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。     

单轴压缩下混合片麻岩脆性破坏特征分析

岩石单轴压缩变形试验是地下工程勘察中的基本力学试验。本文根据混合片麻岩单轴压缩变形试验的峰前应力—应变曲线,把其破坏过程分为裂纹闭合阶段、线弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段,并采用滑点回归分析技术得到了混合片麻岩各阶段裂纹临界应力值,即:裂纹闭合应力为23MPa,裂纹起裂应力为45MPa,裂纹损伤应力为86MPa,最后进行了单轴压缩下混合片麻岩脆性破坏过程细观模拟分析,为工程支护设计和围岩破坏机理分析提供参考。     

单轴拉伸条件下断续节理岩体锚固效应试验研究

 选用改性橡胶粉–水泥砂浆模拟岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆模拟材料,通过室内试验研究单轴拉伸条件下,锚杆对含贯穿裂隙岩体的加固效应。结果表明：与不加锚试件的破坏形式相比,加锚试件均表现出塑性破坏特征;锚杆提高了节理岩体的变形模量和单轴抗拉强度,且加锚试件的变形模量和单轴抗拉强度随锚固角的增大先增大后减小;随着锚固角的增大,试件后期破坏模式发生改变,这与锚杆的黏结性能和抗剪切性能的复合作用有关。     

深埋大理岩脆性破裂细观特征分析

脆性材料的破裂过程与裂纹的扩展密切相关,其细观结构特征直接决定宏观力学行为表现,但目前受限于试验仪器,还无法完全把握脆性破裂的细观机制,必须将试验方法和数值方法有机结合。首先利用MTS完成大理岩的单轴和三轴压缩试验,并在试验过程中对声发射信号进行全程监测,利用获得的试验数据详细分析深埋大理岩破裂特征,明确内部裂纹的发展演化规律以及对大理岩宏观力学特性的影响。通过引入颗粒流程序(PFC),借助于已经完成的单轴和三轴试验成果获得PFC计算中的颗粒参数和颗粒胶结面参数,利用BPM模型模拟脆性岩石的破坏。结果表明,PFC能够从细观尺度准确地再现深埋大理岩试验过程中的裂纹扩展和破裂特征,并且能够展现在实际试验过程中无法监测和获得的有价值的细观破坏特征,为描述脆性岩石的破裂特征和复杂力学行为提供可以依赖的描述方法。     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

拉剪条件下节理岩体中锚杆的力学作用分析

在分析穿过节理的锚杆与岩体相互作用的机理后，采用线弹性断裂力学的方法，分析在拉剪综合作用下锚杆对裂纹尖端应力强度因子产生的贡献，并揭示了各种应力作用情况以及锚杆与节理面之间不同的夹角下锚杆的作用规律。计算分析结果表明，锚杆的作用使节理端部的应力强度因子发生转换，从而明显降低了对岩体破坏产生主要作用的应力强度因子。这是锚杆能够加固节理岩体的重要原因。     

单轴压缩下大理岩细观裂纹扩展试验研究

利用带有加载装置的扫描电镜（SEM）实时动态观测系统和数字图像处理技术,对大理岩试件在受单轴压缩时所产生的微裂纹的萌生、扩展过程进行了定量分析,得到微裂纹扩展的规律,对岩石力学研究有一定的理论意义。     

单轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂的分形特征

基于分形理论,研究了单轴压缩状态下三峡坝基岩石破裂的分形结构,结果表明,在单轴受压时,岩石破裂系和主破裂均表现出很好的分形性质,分维随着压力增加而上升。分维和为描述岩石破裂过程的参数,同岩石抗压强度和风化程度有很好的相关性,表征了岩石裂隙的形成演化特征。     

随温度升高煤岩体渗透率减小或波动变化的细观机制

 采用在线加热同步观测煤岩样孔隙结构演变的实验方法,对常温～350 ℃时的贫煤和花岗岩试件进行细观结构演化研究,得出以下结论：(1) 相同条件下,兼具固体颗粒和纯孔隙的子网格受温度作用更为明显,孔隙变化更大。由于该孔隙为多孔介质的吼道孔隙,故孔隙大小的变化会对煤岩渗透率造成显著影响;(2) 温度升高时,花岗岩和大部分贫煤样品的渗透率具有先增大后减小的特性,少数贫煤样品的渗透率呈现单调下降趋势;(3) 煤岩样孔隙率越小,其孔隙率单调降低的临界温度点越低。热力耦合作用下同步分析煤岩体细观结构的演变,进而探求其宏细观对应规律,已成为岩石渗流力学研究的重要趋势。     

节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明:所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

刀具动态作用下节理岩体破坏过程的数值模拟

基于细观损伤力学和动力有限元方法,模拟分析了节理岩体在刀具动态荷载作用下的损伤破裂过程,探讨了节理间距和节理角度的影响。在动力分析模型中,通过考虑黏弹性边界以排除边界应力波反射的影响,提高了计算精度。数值模拟结果表明,节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面,节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂;另一方面,软弱节理面破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏程度。模拟结果还表明,节理间距越小,岩体破坏程度更加明显。倾斜节理的存在使刀具下部的裂纹出现不对称性扩展特征,影响了主裂纹向下扩展的能力,限制了其伸展的空间。节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程研究还很少见到,研究结果对于节理岩体动态破坏的机理以及地下工程开挖等实际应用,具有一定的参考价值。     

碎石颗粒的压缩变形与破碎特性

基于颗粒流软件PFC2D,建立了颗粒接触本构模型,考虑不同孔隙率的大颗粒对压缩结果的影响,分别模拟了孔隙率为0.1,0.16,0.2,0.25四种颗粒在单轴压缩下的破碎与变形过程,为探究碎石颗粒的压缩变形和破碎特性提供了新的方法。     

地震作用下锚固参数对岩体边坡锚固界面剪应力分布影响分析

基于FLAC3D软件,以含软弱层的锚固岩质边坡为研究对象,通过修正的cable单元建模和改进剪应力提取方法,利用数值模拟方法系统地分析研究了地震作用下锚固参数对含软弱层岩体边坡锚固界面剪应力分布的影响。研究发现:随砂浆层厚度增加,砂浆–岩体界面脱黏增长,杆体–砂浆界面脱黏减小;随锚杆横截面积增大,锚固界面剪应力向锚头和锚根转移,脱黏增长;适当增加锚固段长度和减小锚杆间距均有利于边坡稳定;一定的锚固段长度下宜适当增大锚杆倾角。揭示了地震作用下锚固参数对边坡锚固界面剪应力分布和锚固机理的影响,对边坡锚固的设计施工具有重要参考价值。     

高温后砂岩单轴压缩加载速率效应的试验研究

温度是影响岩石材料物理力学性质的重要因素,为考察温度对砂岩加载速率效应的影响规律,对25℃～800℃之间6种温度水平后的砂岩试样分别进行不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明：① 高温后砂岩的物理性质出现一定的劣化,由25℃升高至800℃,密度和纵波波速分别减小了5.89%和73.72%;② 随着温度的升高,砂岩峰值强度和弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而峰值强度随温度的变化过程受加载速率的影响较大;③ 高温后砂岩的峰值强度和峰值应变具有明显的加载速率效应,且服从正线性关系,相关性参数A表征了材料受加载速率影响的显著程度,随着温度的升高参数A呈现先减小后又增大的趋势;④随着温度和加载速率的增大,砂岩破坏形态由拉剪混合破坏逐步转化为单一斜剪破坏,破坏程度愈渐剧烈,分形维数也逐渐增大。     

Reinforcement of rock mass with cross-flaws using rock bolt

Rock bolting is one of the most effective and economical means of rock mass reinforcement. Existing studies of rock bolt reinforcement are mostly focused on rock masses without flaw, with a single flaw, or with parallel flaws. However in rock masses, cracks or flaws usually exist in the form of cross-flaws. In order to understand the impact of cross-flaws on rock bolt reinforcement and to further explore the differences of bolt reinforcement between rock mass with cross-flaws and rock mass with a single flaw, reinforced analog specimens with cross-flaws and with a single flaw were tested under uniaxial compressive condition. The experimental results show that the uniaxial compressive strength of the reinforced rock mass with cross-flaws in this research is higher than that of reinforced rock mass with a single flaw. This observation can be explained by the difference in the failure modes of reinforced specimens: the reinforced rock masses with a single flaw fail due to the formation of a shear crack while reinforced rock masses with cross-flaws fail as a result of a tensile fracture or interaction between tensile fracture and shear fracture.     

Damage characteristics and catastrophic failure mechanism of coal rock induced by gas adsorption under compression

To reveal the damage characteristics and catastrophic failure mechanism of coal rock caused by gas adsorption,physical tests and theoretical methods are employed.The results show that adsorption swelling can damage coal rock,which can be distinguished by fractal dimension.A fitting relationship between the adsorption damage and fractal dimension is proposed by experimental testing and theoretical analysis.High gas adsorption pressure proves to be the dominant factor that leads to coal failure softening and gas outburst disasters.Three main parameters concerning adsorption damage include the change rate of released energy density,the transition difference in the post-peak acoustic emission(AE) b value and the change rate of cumulative AE energy.Results show that all the three parameters present a step-type decreasing change with the increase in fractal dimension,and the fractal dimension shows a linear relationship within the same failure mode.Finally,a method is proposed to evaluate coal rock disaster transformation,based on the aforementioned three main parameters of adsorption damage.     

单轴受载下岩体破裂演化特征的声发射CT成像

 岩石受载下的内部破裂演化特征对于研究岩石破坏机制具有重要意义。将声发射(AE)与CT成像技术相结合,对3种不同加载速率下的泥岩试样进行声发射CT反演计算,分析各加载阶段波速分布特征,探究波速演化与岩样宏、微观破裂的关系。研究结果表明：(1) 在加载初期,岩样内部波速范围变化较小,波速异常区面积较小且分布较为零散;随着载荷增加,波速范围不断增加,同时波速异常区面积也在不断扩大;临近破坏阶段,波速范围进一步增加,其低波速区也逐渐形成大面积贯通。(2) 岩样实际宏观破裂位置与低波速区及波速异常丰富区位置吻合,说明临近破坏阶段,岩样内部微裂隙的大量萌生发育使低波速区快速扩展贯通,同时微裂隙周围的岩石颗粒因受挤压而呈现出高波速状态。(3) 受载初期,岩样内初始微裂隙发育萌生位置与低波速区大致吻合;随载荷增加,大量微裂隙开始在低波速区与波速异常丰富区聚集、延伸;在临近破坏阶段,微破裂密集区扩展贯通,其所处区域与岩样破裂位置大体一致。(4) 反演计算调整前后的AE事件整体分布特征保持一致,证明了初始AE事件定位的准确性及声发射CT成像的可靠性。     

锚杆长度与边坡坡率对最优锚固角的影响

最优锚固角是锚固工程设计中的重要参数,为了探讨锚杆长度和边坡坡率对于锚杆最优锚固角的影响,采用FLAC3D 数值方法,建立边坡模型,通过数值计算发现锚杆长度和边坡坡率对最优锚固角影响较大,研究结果表明：①边坡安全系数随锚杆长度的增大呈现先增大后基本保持不变的趋势,存在有效锚固长度,锚杆倾角越大对应的有效锚固长度越小。②边坡安全系数随锚杆倾角的增大呈现先增大后减小的趋势,存在最优锚固角;并且最优锚固角随锚杆长度的增大而线性减小。③当锚杆倾角未达到最优锚固角之前,边坡坡率对安全系数影响较小,而当锚杆倾角达到或者超过最优锚固角,边坡坡率的影响逐渐显现,并且坡率越大所对应的最优锚固角也越大。