不同加载方式下含预制裂隙岩石力学特性及破坏规律试验研究

为探究不同加载方式下含裂隙岩石的力学特性和破坏规律,加工制备了5组裂隙角度的圆柱形花岗岩试样,采用万能材料试验机和改进的SHPB装置,分别进行了静态单轴压缩试验、常规冲击试验和动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录分析了试样的变形破裂过程.试验结果表明,各加载方式下含裂隙试样的强度、峰值应变和...     

不同加载速率下含交叉裂隙类岩石力学特性研究

对含交叉裂隙类岩石试件开展不同加载速率的单轴压 缩试验,研究并分析加载速率对试件力学特性的影响机理,并借助声发射系统分析了其破坏过程.结果表明,试件的峰 值应力强度与加载速率呈现正相关性,峰值应力变化幅度随 着加载速率的增大表现出先增大后降低的倒“V”形变化;在 达到应力峰值前会存在０．１５~４．８min的振铃计数平静期,平静期随加载速率增加逐渐减小,声发射活跃区间由６０min压缩至１２min;试件在低加载速率(δ≤０．２mm/min)时,声 发射振铃计数呈现高频高幅的特点,在高加载速率(δ＞０．２ mm/min)时,声发射振铃计数则表现出低频高幅的特点;试件 破坏模式为拉 剪混合型破坏,试件处于低加载速率时,以拉 伸裂纹破坏为主,在高加载速率时,以剪切裂纹破坏为主.     

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.     

不同加载速率对预制裂隙类岩石材料的力学特性影响及声发射分析

为研究不同加载速率对预制裂隙类岩石的单轴压缩破坏及裂纹扩展特性的影响,通过预制不同裂隙倾角的类岩石体,进行单轴压缩试验和声发射试验.结果表明:预制裂隙类岩石在加载过程中先以拉张裂缝为主,后逐渐过渡至剪切裂缝,最终表现形式为剪切破坏.在相同裂隙倾角的情况下,试件峰值强度、弹性模量与加载速率呈现正相关关系;相同加载速率下裂纹倾角从0°变化到60°,试件表征峰值强度总体上呈先减小后增加趋势,当α＝30°时,峰值强度最低.声发射计数特征与应力 应变曲线相结合,能够较为直观准确地反映出在加载过程中预制裂隙类岩石试件的破坏过程,声发射计数的变化能够与应力 应变曲线的变化一一对应,尤其是峰后阶段,声发射计数特征能够较直观地反映出试件在峰后阶段所发生的破坏尺度更大,即试件最终破坏将发生在峰后阶段.     

裂隙几何特征对岩体力学特性的模拟试验研究北大核心

为探究裂隙结构面对岩体力学特性的影响,对含预制裂隙岩样进行压缩模拟试验,基于SEM、NMR、Vic-3D技术,结合声学及宏细观结构特征对岩体进行多尺度研究,重点分析裂隙几何特征对岩体力学性状与行为的演变规律。结果表明:岩样强度随裂隙长度、贯穿度及数量的增加呈现下降趋势,随裂隙倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,30 mm裂隙岩样强度最低,90°裂隙岩样强度最为接近完整岩样;完整岩样、0°、90°裂隙岩样发生张拉破坏,不同裂隙贯穿度岩样发生拉剪复合型破坏,不同裂隙长度、数量、30°、45°及60°裂隙岩样均表现为剪切破坏。岩样受荷后微小孔隙比重降低,大中孔隙比重增大,表明预制裂隙造成的初始损伤和荷载作用均能改变岩样内部孔隙结构,进而影响其宏观力学特性。     

不同加载条件下原煤力学渗流特性试验研究

以潞安集团常村煤矿煤样为研究对象,利用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置研究不同加载条件下原煤的力学渗流特性。结果表明,三轴压缩煤样的极限抗压强度和弹性模量均大于单轴条件下的相应值;随着围压的不断增大,煤样抗压强度和弹性模量也会增大,且弹性模量呈现很好的线性;循环加卸载轴压应力-应变曲线在一定程度上受制于常规三轴压缩试验相应曲线,峰值强度降低;煤岩应力-体应变曲线,在低围压试验下表现出扩容机制;在高围压条件下,从峰前至峰后,煤样体积始终呈压缩状态。三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗透率与轴向应变呈斜"V"字型走势;循环加卸载轴压试验,随着加卸载次数的增加,煤样渗透率整体降低,但降低梯度减小。     

考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷,为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式,基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数,采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明:1)单轴压缩条件下,根据裂纹分布规律的不同,提出了3种破裂形态,分别为"X破裂形态"(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、"完全破裂形态"(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、"中间形态"(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界;2)试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关,随倾角增加呈现先减后增的"对勾"形趋势;3)侧压力增加,试样峰值强度呈对数形式增长,45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高;4)双轴压缩对比单轴压缩,新生裂纹数量显著减少,细长裂纹转变成片状破碎区域。     

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...     

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。     

拉剪应力作用下单裂隙砂岩裂纹扩展规律试验研究

地下矿山采空区顶板等地下工程岩体常面临拉剪破坏灾害,而目前对拉剪应力状态下裂隙 岩体的破坏机制认识不深。 为了探究裂隙岩体拉剪破坏规律,利用自主研制的拉剪辅助装置开展 了单裂隙砂岩试样在法向拉应力条件下的直接剪切试验。 结果表明:裂隙与水平剪切方向的夹 角(逆时针方向,简称“裂隙角”)对拉剪强度及裂纹扩展形态有明显影响。 随裂隙角从 0°~180°变 化,强度总体上先增大后减小,最大值出现在裂隙角为90°~120°。 当裂隙角为锐角时容易发育从 试样边缘开始的次生裂纹与裂隙端部发育的主裂纹形成成核破坏,而当裂隙角为钝角时仅从裂隙 端部发育裂纹,裂纹路径相对较水平。 随裂隙角从0°~180°变化,起裂方向角先减小后增大,当裂 隙角为 30°时最小。 随着法向拉应力增大,裂纹较水平,起裂方向角总体上呈增大趋势。 试样破坏 以翼裂纹的拉伸破坏为主,当裂隙较陡时裂纹可从裂隙内部起裂扩展,这与压剪情况下试样破坏以 剪切破坏或张拉-剪切混合破坏为主,当裂隙角为钝角时可出现反翼裂纹相比具有明显差异。 通 过 DIC(数字图像相关)观测,分析了应变演化和位移场特征。 随着剪应力的施加,预制裂隙处应变 集中区域逐渐从中部向裂隙两端延展,裂纹沿着应力集中区域的内边缘起裂扩展。 预制裂隙受到 的应力状态与裂隙角有较大关系。 裂隙角为 90°以下时,随着裂隙角增大,预制裂隙从受拉至拉剪 再到剪切变化,裂隙角为 90°以上时仅受拉剪;而不同裂隙角时扩展裂纹的力学属性均以张拉为 主。 研究揭示了拉剪应力状态下裂隙岩体裂纹扩展特有的规律,可为地下岩体工程开挖稳定性评 价提供理论参考。     

含预制双裂隙砂岩亚失稳阶段力学特性及裂纹演化规律试验研究

为研究岩桥长度对预制双裂隙砂岩亚失稳阶段的影响,开展含预制双裂隙砂岩单轴压缩试验,并利用数字图像技术(DIC)实时监测试样表面位移,分析不同砂岩试样在亚失稳阶段下的力学特性及表面裂纹扩展特征。结果表明：相比完整岩体,裂隙砂岩会出现应力降现象, 在首次应力降后进入亚失稳阶段;随岩桥长度的增加,亚失稳阶段的持续时间与试样破坏全周期时间比逐渐减小,亚失稳阶段的应力变化与峰值应力比也逐渐减小,次生裂隙部位崩解且崩解面积逐渐增大。     

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。     

纵向裂隙对砂岩力学特性影响试验研究

将西部矿区高水平应力岩层巷道顶板受力特征简化为含纵向裂隙的岩石单轴压缩问题,选取砂岩材料为试验对象,并对其强度、变形及破坏形态进行试验研究。试验结果表明:纵向裂隙砂岩随着裂隙长度的增大,峰值强度和峰值应变先逐渐减小后又有所增大,裂隙长度为42 mm时达到最小值;砂岩试样沿预制裂隙尖端发生纵向劈裂,但非均质性对主要次生裂纹的数目和扩展路径具有很大的影响。与无充填相比,石膏充填对裂隙砂岩强度的提升并不明显,而高强水泥具有较好的加固效果,与无充填相比峰值强度平均值增大22.27%。研究成果对西部矿区的岩石力学和围岩稳定性控制理论的发展具有积极意义。     

煤岩重复加载力学特性试验研究

利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对运河煤矿煤岩试件在重复加载作用下的特性进行研究。研究结果表明,在重复加载作用下,煤岩强度极限较常规单轴压缩强度极限降低约23.65%;二次加载时弹性模量较初次加载时弹性模量增大约21.08%。由于煤岩含有大量原生损伤裂隙并且强度较低,在重复加载过程中,煤岩内部原生裂隙和新生裂隙的闭合与张开以及不可恢复的宏观裂纹的产生为煤岩弹性模量的增大、强度极限的降低给予较为合理的解释。在重复加载作用下,有超过1/3的能量以内部裂隙的闭合,材料的屈服、破坏、损伤、断裂以及裂隙面的滑移摩擦等形式消耗掉。煤岩的破坏过程经历了从压密、应变硬化到软化的变化过程。     

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。     

变加载速率条件下砂岩力学及能量特性研究

通过开展不同加载速率下对砂岩试样的单轴压缩试验,分析了砂岩在变加载速率下的力学和能量特性。测试结果表明,砂岩的峰值强度和弹性模量随加载速率的增大呈指数函数增加。分析了砂岩在不同变形阶段的能量吸收、储存和耗散特性。在变加载速率下,砂岩的能量和轴向压缩曲线呈现类似的变化特征。砂岩在峰值前吸收总能量的70%以上可释放弹性特性的形式积累,而总能量不到30%在新微裂纹的压实、滑动和塑性阶段被各种内部缺陷消散,拟合试样峰前吸收总能量、可释放弹性能与加载速率呈线性增长关系。得到了U_e/U、U_d/U和应力比和轴向应变的关系曲线,并将其划分为3个变化阶段：原生裂隙压密闭合阶段(σ₁/σ_max<0.25)、砂岩不断吸收能量阶段(0.25<σ₁/σ_max<0.8)和能量耗散阶段(σ₁/σ_max>0.8)。加载速率越大,损伤应力和U_e/U也越大,而U_d/U越小。     

DIC在相似材料模型中的裂隙检测

为定量描述上覆岩层中裂隙的产生及发育,利用数字图像相关技术( DIC )在相似材料模型中进行了裂隙检测。通过定量研究散斑图案质量及DIC计算参数对检测效果的影响,针对模型局部非均匀变形,提出了子区大小选择的双参数阈值法,确定了裂隙检测所用的子区大小,并合理选择子区间距。然后使用数码相机采集1 200 mm×1 000 mm×50 mm( 长×高×宽 )的二维平面相似材料模型表面的散斑场,获取模型目标图像的应变场和位移场,得出了裂隙产生的位置、张开度和长度等定量特征,并与全站仪同步量测数据进行对照。试验表明,采用子区边长40像素和子区间距10像素的测试参数,得出了该模型3条裂隙的存在及其发育信息,验证了双参数阈值法的可靠性;随着裂隙的逐渐发育,应变局部化带由模糊到清晰,应变曲线分布特征由单峰到双峰,位移曲线逐渐呈阶梯状分布,可从应变场局部化带长度快速估计裂隙发育长度;DIC测量结果与全站仪测量结果的最大相对误差为7.73%。DIC测量系统既能有效地检测裂隙,又能达到较高测量精度。研究结果为进一步应用DIC研究相似材料模型变形提供了试验基础。     

静载荷下三维裂隙动态扩展力学特性研究

为了研究静载荷作用下三维裂隙扩展动力学特性,文章基于ABAQUS软件的XFEM,建立考虑静载荷的三维裂隙试样数值模型,研究三维裂隙前缘的应力强度因子变化和三维裂隙动态扩展模式。结果表明：不同静载荷下,三维裂隙的Ⅱ型动态应力强度因子K_Ⅱ随着椭圆极角ψ的增大而单调增大,Ⅲ型动态应力强度因子K_Ⅲ则随着椭圆极角ψ的增大而单调减小。不同静载荷预制裂隙面长轴端部（ψ=0°）初始破裂面的K_Ⅱ为0,K_Ⅲ为正值,说明该破裂面仅发生扭转而未发生弯折;在预制裂隙面短轴端部（ψ=90°）初始破裂面的K_Ⅱ为正值,K_Ⅲ为0,说明该破裂面仅发生弯折而未发生扭转。通过不同工况下的XFEM模拟,得到在受到冲击作用下三维裂隙短轴端部附近出现上下对称的包裹型翼裂纹,且翼裂纹的扩展长度十分有限。同时发现,在受到冲击作用下,三维裂隙短轴端部的起裂存在时间差,靠近冲击作用的短轴端部附近最先出现应力集中而开始起裂。     

基于VIC-3D的含充填裂隙岩石破坏实验研究

为了探究含不同固结时间料浆的裂隙岩石在破坏过程中的差异性,基于数字图像相关方法,对料浆固结时间分别为7,14,28d的裂隙花岗岩进行单轴压缩实验,系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹扩展、贯通规律。研究表明,在裂隙岩石的裂纹扩展过程中,前期均以裂隙尖端形成的翼裂纹主导破坏,后期存在着不同。当固结时间为7d时,裂隙岩石以翼裂纹与次翼裂纹主导破坏;当固结时间为14d时,裂隙岩石则以次翼裂纹主导破坏;当固结时间为28d时,裂隙岩石以翼裂纹、预制裂隙中部的拉裂纹主导破坏。相关成果对地下采矿工程中的裂隙岩体稳定性研究具有一定的参考价值。