孔洞式三叉裂隙砂岩裂纹扩展特征颗粒流分析

为研究节理和孔洞对岩体的力学特性影响规律,通过完整砂岩和含预制单裂隙砂岩试样室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC2D模拟试验,对试样的弹性模量和峰值强度等相关参数以及最终破坏模式进行对比分析,最终选取了一组合理的细观参数,并采用该组细观参数对孔洞式三叉裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究结果表明:随着裂隙倾角α、裂隙倾角β、孔洞直径d和裂隙长度2a的改变,孔洞式三叉裂隙试样的峰值强度和峰值应变呈非线性变化,且它们均显著低于完整试样,其中裂隙长度2a对试样的峰值强度影响最大。孔洞式三叉裂隙试样在加载过程中发生拉伸和剪切破坏,且主要以拉伸破坏为主;翼形裂纹一般萌生在预制三叉裂隙的外尖端或距其外尖端一定位置和预制三叉裂隙与孔洞交接处附近位置,次生裂纹一般萌生在翼形裂纹扩展过程中的某个位置或试样的边界部位;裂隙倾角α主要影响试样的破坏程度,裂隙倾角β主要影响裂纹的扩展模式,孔洞直径d主要影响次生裂纹的萌生位置,裂隙长度2a主要影响翼形裂纹的萌生位置;通过对孔洞式三叉裂隙试样裂纹扩展机制探讨,裂隙试样在初始裂纹萌生阶段,应力集中区一般产生在预制三叉裂隙尖端附近和孔洞边缘,并且伴随在试样内部产生声发射...     

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。     

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...     

含平行双裂隙砂岩裂纹演化特征离散元分析

为研究含平行双裂隙砂岩的力学特性及裂纹演化特征,利用经过校核的细观参数通过离散元软件PFC2D建立数值模型,并对模型进行单轴压缩模拟。研究结果表明:含平行双裂隙砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量与完整试样相比均有不同程度的劣化;随着平行双裂隙倾角的增大,试样的峰值强度、峰值应变及弹性模量呈增大趋势;当裂隙倾角为0时,裂纹首先在裂隙中部萌生,并向试样端部发展,当裂隙倾角为30°、45°及60°时,裂纹首先在裂隙尖端部分的应力集中区处萌生,并不断发展贯通,最终扩展到试样端部,当裂隙倾角为90°时,裂纹首先于试样端部萌生,并不断朝轴向发展。     

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。     

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。     

含单裂纹带圆孔板单轴破坏试验及仿真

为了研究含不同预制裂纹长度及倾角下的单裂纹带圆孔板单轴应力状态下的裂纹扩展状况,分别制作裂纹倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°及裂纹长度为7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm的带直径为15 mm圆孔的类岩石试件,利用DDL-200型试验机进行单轴压缩试验,并使用颗粒流离散元软件PFC对试件应力状态和裂纹扩展做进一步研究。结果表明：合理的预制裂纹能够提高试件的抗压强度,并且随着裂纹倾角的增加,试件应力集中逐渐从裂纹尖端过渡至孔边,使得新裂纹的萌生和扩展向孔边转移,同时,较大的裂纹长度和较小的裂纹倾角使得试件有更大的受拉区域面积和更加不均匀的应力分布;此外,应力强度因子随着裂纹倾角的增大呈先减小、后增大的变化规律,降低阶段和上升阶段所对应的裂纹分别属于闭合型和张开型。该研究成果可为地下工程中的巷道支护和切顶卸压提供一定的参考。     

基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性

结合花岗岩单轴压缩下声发射特性室内试验,采用颗粒流数值模拟试验,对加载过程中声发射特性进行了监测,探讨了单轴压缩下的荷载大小与声发射累积数的变化关系,分析了峰值强度前割线模量的变化规律。研究结果发现：加载过程中,试件内部最早出现剪切裂纹,随着颗粒单元内部应力增加,逐渐出现拉伸裂纹;单轴压缩不同荷载阶段对应了4个不同的声发射释放阶段,峰值强度后期出现大量振铃,且累积数较峰值强度前的累积数高;试件的弹性模量变化幅度随模拟时间步增大而逐渐降低,于某特定值浮动。研究成果可为岩石声发射特征研究提供参考。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能...     

基于Smooth-Joint模型的层状页岩力学特性研究

普光气田陆相页岩气资源潜力巨大,侏罗系千佛崖组一段页岩气大面积分布,埋深适中,页岩气资源量为4 239.5亿m³。为实现页岩气的高效开发,在室内页岩单轴压缩力学试验的基础上,利用颗粒离散元法建立页岩的单轴压缩模型和Smooth-Joint节理模型,探讨宏观各向同性页岩单轴压缩破坏、变形及强度特征,以及不同Smooth-Joint节理倾角对岩石力学特性的影响。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,即节理面倾角θ=45°+φ_s/2时,岩体受压破坏沿节理面发生,岩体强度下降得最多;层状页岩单轴压缩全应力—应变曲线可以分为5个阶段,阶段Ⅰ岩样内部裂纹闭合体积减小、阶段Ⅱ弹性变形过程(总体积应变增量等于弹性体积应变增量)、阶段Ⅲ裂纹稳定扩展(弹性变形)、阶段Ⅳ裂缝非稳定扩展(塑性变形阶段)、阶段Ⅴ试件裂缝继续扩展延伸直至达到峰后强度σ_p停止。该研究结果为普光陆相千佛崖组页岩气的开发提供...     

晶体类型对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响

含瓦斯水合物煤体的力学性质研究,是利用水合原理防治煤与瓦斯突出的基础。以型煤试件为研究对象,利用自主研制融合瓦斯水合固化反应和三轴压缩荷载作用于一体试验装置,合成了含不同晶体类型瓦斯水合物煤体。对含不同晶体类型瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤体进行了三轴压缩试验,获得了2种围压下含瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤的应力-应变关系、强度等特性。基于莫尔-库伦强度准则进行拟合,得到含水合物煤体和含瓦斯煤体的黏聚力和内摩擦角。研究结果表明,煤体含水合物能够提高刚度和黏聚力,含II型瓦斯水合物煤体抵抗破坏能力更强,煤体含水合物的类型对煤体力学性质有不同的影响。     

双孔爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统(DLDC),研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明,两切槽炮孔同时起爆后,爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通,而是呈"勾连状"的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比,垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大,其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。     

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。     

劈裂荷载下孔隙岩石应力分布特征与裂纹扩展行为

基于天然岩石孔隙结构重构模型,运用数值方法开展了不同孔隙率的圆盘劈裂数值模拟实验,研究了劈裂拉伸过程中孔隙岩石的裂纹扩展行为,从应力角度探讨了孔隙率对岩石裂纹扩展行为的影响;同时利用模型材料制作了不同孔隙率的孔隙岩石物理模型,开展了物理模型的劈裂实验,将实验结果和数值模拟结果进行比较,验证了数值模拟结果的有效性。经研究发现:在保持孔隙分布特征不变的条件下,孔隙率对圆盘劈裂破坏时的应力分布特征及裂纹扩展行为有显著的影响,随着孔隙率的增大,应力分布的对称性逐渐消失,最大拉应力值出现在远离对称轴孔隙密集的地方,且随着孔隙率的增加呈指数递减趋势。孔隙圆盘的破坏形式逐渐从单一劈拉破坏转变为劈拉和剪切破坏共存,导致最终破坏时形成多条开裂裂纹贯通圆盘。     

白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。