层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明: 不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生; 节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈; 随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为 45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。     

基于声发射特性下的含骨料混凝土裂隙演化特性及其统计损伤本构研究

为探讨含骨料混凝土的损伤裂隙演化特性,基于统计损伤理论的数值模拟手段,建立了含骨料混凝土有限元模型,得到了不同工况下的裂隙扩展过程、声发射规律和峰值强度变化,同时基于声发射数值结果定义了损伤度的概念。结果表明：不同工况下的裂隙演化呈现“X”型扩展,由“翼形裂纹”与“反翼形裂纹”共同组成;“翼裂纹”萌生及扩展主要破坏模式为拉伸破坏,“反翼裂纹”的萌生是由于剪切破坏而产生,随后扩展模式为拉剪复合破坏;预制裂纹的倾角越大,骨料含量百分比越大,则试样的峰值强度也越大,但是前者对混凝土抗压强度的增幅要小于后者;定义了损伤度的概念,加载过程中混凝土的损伤变化经历4个阶段：线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段和损伤平稳发展阶段。骨料含量百分比越大,预制裂隙倾角越小,则最大损伤度越大,不同工况下的损伤度变化范围为0.85~0.94;骨料的破坏模式共分为4种,即偏转绕行、止裂、裂纹被骨料吸附和裂纹穿过骨料。本文数值模拟中偏转绕行是主要破坏模式。     

岩样单裂隙几何参数对其破坏模式与强度的影响

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。     

不同应变速率下双裂隙红砂岩力学特征试验研究

节理岩体在外力扰动下的失稳破坏往往对工程产生较大影响。为探究应变速率对节理裂隙岩体力学特征的影响,室内采用不同加载速率对含两条预制裂隙的红砂岩试样进行单轴加载试验,在此基础上利用数值分析软件进行模拟和分析,并对试验结果进行验证。试验结果表明：在不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同;随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;随着加载速率的增加,在预制裂隙两端萌生的裂隙数量逐渐增多,裂隙的扩展方向更多样,扩展的距离也更远,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展。利用FLAC3D软件数值分析得到,随着加载速率的增加,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围变大。     

非贯通节理岩体单轴压缩试验研究

对不同节理倾角、不同节理连通率的预制节理圆柱形岩体试样进行单轴压缩试验。结果表明:试样的强度、变形特性及破坏模式与节理构造形态密切相关;在不同节理连通率下,不同角度的非贯通节理试样的力学特性均表现出各向异性特征,随着节理连通率的增大,各向异性特征越来越明显,岩体峰值强度逐渐下降,岩体在弹性阶段的最大弹性模量也逐渐降低;相应地,试件的破坏模式也变得更加复杂,随着节理连通率的增大,应力-应变曲线的斜率逐渐减小,曲线出现多个峰值,且有较明显的屈服平台;非贯通节理岩体峰值强度和弹性模量随节理连通率的非线性变化规律,可分别采用二次和三次多项式函数表示,其系数与节理倾角有关;非贯通节理试样的裂纹变化特征与节理连通率、节理倾角有着密切的联系。     

单轴压缩下三维裂纹扩展机理试验与离散元分析

为了加强对三维裂纹扩展机理的认识,采用一种脆度良好的树脂材料制作含预制三维双裂隙的试样,并基于离散元理论,研究在单轴压缩条件下平行双裂隙的扩展、搭接和贯通机理,同时设置测量圆来监测在不同加载阶段模型的应力场变化。研究结果表明:预制裂隙长轴端部C1-E和C2-W萌生的翼裂纹沿垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后会保持长时间不变,直到应力达到峰值附近才继续沿着最大主应力方向扩展;在峰值应力附近时,预制裂隙端部C1-W和C2-W的花瓣状翼裂纹和反翼裂纹才相互搭接贯通形成空间卷曲面;随着轴向应力增加至峰值附近,最大主应力主要分布在远离预制裂隙的区域,而压应力却集中在预制裂隙中心区域,因此抑制了翼裂纹的进一步扩展;最大压应力和切应力随着应变增加而增加,最大拉应力却在峰值应力附近发生了跌落,说明在加载后期,裂纹扩展主要受压剪作用力控制。     

干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙非贯通试样力学特征的试验研究

以水库库岸边坡消落带节理岩体的实际赋存环境为背景,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法来模拟节理岩体,通过干湿循环试验的方法,研究了裂隙试样在酸性Na_2SO_4溶液、中性Na_2SO_4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历干湿循环作用后的力学特性和破坏特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的裂隙试样在经历不同干湿循环作用后其力学特征的变化规律。研究结果表明:自然及不同化学溶液下裂隙试样的峰值强度和弹性模量随着裂隙倾角的增加均呈现出先减小后增大的变化规律。不同化学溶液和干湿循环共同作用下裂隙试样的劣化程度逐渐加剧,其峰值强度和弹性模量随干湿循环次数的劣化规律基本一致,但不同裂隙倾角下其劣化程度却存在一定的差异,其中裂隙倾角为45°时,试样的劣化程度最大,90°和30°时居中,而60°和0°时最小。酸性化学溶液加剧了裂隙试样的干湿损伤劣化程度,而碱性化学溶液对裂隙试样却存在一定的抑制作用。完整试样和裂隙倾角为90°试样的破坏特征基本相似,为张拉破坏模式;0°时裂隙试样呈现为"H"型的张拉破坏模式;在30°和45°时其呈现出张剪混合破坏;60°时为剪切破坏。     

非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及贯通机制研究

为了解非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及其贯通机制,以非贯通裂隙软岩试样为研究对象,进行单轴压缩破坏试验,得到不同裂隙排数、倾角及贯通深度条件下非贯通裂隙软岩试样的强度特征,对破坏试样的裂纹和破坏面进行分析,得到非贯通裂隙软岩试样的裂纹类型和贯通机制。不同裂隙特征参数条件下的对比研究成果表明:不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样均以30°倾角试样强度为最低,这与贯通裂隙试样存在差异。分析不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样的强度参数,发现30°倾角试样的黏聚力最低,只有完整岩样黏聚力的43.53%;而倾角相同时,不同裂隙排数的试样强度均随裂隙贯通深度的增加而降低。受荷条件下裂隙间的多次贯通使得非贯通裂隙试样呈现出局部渐进破坏特征,扩展裂纹以次生裂纹为主,翼裂纹初期发育后逐渐停止扩展。裂隙排数对试样贯通机制起主导作用,单排裂隙基本以Ⅰ型张拉破坏为主(60°倾角试样除外),而双排裂隙则以Ⅱ型剪切破坏为主。研究成果对解决实际工程中遇到的破裂岩体强度计算问题和破坏机制问题具有参考价值。     

重复压裂下层状岩石裂网扩展规律研究

采用室内水压致裂模拟装置,研究不同层理数量、预制裂纹角度、导向裂纹等对层状岩石复杂裂网扩展规律的影响,结合断裂力学理论对致裂效果评价。结果表明,注水孔周围水平方向主裂纹沿水平应力方向扩展,其他方向主裂缝延伸扩展至弱层理面并沿层理面向前发展;含导向裂纹、预制裂纹时,水平应力方向产生对称扩展的主裂缝,其他主裂缝贯穿弱层理面向前扩展;各个方向的应变曲线表明,岩石发生破坏分为应力累计、裂纹稳定扩展、失稳破坏3个阶段;适当减小应力差更易产生与天然裂隙沟通的复杂裂网。     

含平行裂隙节理岩体的破坏规律研究

对含平行裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,并用PFC3D模型进行了模拟。通过试验和DEM结果对比分析,探讨了含平行双裂隙岩体在单轴压缩下的破坏规律。研究结果表明:在变形破坏阶段,当轴向应变达到0. 02后,应力-应变曲线出现"双峰"现象;抗压强度随预制裂隙倾角的增大呈非线性变化。预制裂隙倾角较小时(≤45°),抗压强度随裂隙倾角变化规律不明显。预制裂隙倾角在45°时,试块抗压强度最低。预制裂隙倾角较大时(≥45°),抗压强度随裂隙倾角的增大而增大;裂纹起裂区域均位于两预制裂隙中间区域。随着预制裂隙倾角的增大,萌生裂纹的端点位置从两端点均在预制裂隙中间,向一端点位于裂隙中间另一端点位于预制裂隙顶端,到两端点均位于预制裂隙顶端转变;试件不同预制裂隙倾角对应不同的岩桥倾角,岩桥倾角较大时(≥60°),岩桥倾角与抗压强度呈正相关关系。     

偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟

为研究偏置三维内裂纹在单轴应力下的裂纹扩展过程,利用三维裂纹计算软件Franc3d软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程及裂纹前缘的应力强度因子变化,计算结果表明:(1)单轴拉力作用下,预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹,随后裂纹逐渐向四周扩展,裂纹先贯穿试件左右两面,而后贯穿试件的前后面形成贯穿型裂纹.(2)三维预制内裂纹倾角α=0°、30°时,预制裂纹尖端翼裂纹扩展后期两个翼裂纹呈现相互吸引的规律,而当三维预制内裂纹倾角α=45°、60°时,翼裂纹之间则不存在相互吸引靠近的趋势,预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展要小于预制裂纹外侧尖端.(3)相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化(从相对距离0变化到相对距离1)呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势.     

含裂隙大理岩的破碎演化和能量耗散研究

岩石中裂隙分布对岩石的宏-微观力学性质和微裂纹的发育演化规律具有重要的影响。通过离散元方法(DEM),采用光滑节理模型建立不同裂隙倾角的模型进行单轴压缩试验,详细研究了大理岩在压缩过程中应力-应变特征、微裂纹发育演化过程、微观尺度上的能量耗散分配机制。结果表明:裂隙倾角与模型的应力-应变具有相关性,也影响微裂纹的发育演化过程;当裂隙倾角较小时,在达到峰值强度之前就产生了可见的拉裂纹,达到峰值强度之后拉裂纹继续增长并出现其他宏观裂缝;裂隙倾角较大时,达到峰值强度之前所产生的微裂纹大多零星分布,达到峰值强度之后微裂纹快速增加,形成多条裂缝。能量耗散研究表明:岩石的能量主要通过颗粒黏结存储于弹性势能中;在压缩过程中,弹性势能会缓慢降低并转变为摩擦耗能、阻尼耗能及破裂耗能,而破坏时4种能量占比大致相当。研究成果可为揭示裂隙岩石在压缩作用下裂纹扩展的细观力学响应机制提供参考。     

含偏置裂纹试件单轴拉伸试验数值模拟研究

为研究不同岩桥长度及不同预制裂纹倾角下单轴拉伸三维表面裂纹试件裂纹扩展及相互作用规律,利用Franc3d软件对不同裂纹倾角和不同岩桥长度进行数值模拟。结果表明,单轴拉伸作用下,三维表面裂纹试件尖端首先出现翼裂纹,最终贯穿试件的表面,内侧裂纹扩展速率小于外侧,不同岩桥长度及不同预制表面裂纹倾角试件裂纹之前裂纹存在不同程度的吸引作用;裂纹尖端内侧的扩展速率大于裂纹短轴尖端,同时也大于裂纹尖端外侧;岩桥长度越大、预制裂纹倾角越大,Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子越小,Ⅲ型应力强度因子越大。     

含裂隙类岩材料疲劳损伤过程声学特性研究

采用单轴压缩等幅疲劳试验方式,对含预设裂隙的类岩模型试样、相应加锚模型试样及完整试样进行循环荷载试验,对试样进行实时超声波速、波形、时域波幅的测量及分析。结果表明:超声波速随裂隙倾角增大而减小,裂隙倾角0°试样波速最大,裂隙倾角90°试样波速最小;纵波波速随疲劳损伤的发展呈较明显的倒S形三阶段衰减规律,锚固试样波速衰减曲线比无锚杆试样平稳;波形在疲劳损伤过程中从近似半圆形逐渐发生畸变,波形相关系数随疲劳损伤累积呈下降趋势;时域幅值变化不稳定,锚固试样的时域幅值大于相同情况下无锚杆试样。更多还原     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

孔、围压作用下断续单裂隙岩石破坏数值模拟

采用岩石破裂过程分析系统,研究了围压、孔压对含不同单裂隙分布脆性岩石的破坏影响规律,分析了岩样的裂纹扩展特征。结果表明：断续单裂隙的岩石力学性能显著低于完整岩样,但降低程度与裂隙参数密切相关,随着裂隙长度增加,岩石力学参数均呈降低趋势,而随着裂隙倾角的增加,峰值强度以及峰值应变均呈先减小后增加的趋势,且这种规律不受围压与孔压的影响;围压对岩石峰值强度有强化作用,但同等围压时,孔压对岩石峰值强度有弱化作用;裂隙长度越小或裂隙倾角越大的岩样,其裂纹扩展特征越不明显,且扩展过程受围压与孔压影响显著。研究结论对于认识具有断续节理裂隙岩体的变形破坏机理具有参考价值。     

内置单裂隙相似材料岩样破坏特性及电阻率变化特性试验研究

文章利用四极法进行了含不同倾角内置三维裂隙岩样单轴加载破坏过程中的电阻率变化测试,试验表明:预制内部三维裂隙对峰值强度和弹性模量均有劣化作用,α=0°和90°试件表现为拉伸破坏,0°α90°时,试件整体上属于拉剪破坏;此外,内置裂隙岩样的单轴峰值强度和弹性模量对裂隙倾角非常敏感,0°倾角岩样峰值强度最低,90°倾角岩样峰值强度仅次于完整试件峰值强度。轴向峰值应变受裂隙倾角的影响较大,完整岩样峰值应变较小,α=45°时轴向峰值应变最大。结合电阻率-应力-应变关系,可以看出电阻率变化与裂隙岩石破坏过程密切相关,由此对单轴压缩下裂隙岩石破坏的基本特征有了新的认识,为今后的研究提供了新的思路。     

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明：随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°～30°)、沿层面的剪切破坏(45°～75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。     

非贯通平行节理对岩石力学性质影响的颗粒流分析

为探究节理密度与节理倾角对岩石主要力学性质的影响,依据室内预制节理岩体试验生成颗粒离散元模型。模拟结果表明,岩石峰值强度与弹性模量会随着节理密度的增加呈现先减小后增加的变化趋势。随着节理密度的增加,岩体的破坏模式由以张拉破坏为主转变为以拉剪复合破坏为主,但节理倾角对岩石破坏模式的影响并不明显。