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...     

爆炸荷载作用下共线不等长双裂纹拓展规律研究

为研究爆破应力波作用下裂隙岩体破坏规律,基于经典Kachanov法,推导共线不等长裂纹尖端静态应力强度因子,结合断裂力学原理得出动载荷作用下耦合应力强度因子与比例系数的关系,并通过模型试验对不同应力波入射角、不同裂纹长度、不同裂纹间距等情况进行验证。试验结果表明,应力波入射角、共线裂纹长度及裂纹间距是影响裂纹拓展的重要因素;裂尖起裂角随应力波入射角的不同而变化;端部比例系数与裂纹拓展长度变化趋势相同;次裂纹长度越大、裂纹间距越小,裂尖拓展长度越长;当间距大于1.2倍次裂纹长度,不再影响裂尖拓展。     

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。     

裂隙几何特征对岩石强度影响模拟实验研究

为探究裂隙几何特征(倾角、长度、位置)的综合作用对岩石峰值强度的影响,对含单裂隙岩石进行单轴压缩的数值模拟实验,分析裂隙倾角、长度、位置对岩石强度特性和破裂特征的影响,同时基于多元逐步回归分析,将三者对岩石峰值强度的影响性进行评价。结果表明:倾角对新生裂纹的起裂位置与起裂时间作用明显,长度与岩石的完整性与稳定程度具有相关性,位置影响裂纹扩展规模和岩石破坏形态;裂隙倾角、长度与位置对岩石峰值强度的影响程度在不同区间内有所差异,从整体来看,由于位置影响因子较小被作为无关变量剔除,在小于45°区间内,对岩石峰值强度的影响程度大小为长度倾角位置,长度与倾角的影响因子为0.82、0.36,在大于45°区间内,对岩石峰值强度的影响程度大小为倾角长度位置,长度与倾角的影响因子为0.344、0.866,同时,建立的逐步回归模型可以有效评价岩石强度,对岩石初始损伤判定具有一定参考价值。     

基于最小塑性区半径准则的岩石裂纹起裂规律

岩石的变形破坏过程实质是内部裂纹不断产生、演化和扩展的过程,研究岩石中多裂纹的起裂规律对岩体工程的稳定性具有重要的理论意义和工程价值。裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素,裂纹尖端塑性区对裂纹的起裂扩展影响很大。为了考虑裂纹尖端塑性区对岩石裂纹起裂规律的影响,基于摩尔-库伦强度准则推导了二维应力状态下岩石裂纹尖端塑性区尺寸的计算公式,并考虑塑性区内材料的硬化对其进行了修正,然后基于最小塑性区半径准则得到了岩石中裂纹的起裂角及起裂荷载。最后,基于理论计算,分析了裂纹长度比、裂纹倾角和裂纹间距对裂纹起裂规律的影响。结果表明:平面应力状态下受压裂纹的起裂角为定值70.43°,平面应变状态下受压裂纹的起裂角随硬化系数和泊松比的增大而增大;受压裂纹的起裂荷载与裂纹长度比呈反比,与裂纹间距呈正比,且随裂纹倾角增加先减小后增大,其极值点与裂纹面的摩擦效应有关;中心裂纹对裂纹长度比和裂纹间距最敏感,外裂纹内尖端次之,外裂纹外尖端对裂纹长度比和裂纹间距最不敏感;受压裂纹的起裂荷载与裂纹面的摩擦因数和闭合度有关,相同条件下,张开型受压裂纹起裂荷载小于完全闭合型受压裂纹的起裂荷载,且平面应力状态下的...     

板状页岩单轴压缩实验及断裂力学分析

基于板状页岩的单轴压缩试验,研究了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展规律,从断裂力学角度,解释了裂纹起裂顺序,推导了板状页岩的脆性断裂准则及抗压强度,给出了断裂韧性的求取方法,得到:含预制裂隙页岩的抗压强度劣化程度较弹性模量大;破坏后宏观裂纹分为两类,一类为表面平整、光滑的拉裂纹,另一类为呈锯齿状、有明显压痕的压剪裂纹;预制裂隙内端比外端更容易起裂,起裂角范围为46°~86°;裂隙间距越小岩桥越容易搭接贯通;裂纹尖端起裂方向只和θ有关,和KⅡ无关;裂隙尖端的内端应力强度因子较大,更易起裂;共线双裂纹模型的优势裂纹角为β_m=0.5arctan f~(-1)。     

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。     

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。     

裂隙性质对岩石压缩力学特性影响的扩展有限元研究

为探讨裂隙面变形参数对非贯通裂隙岩体压缩特性的影响，基于ABAQUS中的应变软化模型描述岩石力学行为，采用扩展有限元法(XFEM)计算裂纹扩展路径，重点研究了裂隙几何参数(长度、倾角、中心距、排距、数量)、强度参数(裂隙面摩擦因数)、变形参数(裂隙面法向刚度及切向刚度)以及围压对裂纹扩展路径和岩石压缩力学特性的影响。研究结果表明，裂隙岩体单轴抗压强度和弹性模量随裂隙长度和数量的增加而不断降低；随着裂隙中心距和排距的增大，裂纹面间相互作用减小，裂隙岩体抗压强度和弹性模量均有不同程度的提高；随着围压、裂隙面摩擦因数、裂隙面法向刚度及切向刚度的增大，裂隙岩体抗压强度和弹性模量均随之提高；随着裂隙倾角由0°增加至75°,试样的抗压强度先减小后增大，并在倾角为45°时最小，呈开口向上的抛物线规律变化；裂隙长度、数量、倾角、中心距、排距以及围压对裂纹扩展路径影响较大。     

煤层底板裂隙的断裂力学模型及其应用

基于煤层底板裂隙的构造发育特征,建立了拉剪性裂隙的断裂力学模型,并根据断裂力学理论得出裂隙扩展的临界条件。根据实验测得的实际数据,利用RFPA2D软件,模拟了在不同岩桥倾角下翼裂纹的起裂、扩展、贯通及最后造成试件的失稳破坏过程。实验结果表明,在外部应力作用下,裂隙的起裂扩展与裂隙倾角发育的密度、间距等空间分布规律有密切关系,高角度裂隙更易于发生扩展连通,裂隙密度越大,间距越小,越易发生扩展而导致岩体失稳破坏。     

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。     

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。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

含多裂隙岩质边坡稳定性分析

基于FLAC~(3D)数值计算软件,采用理想弹塑性本构模型及节理单元对含多裂隙岩质边坡的稳定性进行了分析,并研究了多裂隙长度、倾角、间距、排距及副裂隙长度对岩质边坡的临界滑面和边坡安全系数的影响。结果表明,随着裂隙长度的增加,临界滑面会随着长度的变化而发生改变,边坡安全系数也会随之明显降低;在裂隙分布较密时,裂隙之间的相互作用会影响临界滑面的形成,但当间距或排距不断增大时,其影响越来越不明显;岩质边坡的安全系数会随着裂隙倾角的变化呈开口向上的抛物线规律变化,当倾角与边坡角度相近时,边坡安全系数达到最小值;当裂隙为交叉裂隙时,其对临界滑面和边坡安全系数也会产生一定影响,说明裂隙的形状也是影响边坡稳定性的一个重要因素。     

组合裂隙及其倾角对岩石力学特性及破坏特征的影响

基于颗粒流数值模拟软件(PFC),建立了含不同倾角裂隙的岩体数值模型,并对其进行单轴压缩试验,研究了不同裂隙倾角对缺陷岩体的力学特性及变形破坏模式的影响。结果表明,裂隙岩石的峰值强度和峰值应变随裂隙倾角的增加呈现出先升高后降低,然后再次升高的趋势;当裂隙倾角为60°时,岩石的峰值强度和峰值应变均最小;受不同裂隙倾角的影响,裂隙岩石起裂应力及损伤应力与完整岩石相比明显降低,其微裂隙较完整岩石更先发育,并首先在裂隙尖端产生;由于岩 石 内 部 微 裂 纹 扩 展 方 向 和 分 布 范 围 的 不 同,致使岩石发生不同形式的破坏,其破坏形式分为拉破坏和剪切破坏两种类型;裂隙缺陷的存在导致裂隙岩体的承载能力和破碎程度明显下降,其中,裂隙倾角为90°的缺陷岩石其承载能力 和 破 碎 程 度 明 显 高 于 裂 隙 倾 角 小 于 75°的 缺 陷岩石。     

单裂隙岩石力学特性的单轴加载速率效应及破裂细观机理研究

为探索加载速率及裂隙倾角复合因素对裂隙岩体强度及变形特征的影响规律,分析力学参数及破坏特征与裂隙尖端应力的对应关系,基于室内试验结果,借助PFC颗粒流平台,构建直径50mm,高度100mm的圆柱岩石模型,嵌入宽度为15mm的贯穿裂隙,开展单轴加载试验。结果表明:相同加载速率下,裂隙体模型峰值应力随着裂隙倾角的增加呈现出三次方增长趋势;相同裂隙倾角下,加载速率对裂隙体模型峰值应力有强化效应;低倾角裂隙体存在一次加速强化阶段,高倾角裂隙体存在二次加速强化阶段;裂隙体模型破坏形式随着裂隙倾角的增加呈现出"张拉-复合-剪切-张拉"的规律,其内部微裂纹数量随倾角的增大而增加;低倾角裂隙体模型裂隙尖端应力呈现出多峰值应力现象,高倾角裂隙体模型呈现出单峰值应力现象;不同半径处裂隙所对应尖端应力各不相同,其应力差值与模型破坏形式存在相关性。     

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...     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

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。     

初始裂隙倾角对岩石破坏模式及峰值强度的影响

初始裂隙倾角是影响裂隙岩体再生裂隙扩展方向和损伤断裂模式的重要因素之一,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同倾角的单裂隙岩石在单轴压缩条件下破坏过程进行数值模拟。结果表明:当裂隙倾角不大于45°时,试件呈现出拉伸和剪切的混合破坏;裂隙倾角为60°时试件以拉伸破坏为主;裂隙倾角为75°时试件以剪切破坏为主。受岩石强度、内摩擦角和压拉比的影响,初始裂隙倾角对单裂隙岩石峰值强度的影响趋势具有多变性,其影响趋势可分为三类,一是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度增加;二是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先降低再增加;三是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先增加后降低再增加。