预制共轭X型裂纹岩样单轴压缩渐进破坏过程数值模拟研究

为了探明预制共轭X型裂纹岩样在单轴压缩过程中的渐进损伤破坏过程的力学响应,研究采用基于有限单元法开发的RFPA软件进行数值模拟,得出的主要结论为:含共轭X型裂纹岩样所加载出的应力-应变曲线与完整岩样所加载出的曲线在形态十分相似,但是由于一对共轭X型裂纹的存在,岩样的单轴抗压强度大大降低;加载初期,裂纹的扩展率先发生于X型预制裂纹尖端,随着荷载的增大,裂纹逐渐扩展为宏观裂纹;从加载过程中声发射的能量特征和数量特征来看,声发射活动在加载过程中呈现平静-活跃-平静的变化状态。     

含孔多裂隙岩石力学特性与破裂分形维数相关性研究

为研究含孔多裂隙岩石破裂及分形特征,制备含孔多裂隙岩石试件并对其进行单轴压缩试验,运用RFPA2D软件数值研究破裂过程,构建悬臂梁和结构面力学模型解释拉伸裂纹的形成机制以及裂隙倾角对试件抗压强度的影响效应。此外,引入盒维数法计算分形维数,以此定量表征最终破坏后的物理、数值模型试件裂纹的几何分布特征及其与破裂特性的相关性。研究结果表明:(1)试件破坏模式可划分为穿切裂隙剪切破坏(I型)和沿裂隙剪切破坏(II型)2类,试验与数值模拟结果吻合;(2)孔洞两侧的岩桥可简化为悬臂梁模型,由于非几何对称部位作用的弯矩较大,导致孔洞周边出现较多的拉伸裂纹;(3)预制多裂隙显著弱化了试件的抗压强度,随着裂隙倾角的增大,抗压强度呈先减小后增大的趋势,弱化系数W的变化规律与之相反,与结构面力学模型的解释一致;(4)最终破坏后的含孔多裂隙岩石新生裂纹几何分布的分形维数D与破坏特性密切相关;相比于II型破坏,发生I型破坏的试件抗压强度更大,受力过程中出现的宏观裂纹更多且扩展更充分,导致分形维数更大,数据拟合进一步证明抗压强度与分形维数近似服从正相关关系。     

预制裂隙透明岩样的破裂特性研究

研制了一种新型不饱和透明树脂材料,研究了在单轴压缩条件下单裂隙的扩展和贯通规律,并采用真实破裂过程分析系统(RFPA3D)对含不同倾角的裂隙岩石试样在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程进行了数值模拟,得出了一些有意义的结论。     

预制雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程的数值模拟研究

本文采用真实破坏过程分析软件(RFPA)针对预制两条雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程进行了数值模拟,分析结果表明:(1)最大剪应力主要集中在试件与加载板接触位置及雁型裂纹尖端位置附近,岩石的宏观裂纹亦是从该区域开始并不断贯通的,雁型裂纹对岩石试件的宏观破裂起到了引导作用。(2)岩石试件在加载过程中声发射的位置与最大剪应力出现的位置大体上是一致的。加载初期和加载末期声发射事件个数和所释放的能量均较小,而加载中期声发射事件个数较多且能量释放相对较大,预制雁型裂纹的岩石巴西盘在受荷过程中期胶结物发生断裂最为集中。     

含多裂隙岩体裂隙扩展与贯通的室内试验研究

采用石膏配制类岩石材料,制作了含五裂隙的中尺寸试件进行室内单轴压缩试验。采用PMLAB DIC-3D系统进行试验过程的图像采集和试验后的数据分析,对最终裂隙扩展形式、裂隙宽度及起裂应力等方面开展研究,探讨了含多裂隙岩体在单轴加载条件下预制裂隙扩展和贯通规律。结果表明:所有试件在破坏时均产生主裂隙;预制裂隙的存在对新生裂隙的生成条件、宽度以及分布有很大的影响;虽然新生裂隙产生的先后次序规律并不明显,但是开裂荷载与对应峰值荷载的比值随着预制裂隙角度的增加而呈现出先增大后减小的趋势。     

岩石类材料裂纹扩展贯通的颗粒流模拟

采用颗粒流软件PFC2D实现含有不同岩桥倾角的预制双裂纹材料在单轴压缩作用下裂纹扩展贯通过程,并利用函数模块追踪裂纹扩展过程和微裂纹数量。数值结果表明:在单轴压缩作用下随着岩桥倾角增大,岩桥区域裂纹贯通模式由张拉型(≤68°)逐渐演化为拉剪复合型(=90°和113°)和剪切型(=135°);试件峰值强度逐渐降低;并认为宏观的次生剪切带主要由张拉型微裂纹和少量剪切型微裂纹组成。利用室内模型试验对数值结果进行验证,结果表明颗粒流程序能够很好地模拟裂纹贯通过程。     

单轴压缩条件下含瓦斯煤样力学性质研究

为了研究瓦斯压力对煤样力学性质的影响,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,设计不同瓦斯压力下煤样单轴压缩试验,并采用岩石破裂与失稳分析系统(rock fracture process analysis,RFPA)2D软件通过设置不同渗透参数,实现不同瓦斯压力煤样单轴压缩条件下受载破坏模拟试验。结果显示:1)室内试验发现,随着瓦斯压力的增加,煤样的抗压强度与弹性模量均呈降低趋势,瓦斯压力由0 MPa增加到2 MPa,煤样的抗压强度和弹性模量分别降低58.78%和49.03%;2)煤样的破坏是由微裂隙的发育、发展直至贯通形成宏观裂隙导致的;3)随着不同瓦斯瓦力的增加,模拟试样的峰值强度和弹性模量都呈现降低的趋势,模拟结果与试验结果表现的规律一致。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟

利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟 ,基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明 :分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大 ,岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟 ,试样强度随着围压的增加而增加 ,其宏观破坏符合Mohr -Coulomb破坏准则。     

单轴压缩下岩石尺寸效应声发射特性数值模拟

采用RFPA2D软件对6组不同高径比的岩石试样进行单轴压缩下的数值模拟,研究了尺寸效应对岩石强度及其破坏过程中声发射特性的影响,指出岩石的破坏过程大致可以分为五个阶段。     

含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制研究

节理弱面是造成岩体力学性能弱化的主要因素,而充填物质的非均质性将显著影响节理岩体的剪切力学特性。考虑压剪应力作用下贯通性节理充填物中沿节理方向裂隙对节理岩体断裂特性的影响,制取含不同长度初始裂隙的充填砂浆节理岩体试样,在单轴压缩作用下研究含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制及初始裂隙尺寸对节理岩体破裂模式和断裂能的影响规律。试验结果表明:(1)单轴压缩作用下,充填节理岩体的失稳过程分为断裂和摩擦两阶段,前者为节理内裂隙的起裂、扩展到贯通过程,峰值强度后承载力迅速降低,之后因宏观破裂面的压剪摩擦作用而出现强化现象,直至剪应力达到其抗剪强度而失稳破坏;(2)随着充填体内初始裂隙长度增大,试样峰值荷载线性减小,峰值脆性断裂特征更加明显;(3)无初始裂隙节理试样破裂过程中裂隙在节理内分布均匀,而含初始裂隙试样断裂从裂隙尖端开始,向充填体和花岗岩块体黏接面扩展贯通,充填体内裂隙集中而密度较低;(4)采用节理韧带体积Vjc改进断裂能计算公式,计算充填节理岩体压剪断裂能Gf-V;基于充填节理的断裂机制,提出局部断裂能gf-V沿韧带双线性分布的前边界效应模型,解释了平均断裂能Gf-V随初始裂隙长度增大而减小的原因,试验结果验证了模型的正确性。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

复杂应力条件下裂隙网络扩展机制试验研究

裂隙岩体是工程最普遍的施工对象之一,工程扰动下裂隙的萌生、扩展和贯通均对岩体变形及强度特性产生显著影响。利用RMT–150C试验机及侧向加压设备,对含不同形式预制裂隙类岩石试样开展单轴及双轴压缩试验。结合不同加载条件下岩体裂隙扩展路径、破坏模式及声发射能量特征分析,并根据声发射定位事件特征,研究岩体裂隙网络在复杂应力条件下的扩展机制。分析结果表明:(1)侧向压力作用下,应力–应变曲线延性逐渐增强;(2)新生裂隙均自初始裂隙尖端产生并扩展,且侧压使得裂隙扩展路径会发生明显偏转;(3)声发射事件空间定位与宏观裂隙扩展过程具有较好的对应关系;(4)典型试样裂隙扩展前声发射定位事件占总定位事件比值均在80%以上,表明宏观裂隙扩展源自微裂隙的损伤累积。研究成果对于更加真实地分析模拟工程岩体失稳过程具有重要指导意义。     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。     

岩石结构面尺寸效应的数值仿真研究

从岩石结构面尺寸对岩石强度变化与破坏模式的研究出发,为了全面地研究其影响性,建立了不同裂隙倾角下不同尺度大小的颗粒流数值模型,进行单轴压缩数值试验。结果表明:随着裂隙尺度的增大,岩石的抗压强度有所降低,起裂和达到峰值强度所需的应变更小;随着裂隙夹角的增大,岩石的抗压强度有所增加,但其随尺度变化的敏感度有所降低,同时裂隙尺度对起裂点的影响也越来越小;在本文预制裂隙张开度,单轴压缩作用下,达到岩石峰值强度时裂纹贯通模式受裂隙倾角影响较大。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

3D打印裂隙岩体动态力学性能及能量耗散规律初探

地下岩体结构经常遭受到地震、爆炸、冲击振动等产生的动力扰动，利用3D打印技术的优势研究冲击荷载下岩体动态力学性能对实现3D打印技术在工程领域的应用具有重要意义。采用φ50 mm的变截面霍普金森压杆(SHPB)装置，对含预制裂隙的3D打印岩体试样进行动态单轴压缩试验。研究结果表明：试样的动态抗压强度随着预制裂隙倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，当预制裂隙倾角为30°时试样强度最小，当预制裂隙倾角为90°时试样强度最大。与3D打印岩体试样的静态单轴压缩强度对比发现，3D打印砂性材料具有明显的率效应，当应变率为139.65 s^-1时，3D打印岩体试样的动态抗压强度是静态抗压强度的4.34倍。预制裂隙缺陷在一定程度上加剧了试样的能量耗散和破碎过程，并且30°倾角预制裂隙对试样能量耗散和破碎结果的影响程度最大。同时，3D打印岩体试样的能量耗散过程与破碎块度表现出明显的自相关性，所用的3D打印砂性材料的宏观破碎结果与能量耗散之间的关系与天然岩石材料有一定相似性，为今后3D打印材料模拟天然岩体应用于动态力学试验的可行性奠定了基础。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

含尖端相交裂隙岩石的破裂特征

依据相似理论选取与白砂岩性质相似的模拟材料,制作含尖端相交裂隙试样并进行单轴压缩试验,分析2条相交裂隙夹角α和α角的角平分线与水平方向的夹角β对白砂岩破坏模式、力学特性的影响。采用离散元软件PFC~(3D)对试样进行建模,模拟试样在单轴压缩下裂纹的扩展,得到了单轴压缩作用下试样的裂纹扩展特征和起裂应力变化规律。结果表明:1)随着α角的增大,试样峰值强度逐渐降低,预制裂隙内尖端裂纹发育水平逐渐提高;2)随着β角的增大,试样峰值强度逐渐提高,预制裂隙内尖端的裂纹发育水平逐渐降低;3)物理试验与数值模拟结果吻合较好,α角对起裂应力影响较大,随着α角的增大,起裂应力逐渐减小,起裂应力的大小几乎不受β角影响。     

非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。