩桥倾角和岩桥宽度对裂隙细砂岩试样裂纹起裂、扩展过程以及破坏模式的影响;结果表明:从整体来看,在单轴压缩条件下,裂隙细砂岩试样的破坏模式主要有拉伸破坏、剪切破坏、拉剪组合破坏3种;随着岩桥宽度的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从1条裂隙的尖端转化为2条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由剪切破坏模式经过拉剪组合破坏模式后向拉伸破坏模式过渡;随着岩桥倾角的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从2条裂隙的尖端转化为1条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由拉剪破坏逐渐向剪切破坏过渡;裂纹的发育和扩展在应力-应变曲线上都有所体现,应力-应变曲线的每一次波动都对应裂纹的发育或扩展;试验结果为裂隙岩体工程提供了一定的指导意义。     

双孔膨胀致裂坚硬岩体裂隙扩展演化试验研究

以控制深部坚硬顶板为切入点,通过地质普查、膨胀剂参数试验、RFPA计算等方法,利用声发射(AE)、微震实时动态监测等手段,开展双孔膨胀致裂坚硬岩体裂隙扩展演化的试验研究。研究表明:水灰比为1∶3的膨胀剂产生的膨胀力远大于岩石的抗拉强度;双孔膨胀致裂的岩块沿双孔连线的水平位置断裂,产生的微震事件多集中在岩体中心位置;膨胀压力达到7.8 MPa时岩体开始破裂,钻孔附近出现的无应力区扩大且向中心靠拢,随裂隙贯通形成空腔;致裂至第9 h的事件数及能量级最大;随隙贯通,声发射信号在钻孔内部形成叠加,呈现"两端小中间大"的"一"字长条结构。     

卸荷条件下不等长共线双裂隙相互作用规律分析

岩质边坡岩体内普遍存在不连续裂隙,边坡开挖卸荷诱发裂隙扩展贯通是导致滑坡失稳的主要因素。为探究卸荷条件下边坡岩体内裂隙扩展机制和相互作用规律,基于经典Kachanov法和叠加原理,推导了卸荷条件下一对不等长共线裂隙尖端应力强度因子表达式。定义了应力强度因子比F(双裂隙存在时与单裂隙存在时裂隙尖端应力强度因子比),通过F值的大小分析了裂隙倾角、间距和长度对裂隙间相互作用的影响规律。进行了类岩石材料双轴卸荷实验,类岩石材料由425号普通硅酸盐水泥、标准砂、水按质量比1∶2.35∶0.5配制而成,实验在MS-500型三轴冲击岩爆试验系统上进行。结果表明:(1)裂隙倾角对裂隙间相互作用无影响;(2)裂隙间距大于任一裂隙长度时,该裂隙几乎不影响另一裂隙扩展;(3)裂隙长度大于裂隙间距时,该裂隙开始影响另一裂隙扩展。裂隙长度小于裂隙间距时,该裂隙几乎不影响另一裂隙扩展;(4)试件轴向起裂和峰值荷载随着裂隙间距的增大而增大。理论计算和实验所得裂隙起裂角及起裂位置基本一致,验证了理论计算结果的可行性与合理性。本次研究没有考虑裂隙充填对裂隙间相互作用规律的影响,且仅限于共线双裂隙间相互作用的探讨,后续研...     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角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：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

加载速率与裂隙倾角复合作用下类岩材料破断试验及声发射特征分析

通过对含0.1mm预制裂隙的类岩材料进行静态到准静态的不同加载速率单轴压缩试验,分析加载速率与裂隙倾角复合影响的裂隙体类岩石材料破断规律。基于声发射测试技术,分析加载速率和裂隙倾角复合作用下,含预置裂隙类岩材料起裂强度变化规律及岩体破裂全程动态频域变化特征。试验结果表明:类岩试件的峰值强度受预置裂隙倾角和加载速率共同影响,相同加载速率条件下,含预制裂隙类岩石试件的劣化系数随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势,裂隙倾角为45°时,劣化系数最大,倾角为90°时,劣化系数最小;不同加载速率下,裂隙体劣化系数随加载速率的增大而减小。声发射测试数据表明,依据声发射特征参数分析岩石破裂全过程是可靠的,且在峰值强度过后,仍然有大量的声发射事件产生;通过能量率分析,可得到类岩试件的起裂强度,进而得到裂隙体起裂应力水平,得出起裂应力水平与预制裂隙倾角、加载速率的回归方程。     

不同围压卸荷速率下砂岩力学特性数值试验研究

现有关于岩石试件在卸围压条件下力学特性的研究成果,无法完全排除试件离散性及受载过程中应力路径变化对试验结果的影响。利用离散元法开展均质试件在恒定轴压与4种围压卸荷速率下的数值试验研究,对比、分析其宏观与细观力学特性及能量演化规律。结果表明：随着围压卸荷速率的降低,试件极限承载强度不断提高,试验过程中逐步出现轴压和围压的跌落与反弹,反映了试件经历多阶段突发式渐进破坏过程,由局部破裂不断积累导致试件向失稳方向发展。卸荷过程中,试件张拉破裂增长速率大于剪切破裂,以张拉破坏为主。4种条件下,随着形成每条裂纹的声发射事件数增加,总体震级波动范围逐渐减小,整体震级逐渐增大。随着卸荷速率的减小,能量密度出现明显的台阶式上升特征,卸荷过程中试件突发性破裂程度逐渐提高。相对高速卸荷以近似线性方式使试件短时间内能量密度迅速变化,相对低速卸荷条件下的试件则有相对充足的时间以阶梯状增加方式改变能量密度。本研究可为卸围压条件下岩石破坏失稳机制分析提供理论和工程参考。     

不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制

针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状,设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实验,完成了受载煤体加载和卸载过程的应力-应变-渗透率动态监测。同时基于能量守恒定理,开展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较,阐释了卸载速率对裂隙发育和渗透率变化的控制作用,并通过煤样裂隙监测数据对比予以验证。研究结果显示,卸载过程中的煤体裂隙结构受卸载速率影响,围压卸载速率越高,I类和II类裂隙越发育(所占比率增高),I类裂隙数量较原始数量增幅甚至超过1倍,II类裂隙数量提高74.13%;在卸载过程中渗透率曲线整体可分为3段:线性段、抛物线段和稳定段,而决定其3段曲线分布的关键因素是煤体弹性模量大小、加载强度和卸载速率;随着卸载速率的提高,煤体渗透率加大,线性段斜率和抛物线段曲率半径逐步增加,线性段斜率由0.054 8逐步升高至0.091 9,0.138 8和0.216 4,抛物线曲率半径逐步增大,顶点曲率半径分别达到1.232,1.334,1.863和2.014,渗透率稳定的应力临界点不断减小,由15.26 MPa降低至14.08,13.14和10.88 MPa;煤体渗透率的变化可以通过裂隙长度增量进...     

卸荷条件下的裂隙岩体力学特性研究

岩土工程界绝大多数领域涉及到的是岩土体的卸荷过程,研究裂隙岩体在卸荷条件下的力学特性具有非常重要的理论和现实意义。在线弹性断裂力学理论的基础上,建立了裂隙岩体概化模型,分析了裂隙岩体分别在最小主应力和最大主应力卸荷条件下的应力强度因子和变形特性。研究结果表明,裂隙岩体沿不同应力路径卸荷,其应力强度因子和表现出来的力学特性是不同的,裂隙岩体沿最小主应力卸荷只具有沿最大主应力卸荷条件的某一阶段特性。     

不同距离裂隙对爆炸裂纹扩展影响的试验研究

为了研究不同距离裂隙对爆炸裂纹扩展的影响规律,以有机玻璃为试验介质,分别研究了裂隙距炮孔距离l=20、30、40、50、60 mm时,爆炸空腔、径向裂纹、层裂裂纹、翼形裂纹的形成及扩展规律。研究结果可为优化裂隙岩体的爆破参数提供参考。     

不同卸荷速率下北山花岗岩力学特性试验研究

为探讨在增轴压卸围压的应力路径下不同卸荷速率对甘肃北山花岗岩力学性质的影响,对北山花岗岩进行了不同速率、不同围压条件下的卸荷试验,并与循环加卸载试验强度方面的数据对比分析,研究花岗岩的强度变形特征和破坏特点。研究结果表明:1围压效应明显,峰值强度随实时围压升高而增强;卸荷试验峰值强度包络线在循环加、卸载试验峰值强度包络线上方,且随着卸荷试验速率的升高,岩样峰值承载能力增强。2随着卸荷速率的增加,黏聚力增大,但内摩擦角变化较小且无明显规律;相比循环加卸载试验,卸荷试验的黏聚力降低了8%~20%,内摩擦角提高了9%左右。3随着围压的增加,卸荷试验峰值点至峰后应力跌落点的横向应变增量先减小后增加;不同围压下的卸荷起点至卸荷峰值点的横向应变增量在0.5~2.0 MPa/min卸荷速率区间内有相同的增减趋势。4随着卸荷试验速率的增加,岩样破裂面贯通程度增加;随着围压的升高,主破裂面破裂角增大,且破裂面更加平直。     

卸荷条件下岩石破坏能量演化试验研究进展

岩石在变形破坏过程中不断与外界交换着物质和能量,是一个能量耗散的损伤演化过程,岩石破坏的实质是能量驱动下的状态失稳现象。综合介绍了在开挖瞬间,迅速增大的轴向应力随着时间增长逐渐趋于稳定和围压瞬间卸载的应力重分布情况,目前主要采用轴压升高、围压降低而轴压不变、围岩降低的室内试验方案。结果表明:岩石卸荷破坏具有明显的围压效应,总应变能、弹性应变能和耗散能与初始围压呈正相关关系;随着卸荷速率的增加,能量转化速率不断减小,岩石容易产生瞬间动态破坏;不同卸荷水平下能量演化存在明显的差异;碎屑岩块分形维数越大,扩容现象越明显,穿晶、沿晶裂纹越发育,消耗能量越多。基于现有的研究成果,提出完善试验系统、采用与工程实际相符合的应力路径、开展微细观裂纹研究、深入能量转化敏感阶段研究的发展趋势。     

基于不同加载速率的含瓦斯煤体裂隙演化规律研究

为研究不同加载速率对含瓦斯煤体试件破坏过程中损伤单元数分布情况及瓦斯渗流情况的影响,采用数值模拟方法,得出五条结论。     

断续预制三裂隙砂岩变形破坏特征的试验研究

采用岩石力学伺服试验机,对预制三裂隙砂岩进行单轴压缩试验,并结合RFPA2D数值计算,对其强度和变形破裂特性进行了分析和探讨。研究结果表明,三裂隙砂岩以剪切错动破坏为主,但最终失稳裂纹并非初始扩展裂纹,数值模拟获得的力学参数及破裂行为与室内试验具有较好的一致性;随着侧压力和加载速率的增大,三裂隙砂岩的峰值强度和峰值应变逐渐增大,但弹性模量变化幅度较小。研究成果可以为煤矿巷道、硐室等地下工程的稳定性分析与控制提供一定的理论依据。     

流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明：注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。     

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...