不同倾角贯穿节理类岩石试件峰后变形破坏试验研究

用微机控制高刚度伺服试验机,开展预制贯穿节理类岩石试件的单轴压缩试验,系统研究贯穿节理类岩石试件峰后应力-应变曲线、破坏形式、峰后残余强度、峰后视泊松比等与裂隙倾角之间的关系。试验发现：(1)节理倾角为15°时,峰后的应力-应变曲线和完整试件的基本相同,当节理倾角为30°,40°,50°,60°时,峰后应力-应变曲线与完整试件的差别很大;(2)峰值强度随着节理倾角的增大而减小,峰后的残余强度也大致上随节理倾角增大而减小;(3)随着节理倾角的增大,含节理试件的泊松比也随之增大,而峰值强度后破坏阶段的视泊松比则随之变小;(4)试件峰后破坏模式随节理倾角的变化而不同,在倾角为15°时为劈裂破坏,倾角为50°,60°时为剪切破坏,倾角为30°,40°时为劈裂和剪切破坏的混合模式。研究成果可以反映含单组全贯穿节理类岩石材料的加载破坏峰后力学和变形破坏特性。     

含非共面重叠型微裂隙类岩石试样单轴受压宏细观力学特性颗粒流模拟

为了研究单轴压缩下非共面重叠型微裂隙倾角变化对类岩石试样整体的轴向应力,弹性应变能和局部应力场等的影响,在已有类岩石试样真实参数基础上选用颗粒流数值分析软件PFC~(2D)对其进行数值模拟。研究结果表明:试样抗压强度随裂隙倾角增加而增加;裂隙倾角较小时,试样在单轴压缩过程中具有明显塑性变形,在应变软化阶段能量释放率较大,而裂隙倾角较大时,则表现出明显的弹脆性性质,贮能较大;对裂隙局部应力场分析,最小主应力场随轴向应变呈明显的阶段性变化,大的应力降均与裂纹的加速扩展有关,按应力场变化特征可归纳为3种不同的类型。加载前期裂隙上下两侧部分区域最小主应力表现为拉应力,随裂隙倾角增大裂隙上下两侧拉应力集中程度减小,受拉区向裂隙尖端转移,并且面积逐渐减小,裂纹启裂后拉应力逐渐消失;加载前期裂隙尖端附近虽然应力集中程度较高,但其二维压应力状态使该区域裂纹启裂相对较难。     

非贯通裂隙岩体单轴压缩破坏的数值模拟研究

为了研究非贯通裂隙岩体在单轴压缩荷载作用下的损伤破坏情况,采用二维的真实破裂过程分析软件RFPA2D进行了相应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:(1)由于RFPA2D软件考虑了岩石材料的非均匀性,所以模拟出的宏观单轴抗压强度小于细观单元平均单轴抗压强度;(2)在弹性加载阶段,最大剪应力的最大值出现在预制的两条裂隙的尖端,随着轴向应力的不断增大,最大剪应力的最大值也随之不断增大,待加载到峰值附近,宏观裂隙形成;(3)破坏过程声发射模拟结果,有效地反映了预制非贯通裂隙岩样在受到单轴压缩荷载时,内部累积损伤、形核、宏观裂纹出现直至断裂失稳的过程。     

含2条断续贯通预制裂隙岩样破坏特性的三轴压缩试验研究

通过在类岩石模型材料中预制特定倾角和尺寸的断续贯通2条裂隙试样,以MTS常规三轴压缩试验为手段,研究2条裂隙试样的破坏特性。主要研究成果:(1)2条裂隙岩样的宏观破裂迹线由次生共面裂纹、反翼裂纹和翼裂纹3种类型组成;(2)2条预制裂隙之间的贯通有拉伸贯通、剪切贯通、一预制裂隙共面扩展裂纹与另一预制裂隙的反翼裂纹扩展连接贯通及两预制裂隙无贯通4种形式;(3)2条裂隙岩样在三向受力条件时,反翼裂纹为主要裂纹形式,它影响着试样的最终破坏形式;(4)2条预制裂隙的排列形式和围压大小决定着试样的破坏模式;(5)2条裂隙试样的轴向应力–轴向应变曲线表现出多峰值的特点,变形特性为从低围压下的脆性向高围压下的延性转化;(6)2条裂隙试样在高围压状态时,裂隙岩石的扩容现象不明显甚至完全消失;(7)2条裂隙试样的轴向应力–轴向应变曲线与裂纹的萌生、扩展、贯通具有密切的关系。研究成果能为含节理或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

裂隙岩石的应力-水流-化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征.进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力-应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析.试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大.溶液pH值最终趋于中性.试件弹性波纵波速最终也趋于稳定.预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响.单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致.裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸-剪切模式.浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大.该研究为建立应力-水流-化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础.     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

裂隙倾角及数目对岩体强度和破坏模式的影响

为研究不同裂隙倾角和数目下低强度岩体强度和变形破坏特征,对含不同预制裂隙的类岩石材料试件进行常规单轴压缩试验。结果表明:(1)低强度岩体峰值强度随裂隙数目增加而减小,随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角0°的三裂隙试件单轴压缩强度最低;(2)除90°裂隙试件外,随裂隙数量增加,试件弹性模量减小,而轴向峰值应变先增大后减小;(3)随裂隙倾角增大,试件弹性模量和轴向峰值应变总体呈“凹型”变化,最小值发生在30°裂隙试件,且大倾角裂隙试件(α>45°)的轴向峰值应变对裂隙倾角敏感程度大于小倾角裂隙试件(α<45°);(4)随裂隙数目增加,低强度岩体的破坏模式变化趋势:脆性破坏→塑性破坏→塑性流动变形破坏。     

岩石类材料裂纹扩展贯通的近场动力学方法模拟

在连续体内引入预制裂纹的数学描述,运用近场动力学方法对含有预制裂隙(不同倾角的单裂缝和不同岩桥倾角的三裂缝)的岩石类材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。结果表明,随着裂缝倾角的增加,翼型裂纹出现的位置逐渐向预制裂隙的两端移动,次生共面剪切裂纹与次生倾斜裂纹出现的时间与形态也随之改变;不同倾角的岩桥呈现的断裂贯通形式有着明显的差异,但裂纹均是在预制裂缝尖端首先产生,随后逐渐扩展贯通,最终导致试件的整体失稳破坏。数值模拟与室内试验结果的对比分析表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石类材料的裂纹扩展贯通形态,反映裂隙扩展的基本力学机制;作为一种新的非局部数值模型,其在岩石材料与岩体工程数值研究领域具有广阔的应用前景。     

不同倾角裂隙粉砂岩扩展过程试验与模拟

为研究裂隙扩展及最终破坏形式,以淮北矿区顶板粉砂岩为例,基于岩石力学伺服试验,结合岩石力学理论概化试验模型,利用离散元PFC~(2D)建立数学模型,通过调整预制裂隙水平角度分析岩石试样裂纹萌生、扩展及最后破坏过程。研究结果表明:采动破坏下,裂隙倾角越大,岩体所受压应力越大,裂隙越容易闭合;不同倾角裂隙岩石破坏形式基本相同且多为轴向裂隙贯通或劈裂;随荷载增加,预置裂隙端部首先萌生微裂纹,达到应力峰值之前微裂纹增长缓慢,微裂纹数目逐渐增加进而发展为包裹状裂纹,最后发展成主生裂纹,微裂纹数目与裂隙倾角呈正相关;荷载继续增加,预置裂隙边界产生反翼裂纹,内部裂隙发生贯通,岩石发生破坏;裂隙扩展程度与裂隙倾角呈负相关。     

断续双裂隙红砂岩加载速率效应颗粒流分析

采用颗粒流程序平行黏结模型,对不同加载速率下断续非共面双裂隙红砂岩数值试样进行单轴和三轴压缩模拟,分析了加载速率对应力-应变曲线、峰值强度、扩容特征、变形参数和破坏模式等力学行为的影响。研究结果表明:加载速率主要影响应力-应变曲线峰值强度和峰后阶段,对峰前阶段影响很小。峰值强度随着加载速率的增大呈单调增长,与围压的关系可以用Mohr-Coulomb准则表征。裂纹损伤阈值对速率的敏感性随着加载速率的增大而提高,与围压的关系可以用广义Hoek-Brown准则表征。加载速率对弹性模量和泊松比的影响很小,而弱化模量和峰值应变影响明显。高加载速率会生成更多的微裂纹,进而造成试样破坏更为严重。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

加载速度对随机缺陷岩样破坏过程的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟加载速度对具有随机材料缺陷岩样破坏过程的影响。采用编写的FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数。密实岩石服从莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化–理想塑性行为。缺陷破坏之后经历理想塑性行为。随着加载速度的提高,强度及其对应的应变提高,峰后应力–变形曲线变得平缓。在加载过程中,每10个时步内破坏单元数–轴向应变曲线中存在破坏单元数有显著增加的3个区段。随着加载速度的提高,该曲线的区段2及3变得开阔,区段2的峰值降低,区段3的峰值提高。在初始加载阶段和缺陷全部破坏之前,加载速度较高时的破坏单元总数–轴向应变曲线比较平缓,这是由于加载速度较高时试样内部的裂隙传播和应力转移不充分,当应变小于一定值时,在应变相同时,破坏单元数较少。破坏单元总数–应变曲线表明,随着加载速度的提高,试样最终遭受到更严重的破坏。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析

 将柱状节理岩体整体考虑为一种广义宏观复合材料是一种行之有效的研究方法,为此建立复合型多弱面软化模型,采用VC++语言成功开发并嵌入FLAC3D程序。以白鹤滩水电站的地质条件为研究背景,对柱状节理岩体进行单轴压缩和三轴压缩的模拟计算,分析不同节理面倾角和倾向的试块破坏过程,得出各种情况下破裂面分布和破坏形态,并总结具有普遍意义的破坏规律。通过三轴试验还得到在处于合适的地应力条件时,柱状节理岩体整体强度及节理面之间的咬合力均较高的结论,与现场勘测结果一致。同时,研究压缩破坏过程中外载和变形的规律、塑性破坏区的产生、破裂区的分布和发展以及能量的耗散等,从多方面对柱状节理岩体的破坏机制进行探讨,以便更好了解该类岩体的力学特性。     

Specimen aspect ratio and progressive field strain development of sandstone under uniaxial compression by three-dimensional digital image correlation

The complete stress-strain characteristics of sandstone specimens were investigated in a series of quasistatic monotonic uniaxial compression tests.Strain patterns development during pre-and post-peak behaviours in specimens with different aspect ratios was also examined.Peak stress,post-peak portion of stress-strain,brittleness,characteristics of progressive localisation and field strain patterns development were affected at different extents by specimen aspect ratio.Strain patterns of the rocks were obtained by applying three-dimensional(3D) digital image correlation(DIC) technique.Unlike conventional strain measurement using strain gauges attached to specimen,3D DIC allowed not only measuring large strains,but more importantly,mapping the development of field strain throughout the compression test,i.e.in pre-and post-peak regimes.Field strain development in the surface of rock specimen suggests that strain starts localising progressively and develops at a lower rate in pre-peak regime.However,in post-peak regime,strains increase at different rates as local deformations take place at different extents in the vicinity and outside the localised zone.The extent of localised strains together with the rate of strain localisation is associated with the increase in rate of strength degradation.Strain localisation and local inelastic unloading outside the localised zone both feature post-peak regime.     

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究

 岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其断裂面的细观形态变化,可以间接地反映岩石内部损伤演化进程,并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描,总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征,建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析,采用判断标准对其细观形貌判别,得到断裂面的拉剪应力分布权重,探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时,断裂面以拉应力为主,且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小,剪应力权重逐渐增大;当裂纹倾角大于45°时,其结论与前述结论相反;预制裂纹倾角为45°时,拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式,翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡,次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。     

基于梯度塑性理论的岩样单轴压缩扩容分析

采用梯度塑性理论，对岩样剪应变局部化引起的扩容进行了理论分析。假设岩石的剪切本构关系为弹性-应变软化双线性，局部化启动于应力峰值强度，利用局部塑性剪应变与局部塑性体积应变的线性关系，得到了局部塑性体积应变、局部塑性体积增量及剪胀引起的剪切带总塑性体积增量的解析式，这体现了该理论在研究剪胀问题时的优越性。另外，还得到了弹性阶段及应变软化阶段的轴向应力-体积应变曲线的理论关系。塑性体积应变是专指由剪切带剪胀而引起的，因而，轴向应力．体积应变不具有尺寸效应，与局部化带的尺寸无关，但扩容角、剪切降模量及泊松比却对该曲线有重要影响。在弹性阶段及应变软化阶段轴向应力-体积应变均呈线性。在相同的应力水平下，扩容角越大则剪胀程度越大；剪切降模量越大，剪胀程度越小。在应变软化阶段，泊松比不影响塑性体积应变。