正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α<45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α>45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正...     

单裂隙岩石在单轴压缩下破坏的数值模拟

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D在单轴压缩下对含有单裂隙在不同分布下的岩石试件的破坏过程进行数值模拟研究。结果表明:岩石试件破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的断裂破坏几个阶段;完整岩石试件的力学性能显著高于含有裂隙的岩石试件。随着裂隙长度的增加,岩石试件的峰值强度逐渐降低,根据其降低趋势,拟合出峰值强度随裂隙长度增大而降低的拟合函数,由函数可知,二者成负指数关系;而随着裂隙倾角的增大,峰值强度呈现出先减小后增大的趋势,在裂隙倾角为45°左右时岩石试件的强度达到最小值。裂隙长度越小或者裂隙倾角越大的岩石试件,其对岩石试件的力学性能影响不明显,裂纹扩展不明显,其扩展形式与完整岩石试件类似。     

双轴加载条件下裂隙岩体相似模型力学特性试验研究

煤矿深部地层主要受构造应力场影响,以水平应力为主且具有明显的方向性,而煤系地层节理、裂隙发育。为探究煤矿深部地层裂隙岩体断裂特征和力学特性,研制了裂隙岩体试验平台,制备了不同倾角的裂隙岩体相似模型,开展双轴加载试验;基于试验结果和数字图像相关技术（DIC）分析研究了节理倾角对裂隙岩体强度和断裂特征的影响规律。研究结果表明：裂隙与主应力方向的夹角对试件峰值强度影响较大,夹角为30°时,试件峰值强度最低,90°时最高;试件受载后产生的次生裂纹共有7种类型,随着预制裂隙倾角的增大,试件破坏模式经历了压剪破坏、拉-剪复合破坏、压剪破坏的变化;次生裂纹扩展经历了与预制裂隙共面、与预制裂隙异面、与预制裂隙共面的变化。     

加载速率与裂隙倾角复合作用下类岩材料破断试验及声发射特征分析

通过对含0.1mm预制裂隙的类岩材料进行静态到准静态的不同加载速率单轴压缩试验,分析加载速率与裂隙倾角复合影响的裂隙体类岩石材料破断规律。基于声发射测试技术,分析加载速率和裂隙倾角复合作用下,含预置裂隙类岩材料起裂强度变化规律及岩体破裂全程动态频域变化特征。试验结果表明:类岩试件的峰值强度受预置裂隙倾角和加载速率共同影响,相同加载速率条件下,含预制裂隙类岩石试件的劣化系数随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势,裂隙倾角为45°时,劣化系数最大,倾角为90°时,劣化系数最小;不同加载速率下,裂隙体劣化系数随加载速率的增大而减小。声发射测试数据表明,依据声发射特征参数分析岩石破裂全过程是可靠的,且在峰值强度过后,仍然有大量的声发射事件产生;通过能量率分析,可得到类岩试件的起裂强度,进而得到裂隙体起裂应力水平,得出起裂应力水平与预制裂隙倾角、加载速率的回归方程。     

初始裂隙倾角对岩石破坏模式及峰值强度的影响

初始裂隙倾角是影响裂隙岩体再生裂隙扩展方向和损伤断裂模式的重要因素之一,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同倾角的单裂隙岩石在单轴压缩条件下破坏过程进行数值模拟。结果表明:当裂隙倾角不大于45°时,试件呈现出拉伸和剪切的混合破坏;裂隙倾角为60°时试件以拉伸破坏为主;裂隙倾角为75°时试件以剪切破坏为主。受岩石强度、内摩擦角和压拉比的影响,初始裂隙倾角对单裂隙岩石峰值强度的影响趋势具有多变性,其影响趋势可分为三类,一是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度增加;二是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先降低再增加;三是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先增加后降低再增加。     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩力学特性试验研究

为研究含预制孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩的力学特性,在板状砂岩试样内预制了圆孔和裂隙组合型缺陷,通过室内单轴压缩试验,研究了裂隙倾角α和裂隙长度b对砂岩强度特征、变形特征及破裂演化过程的影响规律。试验结果表明:与完整砂岩相比,含组合型缺陷砂岩的承载能力发生明显的劣化,且劣化幅度与预制缺陷几何形态密切相关;随裂隙倾角α的增大,试样的峰值强度、平均模量和割线模量均表现为逐渐减小的趋势;裂隙倾角为45°时,随着裂隙长度b的增大,试样的峰值强度、峰值应变、平均模量和割线模量均逐渐减小;含组合型缺陷砂岩的起裂形式与裂隙倾角α有关,裂隙倾角在0°~60°时,初始破坏均表现为预制裂隙尖端的拉伸裂纹破坏,而裂隙倾角为90°时,试样的初始破坏表现为圆孔孔壁片帮破坏。     

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...     

基于应变软化模型的岩体单轴压缩裂隙扩展

分别采用FLAC~(3D)程序中的应变软化模型及空模型来描述岩石及裂隙的力学行为,同时采用超细单元划分法对计算模型进行剖分以模拟裂隙扩展。采用上述数值计算模型研究了单轴压缩荷载下裂隙长度、倾角和裂隙条数对裂隙扩展路径及岩体力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴抗压峰值强度随裂隙长度增加而逐渐降低,当裂隙长度不同时,次生翼裂纹的出现位置及扩展路径也有较大差别。翼裂纹的萌生位置及扩展规律均随裂隙倾角而变化;试件峰值强度随裂隙倾角由0°增加到75°时,类抛物线规律变化,当裂隙倾角为30°时,试件峰值强度最低。裂隙条数对裂隙扩展路径及试件破坏模式有较大影响,且试件峰值强度随裂隙条数增加而逐渐减小。     

基于含组合缺陷砂岩的单轴压缩离散元分析

运用离散元软件PFC2D对含有圆孔裂隙组合缺陷的砂岩进行单轴压缩数值模拟,分析不同裂隙倾角时砂岩的强度特征、破坏特征以及裂纹扩展过程。结果表明:岩石试样破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的破坏几个阶段;当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。与完整砂岩试样相比,含圆孔裂隙砂岩试样的力学参数均显著降低,且降低幅度与裂隙倾角相关;随着裂隙倾角的不断增大,试样的峰值强度表现为不断增加的特征。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

顶煤预制裂隙定向水力压裂研究

为改善厚硬顶煤冒放性和工作面作业环境,提出顶煤预制定向裂隙水力压裂技术。利用理论分析研究了定向压裂基本原理,分析了钻孔和裂隙的受力模型,得到裂隙的起裂条件、扩展过程及其形态。利用RFPA2D-Flow渗流软件研究顶煤定向压裂规律:在压裂起始阶段,定向裂隙尖端出现高应力集中现象,在钻孔和定向裂隙两面形成卸压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大;钻孔和定向裂隙周围形成高水压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大。压裂初期煤体发生剪切破坏,压裂后期出现大量拉伸破坏。定向裂隙倾角α介于0°~60°时,裂隙尖端首先起裂、扩展,然后发生转向;当倾角α=75°和α=90°时,裂隙沿最大水平主应力方向扩展。     

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。     

不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以"勾连"形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ大于K_(Ⅱ);裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

高应变率单轴压缩下岩体裂隙扩展的细观位移模式

为了研究动态荷载作用下岩体裂隙扩展机制,通过细观颗粒平行黏结模型(PBM)的模拟,分析了高应变率单轴压缩条件下单裂隙岩样的损伤演化及细观位移场。高应变率大小对岩样最终破裂形态影响不大,但随应变率的增大,细观裂纹越多且局部化程度越强。随着裂隙倾角的增大,裂纹分叉交织越密,并在裂隙倾角≤45°和≥60°范围内分别具有相似的破裂形态。裂隙尖端翼裂纹是倾斜裂隙面相对滑移致使尖端撕裂的结果,高应变率下翼裂纹在峰后不再扩展。应变率越小,裂隙倾角越小,翼裂纹扩展的长度越长。定义了3类细观颗粒间的位移模式及其所形成的3类裂纹性质。将裂纹扩展概括为6种基本模式:翼裂纹+张拉、顺翼裂纹、反翼复合裂纹+张拉、顺翼复合裂纹+张拉、共面复合裂纹和倾斜复合裂纹,其中复合裂纹为拉剪裂纹或压剪裂纹。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能...     

含不同预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律研究

为了研究煤岩中不同位置、角度和尺寸的裂隙对注浆诱导裂隙劈裂的影响,采用物理相似模拟试验的方法,在煤岩相似试样中设置不同的预制裂隙进行注浆试验,并基于相似试样断面情况、声发射监测结果和泵压曲线,对含预制裂隙相似试样的裂隙劈裂扩展规律进行研究。研究表明:预制裂隙与注浆孔不相交时,含预制裂隙的煤岩相似试样注浆劈裂裂隙的发育过程包含劈裂贯通、浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展4个阶段;随着预制裂隙尺寸的增大,劈裂裂隙越易向着预制裂隙的方向发育;与预制裂隙贯通后,新发育的劈裂裂隙更倾向沿着预制裂隙的角度向外扩展;相交时,无劈裂贯通阶段;预制裂隙位置、角度和尺寸影响甚至决定着劈裂裂隙的发育方向。     

含单裂纹带圆孔板单轴破坏试验及仿真

为了研究含不同预制裂纹长度及倾角下的单裂纹带圆孔板单轴应力状态下的裂纹扩展状况,分别制作裂纹倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°及裂纹长度为7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm的带直径为15 mm圆孔的类岩石试件,利用DDL-200型试验机进行单轴压缩试验,并使用颗粒流离散元软件PFC对试件应力状态和裂纹扩展做进一步研究。结果表明：合理的预制裂纹能够提高试件的抗压强度,并且随着裂纹倾角的增加,试件应力集中逐渐从裂纹尖端过渡至孔边,使得新裂纹的萌生和扩展向孔边转移,同时,较大的裂纹长度和较小的裂纹倾角使得试件有更大的受拉区域面积和更加不均匀的应力分布;此外,应力强度因子随着裂纹倾角的增大呈先减小、后增大的变化规律,降低阶段和上升阶段所对应的裂纹分别属于闭合型和张开型。该研究成果可为地下工程中的巷道支护和切顶卸压提供一定的参考。