基于离散元方法的粗糙性节理岩体直剪力学及尺寸效应特性

天然岩体中存在多组随机结构面,同时结构面几何上存在粗糙特性,基于这两种特性,建立了一种粗糙离散节理网络(Rough Discrete Fractures Network)RDFN模型,并基于颗粒流PFC2D开展了RDFN模型直剪条件下力学特性研究,与直线型DFN模型进行了对比。结果表明:节理几何粗糙特性对裂隙岩体的抗剪特性影响显著。相同加载条件下,考虑粗糙性后RDFN模型的抗剪强度、剪切模量均较DFN模型显著增高;DFN模型中微裂纹沿节理方向贯通,局部存在少量的基岩破坏,RDFN模型破坏模式相对复杂,沿剪切方向基岩单元破坏显著;随着样本尺寸的增大,节理模型的抗剪强度、剪切模量总体上均呈现降低趋势;尺寸效应分析结果表明抗剪指标均在尺寸达到4.0 m后趋于稳定。     

预制非贯通单组裂隙岩石模型力学参数试验研究

开展裂隙岩体破坏的力学特性的研究始终是岩体力学研究领域的重要课题,预制裂隙岩石模型是了解和掌握岩石破坏机理的一条重要途径,本文预置裂隙的水泥砂浆试块模拟节理发育的裂隙岩石,通过单轴压缩试验与剪切试验研究节理影响下的岩石力学参数的变化,并演示了裂隙的扩展贯通过程。结果表明:1)岩体内部节理面的张开扩展延伸直至贯通从而引起非贯通节理岩体的破坏。2)岩石模型的单轴抗压强度随着节理角度的增加逐渐下落,在节理角度达到45°时,试块的单轴抗压强度出现最小值,随后开始反向增大。3)岩石模型单轴抗压强度与节理贯通率的关系满足一定的关系式,单轴抗压强度随着节理贯通率的增大而不断降低。4)随着法向应力的增加,裂隙岩石模型的峰值剪应力也相应线性增大,当节理面存在充填物时会一定程度上提高裂隙岩石的强度。这为裂隙岩石的破坏机理提供了重要的参考依据。     

预制非贯通单组裂隙岩石模型力学参数的实验研究

开展裂隙岩体破坏的力学特性的研究始终是岩体力学研究领域的重要课题,预制裂隙岩石模型是了解和掌握岩石破坏机理的一条重要途径,本文预置裂隙的水泥砂浆试块模拟节理发育的裂隙岩石,通过单轴压缩试验与剪切试验研究节理影响下的岩石力学参数的变化,并演示了裂隙的扩展贯通过程。研究表明：(1)岩体内部节理面的张开扩展延伸直至贯通从而引起非贯通节理岩体的破坏。(2)岩石模型的单轴抗压强度随着节理角度的增加逐渐下落,在节理角度达到45°时,试块的单轴抗压强度出现最小值,随后开始反向增大。(3)岩石模型单轴抗压强度与节理贯通率的关系满足一定的关系式,单轴抗压强度随着节理贯通率的增大而不断降低。(4)随着法向应力的增加,裂隙岩石模型的峰值剪应力也相应线性增大,当节理面存在充填物时会一定程度上会提高裂隙岩石的强度。这为裂隙岩石的破坏机理提供了重要的参考依据。     

基于3D打印和数字散斑技术的节理岩体锚固效应分析

为研究锚杆对节理岩体的锚固力学效应,基于3D打印技术制作了以矿用锚杆为原型的缩尺锚杆和含预制节理面的制样模具,进而制备了2组不同角度的节理锚固试样,并采用数字散斑(DIC)方法监测了试样在单轴压缩试验过程中表面位移及应变场的变化,对比分析了不同节理角度锚固岩体的变形与强度特性和锚固力学效应.试验结果表明:节理角度对岩体...     

砂型3D打印类煤试样动静组合加载力学特性

深部煤矿巷道围岩软弱、裂隙发育,动载影响下易引发动力灾害,其中软岩及节理岩体动力学试验研究是解决上述问题的关键。3D打印技术因其能突破浇筑法在制作复杂节理试样上的局限,被广泛应用于岩石力学试验研究,而应用该技术的关键是所制类煤试样的静态和动态力学特性与天然岩石相似。基于砂型3D打印试样,通过开展单轴压缩、巴西劈裂等力学试验,揭示了砂型3D打印试样与煤样弹塑性力学特性的相似性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置开展不同动静组合加载试验,采用宏观破碎块度和细观电镜扫描综合分析等手段,对不同动静组合荷载下砂型3D打印试样的动力响应与破坏特征进行研究。结果表明：砂型3D打印试样的动态强度和组合强度与冲击气压的增大呈正相关关系,动态强度与轴压的增大呈负相关关系,组合强度随轴压的增大呈先增大后减小的变化,这说明岩石抵抗动载的能力随轴压的增大呈先增强后减弱的变化;随着静、动荷载水平的提高,试样的破碎块度逐渐细粒化,其中动载对试样破碎程度的影响最显著。揭示了砂型3D打印试样的动力学特性并验证了其应用于煤岩动力学试验的可行性,为采用砂型3D打印技术开展岩石动力学试验提供了重要基础,研究结果有助于进一...     

非贯通节理类岩石试件单轴压缩特性初探

针对嵌入式非贯通节理对岩体力学特性的影响规律,采用数字建模和3D打印技术建立了正弦型节理实体模型,制备了完整类岩石试件、含单节理类岩石试件及含双节理类岩石试件,单节理角度分别为30°、45°、60°,双节理角度分别为30°、45°,30°、60°,45°、60°。对各类试件进行了单轴压缩试验,结果表明：含节理类岩石试件的单轴抗压强度低于完整类岩石试件,且随着试件内部节理数量的增加,试件单轴抗压强度的降低幅度增大;单节理类岩石试件的破坏形式均为沿节理所在平面发生剪切破坏,试件的单轴抗压强度随节理角度的增大而增大,这主要是节理面切割度和节理面法向应力共同作用的结果;双节理类岩石试件破坏时内部裂隙发育、贯通程度较高,破坏后的试件非常破碎,基本不具残余强度。     

基于3D打印的内置粗糙节理岩体力学特性研究

为了研究地下工程隐伏粗糙节理围岩的稳定性特征,基于三维扫描获得了岩石的卸荷破裂面真实形态,进而分别通过3D打印技术和类岩石材料制备了充填型粗糙节理面和岩石基质,从而来浇筑含内置粗糙节理的岩体试样.通过常规三轴压缩试验,研究了粗糙度和围压对节理岩体强度、变形和破坏形态的影响规律.试验结果表明:随着节理面粗糙度的增大,岩体...     

薄层状岩石试样3D打印与力学特性试验研究

薄层状岩石广泛存在于矿山开采与地下工程建设中，针对其力学特性的研究对于该类岩体工程的安全施工与运营具有重要意义。借助自主研发的岩土类材料3D打印设备，基于湿料挤出沉积成型3D打印工艺，开展了不同层理产状薄层状类岩石试样的3D打印试验，成功获得了层理面与试样长轴夹角θ为0°、45°、90°的类岩石试样。针对打印试样开展单轴压缩试验，借助数字图像相关方法（DIC）对试验过程开展非接触式全场应变观测，对比分析了不同层理产状3D打印试样的宏观力学参数、空间应变场演化规律与破坏模式。结果表明：所提出的湿料挤出沉积成型3D打印工艺与设备，可以构建力学特性及破坏模式与薄层状岩石类似的人工试样。受层理产状与加载方向的关系影响，试样的宏观力学参数及破坏模式存在显著差异，θ=0°、45°、90°试样的峰值强度均值分别为1.88、1.55、3.32 MPa，弹性模量均值分别为0.37、0.32、0.98 GPa。DIC观测结果可以更直观地揭示层理产状与加载方向的关系对于薄层状岩石破坏过程与破坏模式的控制机制。相关成果可为3D打印技术在岩石力学中的推广应用提供借鉴。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

砂型3D打印材料对类软岩力学特性影响规律及机理

煤矿巷道围岩普遍岩性软弱、节理裂隙发育，软岩力学是煤矿巷道围岩控制的基础。由于软岩在力学与结构等方面的特殊性，物理试验中存在试样难以符合现场裂隙特征、离散性强等问题，严重制约软岩力学或裂隙岩体力学试验研究。3D打印技术因其数字建模、精度高等技术优势，突破了浇筑法在制作复杂裂隙试样上的局限，被广泛应用于岩石力学试验研究，但采用该技术打印成型的试件受打印材料和参数的影响规律还需深入研究。基于砂型3D打印技术，通过力学试验、声发射监测、电镜扫描等手段，研究不同类型砂粉和不同黏结剂饱和度对类软岩试样的力学特性的影响规律及机理。结果表明：不同类型砂粉由于其颗粒形状、粒径、排列形态等因素，对成型试样的力学特性、破坏模式等影响显著；黏结剂饱和度与试样强度呈正相关关系，相同砂粉类型前提下，改变黏结剂饱和度能将试样强度提高5倍，同时声发射事件信号与能量也随黏结剂饱和度的增大而增大。研究结果揭示了砂型3D打印技术用于软岩物理模拟上的适用性，为精确、科学地还原具体工程条件的软弱煤岩力学特性提供重要依据。     

峰后岩石类材料的声发射特性研究

基于声发射试验系统和岩石声发射理论,对2种不同性质的岩石和水泥砂浆进行了单轴压缩试验,得到了3种试样破坏全过程的力学特性曲线、声发射振铃数和累计振铃数曲线,针对其变形特征及应力、振铃数与时间的关系分阶段进行了研究。研究表明:岩石类材料声发射受岩石强度、节理裂隙和晶粒软硬大小等的影响;部分质软岩石类材料在弹性、弹塑性阶段,其单位时间声发射振铃数逐步增加,但在接近强度峰值时出现声发射相对平静现象;峰后声发射活性主要受岩石的强度影响。对比不同岩石的破坏声发射特性,可为天然和人工岩土工程稳定性评估提供参数。     

冻融作用下水灰比对类岩石材料物理力学特性影响研究

高寒地区矿山边坡岩体会经历冻融循环作用,引起岩体结构损伤和强度弱化,对矿山边坡的稳定性构成危害。水泥砂浆作为模拟裂隙边坡岩体常用的类岩石材料,其配合比对该类岩石材料抗冻性影响较大。为探究冻融作用下水灰比对类岩石材料物理力学特性的影响机制,制作了7种不同水灰比的类岩石——水泥砂浆标准试样,进行了不同次数的冻融循环试验及0~50次冻融后的单轴压缩试验。结果表明：①冻融前,随着水灰比的增大,试样初始孔隙率增大、密度降低,进而导致其波速下降;冻融过程中,波速随着冻融次数的增加而减小,且水灰比越大,波速损失率越高。②随着水灰比增大,类岩石材料的单轴抗压强度、弹性模量均出现了先增大后减小的现象;当水灰比为0.325~0.35时,类岩石试样的单轴抗压强度最高且抗冻性能最好。③随着冻融循环次数增加,应力应变曲线趋于扁平化,试样由脆性逐渐向延性转化,且水灰比越大,试样孔隙压密阶段变形越大。研究成果可为寒区矿山边坡及相关岩体工程类裂隙岩体冻融试验中的配比设计提供借鉴。     

裂隙网络对岩体试件单轴压缩力学特性影响研究

针对裂隙分布对岩柱或煤柱强度和稳定性影响问题,采用合成岩体模型技术(SRM)重构岩柱模型,研究裂隙密度和裂隙倾角对岩柱稳定性影响。合成岩体模型中分别采用平直节理黏结模型(FJBM)、光滑节理模型(SJM)和裂隙网络模型(DFN)模拟岩块、裂隙和裂隙网络。通过单轴抗压试验和单轴抗拉试验标定岩块宏观力学参数(单轴抗压强度、抗拉强度、杨氏模量和泊松比),数值模拟标定结果与试验结果对比表明数值模拟模型细观力学参数能够很好地匹配实验室岩样宏观力学参数。研究结果表明:岩体内裂隙将显著降低岩体抗压强度,岩柱强度随裂隙密度P21增加而降低;裂隙密度P21由1 m/m2增加至5 m/m2,岩柱平均强度由103.5 MPa降低至69.5 MPa,岩体抗压强度与裂隙密度负相关;裂隙倾角由0°增加至90°,岩柱抗压强度呈"U"形变化;裂隙密度较小时,岩柱易形成"X"形压剪破坏,裂隙密度较大时,岩柱"X"形压剪破坏逐渐消失;岩柱产生的微裂隙与岩体裂隙密度负相关;裂隙倾角小于临界角φ或大于45°+φ/2时,岩柱易形成"X"形压剪破坏,而当裂隙倾角介于φ与45°+φ/2时,岩柱易形成剪切滑移破坏。岩体合成技术可为确定岩柱强度确定提供一种思路。     

基于3D打印技术复制砂浆节理的剪切试验及峰值抗剪强度模型

为进一步研究节理三维形貌特征与节理峰值抗剪强度的关系,首先采用巴西劈裂试验获取了自然劈裂岩石表面,通过三维扫描技术获取了节理面形态的高精度点云,通过逆向建模得到了自然岩石表面的立体模型,结合3D打印技术制作出了与自然岩石表面一致的PLA模具,以3D打印获得的底模通过水泥砂浆浇筑了含有自然结构面形貌的相似节理面试样。PLA模具与复制材料差异较大,复制材料在凝结过程中不易与PLA模具黏结,进而使脱模过程较为方便,不会破坏节理面。同时PLA模具可重复进行相似材料复制工作,具有可重复使用的优点。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆节理面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验,得到了结构面剪切位移-荷载曲线。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。节理经过剪切后形貌面出现不同程度的磨损,其磨损范围与等效高差分布范围基本一致,并且在等效高差为剪断破坏模式且成片的区域磨损较为严重。在新粗糙度指标基础上提出了新的峰值抗剪强度模型,经试验对比显示出新模型的有效性。在新模型基础上提出了一个简化模型。对比发现新模型简化后其计算精度较新模型有所降低但由于所需参数减小计算较为方便,新模型简化...     

注浆充填裂隙砂岩试样力学特性试验研究

为研究注浆材料对裂隙岩体力学特性的影响,通过在真实砂岩试件中预制裂隙,分别用22.5级和42.5级复合硅酸盐水泥充填并进行单轴压缩试验,研究有无充填及不同充填材料强度对裂隙岩石试样强度和破坏模式的影响,并利用RFPA2D有限元软件进行数值模拟分析。     

双孔洞式双裂隙类岩石力学特性及裂纹扩展分析

为了研究单轴压缩下含有双孔洞和双裂隙缺陷岩石的力学响应,通过完整类岩石室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC~(2D)模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数及破坏形态的对比分析,最终选取一组合理的细观参数,对双孔洞、双裂隙和双孔洞式双裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究表明:双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性,双孔洞缺陷的弱化效应大于双裂隙,随裂隙的倾角增大,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,且双孔洞和双裂隙对岩石产生的共同弱化效应小于叠加弱化效应;当裂隙的倾角较小时,试样的初始裂纹萌生于裂隙尖端和孔洞与裂隙的岩桥,孔洞与裂隙较容易贯通,随倾角增大,孔洞的上下部开始萌生初始裂纹,且当倾角为90°时,初始裂纹仅萌生于孔洞的上下部,孔洞与裂隙不贯通;双孔洞式双裂隙试样的破坏模式主要为拉伸破坏,且拉伸破坏主要发生在孔洞的上下部、外侧和裂隙的尖端,剪切破坏主要在孔洞与裂隙的岩桥产生。     

不同裂隙角度岩石相似试样力学特性及声发射特性研究

为了研究岩石相似材料在不同倾角预制裂隙影响下的力学特性的变化规律,利用河沙、水泥、石膏等材料制作岩石相似试样,并对制作成功的岩石相似试样制作不同角度的裂隙,最终对含不同倾角的试样进行单轴压缩试验,研究其力学特性的变化规律。研究得到含有预制裂隙试样的峰值强度随裂隙倾角的增大呈对数关系增长;同时其峰值应变随裂隙倾角的增大呈指数关系增长;含预制裂隙试样的AE事件累计数及能量强度大致变化趋势相近,可分为压实萌生阶段、弹性稳定增长阶段、破坏剧烈增长阶段;AE事件累计数随着预制裂隙倾角的增大不断增大,能量强度也随着预制裂隙倾角的增大不断增大。     

基于PFC2D的不同倾角组合孔洞岩石力学特性及破坏特征

天然岩体中存在不同几何形状的裂隙和孔洞缺陷,这些孔洞缺陷改变了岩体的力学特性,是引起围岩失稳的关键因素,对复合孔洞缺陷模型进行研究,有助于围岩的稳定性控制。鉴于此,本文采用二维颗粒流（PFC2D）软件对不同倾角组合孔洞缺陷的岩石进行单轴压缩试验,研究了其对岩石力学特性和破坏特征的影响。结果表明：孔洞缺陷的存在降低了岩体的单轴抗压强度、峰值应变、起裂应力和损伤应力,加速了裂纹的产生,促进了岩石的破坏。不同倾角对试样的力学性能和损伤程度的影响不同,随着倾角的增大基本呈先降低后升高的趋势。裂纹产生前,各模型的拉应力集中区分布在孔洞的上、下端部,压应力集中区分布在孔洞的左右两侧;模型破坏后,压应力集中区域沿孔洞的左右端部转移至模型的左右两侧。 关键词：PFC2D;组合孔洞;力学特性;破坏特征     

单轴压缩条件下锚固节理岩体变形特征试验研究

基于相似定律研制了新城金矿真实岩石和锚杆的相似材料,开展了单轴压缩条件下锚固节理岩体破坏过程的相似模拟试验,采用数字图像相关技术(DIC)和分布式光纤监测技术分别对锚固基体和锚杆的变形过程进行监测,重点研究了锚杆安装对节理岩体变形特征的影响。研究结果表明：锚杆控制了节理岩体的剪胀和沿节理面的剪切滑移,进而控制了围岩沿锚杆轴向的变形,与锚杆安装位置越接近,锚杆控制围岩变形的能力越强;锚杆提高了节理岩体的抗剪切能力,从而对节理岩体沿锚杆法向的变形起到约束作用;节理的存在导致锚固节理岩体中存在弱应力区和弱锚固界面,使得锚杆与围岩间的载荷传递受限,最终影响锚固效应的发挥。     

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...