预制裂隙花岗岩的强度特征与破坏模式试验

为了探究单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式, 采用水刀切割技术预制裂隙花岗岩试件, 利用GAW2000刚性试验机对单裂隙花岗岩试样进行单轴压缩试验.试验结果表明: 与完整试样相比, 裂隙岩石试样单轴抗压强度明显降低, 降低幅度与预制裂隙和外荷载方向的夹角β密切相关, β=75°时, 强度最低, 降幅达到84.5%, 基于最大畸变能准则计算了裂隙花岗岩的峰值抗压强度与裂隙倾角的关系, 试验结果与数值解吻合; 裂隙的存在改变了岩石的破坏模式, 裂纹起裂角随裂隙倾角的增加而单调增大, 岩石试样的破坏模式由剪切破坏为主转变为张拉破坏占主导.真实裂隙岩石试样的力学性质及裂纹起裂特征更准确地揭示了单裂隙花岗岩的强度变化规律和破坏模式, 为岩土工程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据.      

基于RFPA-3D含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究

为了深入探究不同参数条件下含裂隙矿体的力学特性及破裂扩展路径、破坏模式及破裂扩展规律,借助RFPA-3D真实数值模拟仿真软件开展了3种不同长度预制裂隙及5种不同角度下的单轴压缩数值模拟试验。结果表明:(1)随着裂隙长度增大,模型试样峰值应力逐渐降低;随着裂隙倾角增大,模型试样峰值应力出现“V”字型变化规律;当裂隙倾角为60°时,模型试样峰值应力最低。(2)张拉应力是引起模型试样裂隙尖端产生起裂的主要因素,剪切应力是造成裂隙横向扩展并形成破碎区的主要原因。(3) 0°～30°模型试样以张拉劈裂破坏为主,45°～60°模型以剪切破坏为主,90°模型试样呈现出明显的剪切-张拉组合破坏。     

十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究

岩石内部微裂隙的起裂贯通破坏易引发边坡滑坡、隧道塌方和采场冒顶等工程事故,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为了探究裂隙岩石中裂隙演化规律及破坏机理,根据相似理论,采用细沙、白水泥和水按一定比例制作含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机对其进行单轴压缩试验,并基于室内试验测试结果,建立了含预制十字交叉裂隙岩石试样的PFC数值模拟模型,分析含十字交叉裂隙试样的裂纹起裂、扩展和贯通的演化规律及其失稳破坏机理。研究结果表明:含十字交叉裂隙试样的峰值强度和弹性模量低于完整试样;数值模拟结果的峰值强度、弹性模量、起裂应力和裂隙倾角的变化关系与室内试验测试结果的变化关系基本吻合,即随着裂隙倾角的增大呈现先增大后减小的倒"V"形变化趋势;裂隙倾角为0°时微裂纹起裂于主次裂隙尖端,裂隙倾角为30°时裂纹起裂于主裂隙尖端,裂隙倾角为45°和60°时裂纹起裂于次裂隙尖端;微裂纹数量随应变增加经历了静止期、增加缓慢期、中期增加期和最活跃期4个阶段,且后一阶段增长率总是高于前一阶段;裂隙倾角为0°、30°、45°和60°时试样的破坏模式均为对角剪切破坏。     

多形态裂隙砂岩水力耦合破坏过程与增透机理试验研究

水力耦合激活岩石天然裂隙,诱导裂隙扩展形成复杂裂隙网络,增加岩石渗透性是矿产地热共采体系中的关键技术。本文通过预制含单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙的砂岩试样,进行三轴水力耦合试验,研究多形态裂隙砂岩的关键阈值（闭合应力、起裂应力、损伤应力、峰值强度）、弹性模量、泊松比以及破坏模式等力学特性,同时开展裂隙渐进演化过程中声发射和渗透率的演化规律研究,进一步分析水力耦合作用下裂隙岩石增透机理。结果表明:多形态预制裂隙砂岩试样在水力耦合作用下,既有裂隙均通过拉伸、剪切或混合模式扩展形成次生裂纹,构成裂隙网络,试样渗透率显著增加。单裂隙试样的次生裂隙以剪切破坏为主,T型和Y型裂隙试样的次生裂隙为剪切破坏和张拉-剪切破坏两类。此外,多形态裂隙对试样强度的影响大于水的弱化作用。随着轴压增大,岩石渗透率峰前阶段先减小后增大,达到强度破坏时突跳增大。当试样达到峰值后应力突然下降时,渗透率达到最大值,渗透率增透效果最好。预制裂隙角度和形态的变化对突跳系数的影响幅度较小,单裂隙的平均突跳系数值大于Y型裂隙大于T型裂隙。研究结果有助于理解裂隙破坏和流体流动行为,进而指导矿产地热共采的工程。      

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性,制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件,并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹,且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式,裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著;（2）当裂隙倾角较小时,试件应力—应变曲线为多峰曲线,随着裂隙倾角的增大,曲线呈单峰形式,表现为延性减弱,脆性增强,而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同;（3）当裂隙起伏角相同时,试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律,且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。     

单轴拉伸作用下岩石裂隙起裂扩展的数值模拟

地下采矿工程开挖对天然岩石是一种卸荷行为,卸荷后的岩石容易受到拉应力作用,造成岩石内部原生裂隙的扩张贯通,从而极大影响工程岩体稳定性。为研究拉伸作用下岩石内部裂隙的萌生演化规律,采用扩展有限单元法,对含不同裂隙倾角的岩石进行了模拟研究。结果表明:拉伸应力下岩石裂隙起裂主要受Ⅰ型应力强度因子控制,裂隙倾角越大,起裂越困难,相应的起裂角也越大;裂隙扩展时的扩展角保持不变,扩展方向与最大拉应力方向保持垂直。     

含预制裂隙类岩石裂隙演化与破裂特征的试验研究

裂隙岩体是自然界中普遍存在的工程岩体,在外力作用下易引起岩体结构破坏失稳而诱发工程故事。为此,基于相似理论制作了含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机,对含有不同裂隙长度和裂隙倾角的类岩石试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化规律和破裂特征。研究结果表明:含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块;当主裂隙长度一定时,裂隙岩样的峰值应力随次裂隙长度的增大而降低;当裂隙倾角为0°和60°时,裂隙岩样表现为拉伸型翼形裂纹的破坏形式;当裂隙倾角为30°和45°时,裂隙岩样表现为拉剪混合型裂纹的破坏形式,既有翼形裂纹,又有次生共面裂纹。     

温度影响下花岗岩宏、细观力学性质演化规律

在地下工程中,温度变化对岩体力学性质有着极大的影响,而宏观力学性质与细观微裂隙发育损伤密不可分。为探究在温度循环条件下岩石细观损伤机理与宏观力学性质之间的关系,对花岗岩进行不同温度下的高温水冷循环试验,并采用低场核磁系统进行细观孔隙参数检测,同时开展了单轴抗压强度试验。结果表明：（1）温度的上升和循环次数的增加均会导致花岗岩弹性模量和单轴抗压强度力学性质的降低,400 ℃是花岗岩性质变化的临界点;（2）核磁检测可以获取试件的孔隙分布参数,由该参数及试件宏观性质变化可以得出,200~600 ℃时温度循环所引起的细观损伤规律有明显差异;（3）花岗岩损伤值随着温度的升高而升高,但温度循环引起的多次损伤随温度的升高呈现出先增加后减小的趋势。微裂隙尺度、含量与试件单轴强度、应变的相关性分别为-0.943和0.935。     

含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性

对含端部双裂隙?50 mm×50 mm的圆柱体大理岩试样进行单轴压缩试验,并利用高速摄影仪实时记录试样破坏过程,研究了端部裂隙长度和倾角对大理岩力学特性及裂纹扩展规律的影响。研究表明,当裂隙长度达到门槛值前,试样的单轴抗压强度的弱化程度较低,弹性模量、峰值应变的变化较小。相对垂直裂隙,相同长度的倾斜裂隙对大理岩的影响更加显著。试验结果与理论分析均表明,裂纹一般不从端部垂直裂隙尖端起裂,试样的起裂裂纹大多发展为主裂纹,扩展过程中较少产生分支与分叉,试样表面会产生局部剥落,倾斜裂隙试样宏观上呈剪切或拉剪复合破坏,垂直裂隙试样呈劈裂拉伸破坏。试样能耗参数与单轴抗压强度的变化趋势一致,试样总应变能和其单轴抗压强度有较好的正相关关系。最后,比较了动、静载荷作用下含端部裂隙大理岩力学响应与裂纹扩展过程的差异。      

基于DIC的含3D打印起伏节理试样破裂特性及损伤本构

受地质构造的影响,岩体工程中经常赋存起伏结构面(如扭转皱褶),由于形态复杂,目前起伏节理岩体的破裂及损伤本构研究仍不充分. 采用3D打印技术制作不同倾角的起伏节理模型,通过单轴压缩试验和数字图像相关技术(DIC)对起伏节理试样的力学及破裂特性进行研究,并基于断裂力学原理,首次提出采用DIC位移场求解节理尖端应力强度因子(SIF:一型SIF,K_I;二型SIF,K_II)进而探究损伤本构特性的思路. 结果表明:通过分析最小强度确定了起伏节理对试样的损伤上限为46.6%,起伏节理试样单轴强度对倾角的敏感性大于平直节理试样;起裂发生在峰值应力附近,破裂过程可分为破裂路径上微裂隙的产生和同步贯通,破裂模式表现为多条裂隙张剪组合模式;峰前SIF随荷载增加而增加,峰后同一荷载下K_II>K_I,节理左右两端均匀以剪切裂隙形式扩展;起伏节理对试样的损伤与倾角呈正弦关系,节理和荷载对试样的总损伤与应变均大致呈“S”型曲线.      

基于声发射的倾斜软硬互层岩石破坏特性研究

为研究深部矿井中常见的软硬互层岩石的破坏特性,结合声发射技术对红砂岩和混凝土组合的软硬互层岩石试样进行了单轴压缩试验。对单轴压缩试验现象和数据进行分析,对试样的破坏模式进行了分类,给出了软硬互层岩石峰值抗压强度随软层倾角变化的N型曲线。对声发射数据进行分析,结果表明：（1）软层倾角大小对软硬互层岩石的稳定性有显著影响;（2）软硬互层岩石软层倾角增大时,更容易诱导裂纹密集生成从而导致失稳破坏;（3）软硬互层岩石发生失稳扩展的频次随着倾角的增加呈现先增加后减少再增加的规律;（4）随着倾角的增大,剪切裂纹占比呈现先增加后降低再增加的规律。     

N型组合节理类岩体单轴压缩破坏试验

针对实际工程中平行与交叉裂隙组合呈N字形裂隙岩体的稳定性问题,以N型组合节理为研究对象,开展了N型节理类岩体试件超声波检测试验和单轴静载试验,结合断裂力学理论,分析其强度特征、破坏特征和超声波波速衰减规律。结果表明：（1）N型组合节理类岩体的裂纹类型依次有翼型裂纹和次生倾斜裂纹,其扩展路径最终均趋向于主应力方向,不同于单节理下的裂纹发展规律;（2）当主节理倾角一定时,主次节理夹角和节理条数对试件的物理性能有一定的影响。各组合节理试件的波速衰减率范围在0.9%～9.6%之间,且15°和90°夹角节理试件的波速衰减最快,而60°夹角节理试件的衰减最慢;（3）组合节理类岩体的本构关系、峰值强度和破坏特征均表现出非线性特征。峰值强度分布规律基本服从M型分布,不同于单节理下的U型分布,其中15°、30°、45°、75°和90°夹角试件,以及完整试件呈准脆性破坏,其他夹角试件呈脆性破坏。     

含预制缺陷类岩体模型破断试验与分析

为了探究内部缺陷形状由裂隙至圆孔的变化对类岩体脆性材料破断模式与特征的影响,构建了含缺陷的单轴压缩力学模型,并利用水泥砂浆材料制作类岩体试样,系统地研究了缺陷形状由裂隙至圆孔变化过程中含缺陷试件的强度变化特征和裂纹演化扩展机制。结果表明:当荷载方向与缺陷长轴垂直时,缺陷周边应力集中在长短轴端点处且与缺陷无关;缺陷对试样峰值强度影响较为明显,在缺陷形状由裂隙向圆孔变化的过程,峰值强度降低幅度逐渐增大;缺陷变化对试样的裂纹起裂与裂纹扩展的影响不显著;缺陷试样的最终破坏模式可划分为剪切破坏和拉-剪混合破坏,当m值大于0.60时破坏模式为剪切破坏,当m值小于0.33时破坏模式为拉-剪混合破坏。     

Numerical Studies on Bit-Rock Fragmentation Mechanisms

The rock fragmentation process induced by a single button-bit, two neighboring button-bits, and multiple button-bits are numerically studied using the rock and tool interaction code (R-T2D). Through this study, a better understanding of the bit-rock fragmentation mechanisms is gained. It is found that side crack is initiated from the crushed zone or bifurcated from Hertzian crack to propagate approximately parallel to the free rock surface but in a curvilinear path driven by the tensile stress associated with the expansion of the crushed zone during the loading process. In the crushed zone, the mechanism of side crack is mixed tensile and shear failure, but outside the crushed zone, the dominant mechanism of side crack is tensile failure. A semiempirical and semitheoretical relationship among the side crack length, the drilled rock property, and the drilling force is formulated to approximately predict the side crack length. In the simultaneous loading, the interaction and coalescence of side cracks induced by the neighboring button-bits with an optimum line spacing enable formation of largest rock chips, control of the direction of subsurface cracks and a minimum total specific energy consumption. A formula is derived to determine the optimum line spacing on the basis of the drilled rock properties, the diameter and shape of the button-bit, and the drilling conditions. In the rock fragmentation by multiple button-bits, most of the rock between the neighboring button-bits is chipped as a result of the coalescence of side cracks. In the remaining rock, the intensely crushed zones and significant extensional cracks are observed adjacent to the sidewall and the inside of the borehole. Fragment side distribution shows more than 80% of the fragments are fines in the crushed zones as well as the cracked zones, the large fragments be indeed observed, which are the big chips caused by the coalescence of side cracks.