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。     

单一闭合中心裂隙对岩石单轴压缩破坏特征的影响

利用颗粒流软件模拟了含单一闭合中心裂隙岩石的单轴压缩数值试验,分析了裂隙宽度、闭合裂隙长度、摩擦系数和倾角对裂隙岩石破坏特征的影响。结果显示裂隙闭合与否对裂隙岩石的强度和破坏特征存在影响;裂隙长度越小,裂隙摩擦系数越大,裂隙倾角越接近于0°或者90°时,裂隙岩石破坏特征越接近于完整岩石状态。翼型裂纹和次生裂纹的扩展形成了岩石的贯通破坏面,其中翼型裂纹表现为Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面,次生裂纹表现为Ⅱ-Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面。     

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。     

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。     

含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟

为了研究岩桥倾角α对岩石力学行为和裂纹扩展机制的影响,采用PFC3D程序中的颗粒平行黏结模型,通过“试错法”获得一组能够反映完整花岗岩宏观力学特性的细观参数,并建立不同α下微孔洞与平行裂隙①、②组合的数值模型,对三轴压缩中岩样变形破坏过程进行了模拟分析。结果表明:α对起裂强度与峰值强度的比值未见显著的影响;当α=0°和75°时,裂纹扩展模式相似,裂隙①、②内外尖端均产生翼型裂纹,随后与微孔洞贯通;当α=15°、30°和90°时,裂纹的扩展模式比较接近,裂隙①、②内外尖端也可见翼型裂纹;当α=45°、60°时,裂纹呈类似方式扩展,裂隙①、②与微孔洞之间在剪切面上出现裂纹贯通,且在裂隙①、②外尖端有剪切裂纹,此时平行裂隙和微孔洞在剪切面上;剪切裂纹远多于拉伸裂纹,且微裂纹是从初始损伤部位开始扩展的。     

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。     

节理软岩压缩破坏后崩解特性试验研究

为了解压缩破坏后节理软岩的崩解特性,对节理软岩进行了三轴压缩破坏试验,得到节理软岩压缩破坏后的试样,通过表面裂缝描图得到破坏试样的宏观裂隙特征,CT扫描得到破坏试样的微观裂隙特征。以压缩破坏后的节理软岩为研究对象进行室内干—湿循环崩解试验,根据试样的崩解率和相关崩解破坏机理,研究节理软岩压缩破坏后的崩解特性。试验结果表明:压缩破坏后的节理软岩一次干—湿循环后的崩解率可高达36.51%,其崩解速度远大于完整软岩。崩解速度最大的试样第一次干—湿循环后的崩解率高达36.51%,而崩解速度最小的试样第一次干—湿循环后的崩解率只有3.16%,几乎不崩解。分析表明节理软岩压缩破坏后的崩解特性是由岩样压缩过程中产生的微观裂纹和宏观节理裂纹共同决定的,且受荷破坏形成的宏观裂纹越多、裂纹越长、裂纹交叉越多则崩解速度越快,崩解性越强。黏土矿物成分占比是决定软岩崩解性和崩解类型的主要内在因素,蒙脱石、绿泥石、伊利石等黏土矿物会加快软岩崩解速度。     

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。     

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。     

围压对岩石裂纹扩展影响的颗粒流模拟研究

采用颗粒流数值软件PFC模拟预设单裂隙岩石在双向压缩状态下裂纹的扩展过程和特征。首先利用黏聚颗粒模型建立岩石试样,并在岩石试样中预置非贯通单裂隙;为研究围压对岩石裂纹扩展的影响,分别在5种围压作用下对预设裂隙岩石进行双轴压缩试验。结果表明在围压为0(单轴压缩)时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙基本垂直,随着加载进行沿着主压力方向扩展,而当围压增加时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙的交角增大,且长度变短直至围压到达一定值后不再发育;次生裂纹的扩展方向不仅与材料的性质有关,同时受到围压值的影响;围压增大对张性裂纹扩展产生限制,并促进剪性裂纹的扩展和合并,且最终剪切破坏面的宽度随着围压的增大而增大;次生裂纹可以由拉应力产生,但其进一步发育和扩展受到剪应力的控制。     

PFC~(2D)模拟研究不同工况的异面非贯通节理对岩体力学性质的影响

针对非贯通节理岩体研究中多以共面节理岩体为对象、对异面节理岩体力学性质研究较少的问题,为了更全面的研究非贯通节理岩体的贯通扩展规律,基于直剪模型试验及相关颗粒流理论,利用颗粒离散元数值模拟软件PFC~(2D),研究不同工况的非贯通异面节理岩体。对比异面节理起伏角度、节理倾斜角度(节理与水平剪切方向的夹角)、节理连通率以及试验加载速率和法向应力对异面非贯通节理岩体扩展贯通机理和强度特性的影响。试验结果显示以上五方面对非贯通节理岩体的力学特性影响显著:(1)异面节理的起伏角度越大,非贯通节理岩体的峰值抗剪强度越大,抗剪能力越强。岩体的峰值剪切位移随着节理起伏角度的增大有增大的趋势。(2)非贯通节理岩体的峰值剪切强度、峰值剪切位移会随着试验剪切速率的增大逐渐增大,但增大的速率和幅度会随剪切速率的增大而变小。(3)非贯通节理岩体的峰值抗剪强度会随着法向应力的增大逐渐增大,且增大趋势呈线性。(4)异面节理的连通率越大,非贯通节理岩体的抗剪能力越差,峰值抗剪强度越小。峰值剪切位移亦随连通率的增大而减小,但减小幅度不大。(5)节理的倾角越大,岩体峰值切应力越大,抗剪能力越强。     

共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

岩桥对岩质边坡稳定性起控制性作用,而非贯通性节理岩体是广泛存在于岩质边坡中的一种岩桥载体形式。研究共面断续岩桥连通率对岩石抗剪性能的影响,可为岩质高边坡稳定性评价提供理论依据。以直剪试验的形式,通过石英砂、水泥、石膏和水制备直剪试验试样, 并预留相同长度的3条共面断续节理,对共面断续岩桥进行剪切模拟,分析其破坏模式、破坏过程演化机制和力学参数。结果表明:直剪试样呈现张拉破坏、拉剪破坏和剪切破坏3种破坏模式,以剪切破坏为主,节理所在面为控制性结构面;试样破坏过程依次呈现为裂纹稳定、裂纹破坏和残余变形阶段;随连通率增大,抗剪强度降低,黏聚力减小,内摩擦角小幅变动;共面断续岩桥连通率越大,岩石抗剪性能越差,岩质边坡稳定性越低。     

填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标( 总能量、弹性应变能及耗散能) 的充填效应。研究结果表明: 节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大; 完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段; 完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

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。     

膨胀土裂隙演化及其研究方法综述

裂隙性是膨胀土的基本特性之一,膨胀土原生裂隙因其所处环境改变时裂隙发生演化,由此引起膨胀土强度衰减和渗透性质增大.文章从裂隙产生及演化机理出发,阐述了膨胀土裂隙在水分、温度及应力作用下的裂隙演化规律,对膨胀土裂隙在宏观、细观、微观尺度进行研究方法概述,分析了裂隙演化对膨胀土工程性质的影响,针对裂隙演化的研究现状,提出了...     

楞古水电站厂址区岩体松动类型研究

楞古水电站前期勘查发现自然边坡存在岩体大范围松动现象,主要表现为岩体结构面普遍张开、碎裂化程度高、围岩应力低、自稳性差。针对这一特殊的岩体结构,对岩体的松动类型和变形破坏特征进行了研究。通过对边坡岩体进行详细的地质编录和物理勘探试验,重点对节理裂隙的空间发育规律、碎裂结构岩体的空间分布及边坡已有变形破坏模式等方面进行了详细研究,同时结合声波测速、电磁勘探等试验成果,划分了岩体松动类型,归纳了每一种主控因素下的岩体变形破坏特征及破裂松动的演化过程。结果表明:岩体松动类型可划分为卸荷控制型、断层控制型、倾倒控制型以及节理裂隙控制型等4种类型,岩体的松动受浅表生改造和构造活动影响较大,节理化结构加剧了破裂过程。研究成果丰富了已有分类体系,对评价边坡稳定性以及控制地下工程围岩稳定和保障施工安全具有重要指导意义。     

膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究

利用远距光学显微镜对重塑膨胀土中在自然风干条件下的裂隙发展变化进行了动态的、定量的观测，对不同裂隙发育程度的膨胀土进行了不排水、不排气的非饱和三轴多级剪切试验。试验结果表明，裂隙图像的灰度熵可以很好地表征裂隙的发育发展程度，适合作为膨胀土裂隙发育程度的度量指标。环境温度较高、湿度较低有利于膨胀土中裂隙的发育发展。膨胀土中裂隙发展是一个长期的、渐进的过程，初期裂隙发展速度较快，后期大大减缓。裂隙膨胀土的强度指标与饱和度和裂隙度呈线性关系，土体裂隙不发育时，饱和度是影响强度的主导因素，而饱和度较低时，裂隙对膨胀土强度的影响占主导地位。