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。     

岩石-充填体耦合接触面细观参数及其力学特性研究

矿山嗣后充填采矿过程中,矿柱与充填体易形成互相包裹的组合模型共同承受荷载作用。为了深入分析矿柱与充填体耦合接触面属性对组合模型宏观力学性能的影响,设计岩石-充填体耦合试件进行室内试验,将室内试验结果作为基准值,借助PFC颗粒流软件,通过采用控制变量法,调整岩-充耦合接触面细观属性,进行单轴压缩数值模拟试验。结果表明:岩-充组合模型受到切向、法向刚度及摩擦系数的共同影响,随着耦合接触面细观参数的折减而出现强度劣化;随着耦合接触面法向刚度的折减,模型宏观力学性能呈现出先剧烈后平缓的劣化趋势,当折减系数变为基础值的两个数量级范围时,模型峰值应力应变对其敏感性降低;随着耦合接触面切向刚度的折减,模型宏观力学性能呈现出剧烈-平缓-剧烈的劣化趋势,当折减系数变为基础值的一个数量级范围时,模型峰值应力应变对其敏感性降低;模型宏观力学性能与耦合接触面摩擦系数变化为正相关关系,其趋势随着摩擦系数的变化而近似线性变化。     

单轴压缩条件下类岩石不同加载速率的力学特性

通过对类岩石进行不同加载速率下的单轴压缩试验,探究加载速率变化对类岩石应力-应变曲线的影响.研究结果表明：在一定范围内,随着加载速率的增加,类岩石的峰值应力呈递增趋势;在恒速率试验中,不同速率所对应的应力-应变曲线不相同;在变速率试验中,当速率突然增大时,应力-应变曲线会有明显的向上突变;不同速率也会影响类岩石的裂纹发展.     

含X型交叉裂隙的岩体力学特性数值分析

基于FLAC~(3D)数值计算软件,首先采用超细单元划分法对计算模型进行剖分以模拟线状裂隙扩展特征,其次采用弹脆性模型及空模型分别刻画岩石及裂隙的力学行为。数值模拟计算结果表明,在两裂隙对称分布的情况下,其夹角及长度对试件破坏模式的影响不大,但是试件强度随裂隙夹角及长度的增加而逐渐减小;当其中一条裂隙长度逐渐增加到与另一条裂隙长度相同时,试件破坏模式也逐渐由较长裂隙控制的单裂隙破坏形式转变为双裂隙同时扩展的对称破坏模式,试件强度也随着裂隙长度的增加而增加;当其中一条裂隙的长度不变,而倾角变化时,试件破坏也呈现单裂隙控制的破坏模式,但相应的试件强度变化规律比较复杂。     

岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明：组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段：裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开...     

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。     

不同裂隙角度岩石相似试样力学特性及声发射特性研究

为了研究岩石相似材料在不同倾角预制裂隙影响下的力学特性的变化规律,利用河沙、水泥、石膏等材料制作岩石相似试样,并对制作成功的岩石相似试样制作不同角度的裂隙,最终对含不同倾角的试样进行单轴压缩试验,研究其力学特性的变化规律。研究得到含有预制裂隙试样的峰值强度随裂隙倾角的增大呈对数关系增长;同时其峰值应变随裂隙倾角的增大呈指数关系增长;含预制裂隙试样的AE事件累计数及能量强度大致变化趋势相近,可分为压实萌生阶段、弹性稳定增长阶段、破坏剧烈增长阶段;AE事件累计数随着预制裂隙倾角的增大不断增大,能量强度也随着预制裂隙倾角的增大不断增大。     

单轴压缩条件下裂隙几何特征对岩石力学特性的影响研究

为探究裂隙几何特征对岩石单轴压缩力学特性的影响,采用Rhino-Griddle软件建立不同裂隙几何特征的标准岩样模型,并通过FLAC3D软件对单轴压缩条件下裂隙岩体的变形破坏规律进行了模拟研究,探讨了倾角、张开度、数目与岩石单轴力学特性的关联,分析了多裂隙岩样的裂纹扩展规律。数值计算结果表明:随着裂隙倾角的增加或裂隙张开度的降低,岩样的单轴抗压强度和峰值应变均会有所增加,且裂隙倾角相较于裂隙张开度对岩石的力学性能影响程度更大;裂隙数目对应力-应变曲线的影响在峰后阶段较为明显,随着裂隙数目的增加,岩样的残余强度不断降低,三裂隙岩样的残余强度几乎为0;预制裂隙端部首先萌生裂纹,裂纹不仅向裂隙平行方向沿裂隙扩展,还沿着接近平行于轴向的加载方向向其他裂隙端部扩展,不同预制裂隙裂纹上下完全交汇贯通并与外部裂纹搭接,最终导致岩样完全失去承载能力。     

不同加载速率下砂岩的单轴压缩试验力学特性及能量演化规律

从能量的角度出发，通过单轴压缩试验和单轴分级加卸载试验分析了砂岩在破坏过程中能量积聚和耗散的特点，并定量分析了弹性能和耗散能之间的关系。研究结果表明：( 1 ) 不同试验条件下，砂岩试样都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段，随着加载速率的增加，弹性模量和峰值强度也呈现增加的趋势；( 2 ) 砂岩试样在各个阶段内都存在弹性能和耗散能，整体随加载速率的增加呈非线性增长的关系，弹性能和耗散能相互抑制的阈值为20 MPa，20 MPa之前，弹性能对耗散能抑制作用明显，20 MPa之后，耗散能对弹性能抑制作用显著；( 3 ) 单轴分级加卸载试验下，试样因疲劳损伤和裂纹界面摩擦产生的塑性变形对弹性能无影响，表现为加卸载曲线的逐渐右移，吻合单轴压缩试验对应弹性能的同时，证明了本研究方法的合理性。     

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...     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用FLAC3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般分为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,最终形成一个倾斜的应力面,导致试件最后形成一个倾斜的破坏面;而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟.结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75...     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

裂隙倾角对岩石破坏形态影响的数值模拟

采用离散元数值分析软件PFC~(2D)对含不同裂隙角度的岩石在单轴压缩下的扩展规律及力学特性进行数值模拟研究。结果表明:不同裂隙角度对裂隙在岩石中的扩展及破坏有较大影响;裂隙在尖端处起裂,当裂隙角度较小时,在扩展过程中裂隙周围应力分布比较均匀,裂隙沿平行于加载方向扩展至试样破坏;当裂隙角度较大时,裂隙扩展受应力分布影响较大,次生裂隙较多,主要沿裂隙角度方向扩展;根据裂隙倾角对峰值强度和劣化系数的影响曲线,通过拟合分别得到峰值强度和劣化系数与裂隙倾角间呈指数函数关系。     

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。     

基于应变软化模型的岩体单轴压缩裂隙扩展

分别采用FLAC~(3D)程序中的应变软化模型及空模型来描述岩石及裂隙的力学行为,同时采用超细单元划分法对计算模型进行剖分以模拟裂隙扩展。采用上述数值计算模型研究了单轴压缩荷载下裂隙长度、倾角和裂隙条数对裂隙扩展路径及岩体力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴抗压峰值强度随裂隙长度增加而逐渐降低,当裂隙长度不同时,次生翼裂纹的出现位置及扩展路径也有较大差别。翼裂纹的萌生位置及扩展规律均随裂隙倾角而变化;试件峰值强度随裂隙倾角由0°增加到75°时,类抛物线规律变化,当裂隙倾角为30°时,试件峰值强度最低。裂隙条数对裂隙扩展路径及试件破坏模式有较大影响,且试件峰值强度随裂隙条数增加而逐渐减小。     

某矿尾砂胶结充填体强度演化特征及力学效应研究

以某金属矿山充填开采为研究背景,开展了不同配比参数下的充填体抗压、抗拉强度试验,分析了不同配比参数下的充填体强度演化特征。同时,采用FLAC3D数值模拟软件分析了矿体回采及采空区充填过程中的充填体及围岩受力特征,讨论了充填体在采场内的力学效应。研究表明:随着养护时间增加,充填体的力学强度呈不断增加的趋势,并且浓度或灰砂比越高的充填体其抗压强度增长的幅度也越大;在养护早期,水泥含量减小对尾砂胶结充填体强度的影响并不显著;矿体回采后,采场顶板及底板出现了压应力集中的特征,但采空区充填后围岩的应力集中状态得到了明显改善;此外,在二步骤采空区充填后,充填体拉应力达到了0.20 MPa,超过了部分充填体的抗拉强度,因此建议充填体的灰砂比最低应为1∶6,以维持充填体在采场的稳定。