孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体破裂及分形演化

为研究洞室裂隙围岩破坏机制,构建含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体模型,在单轴压缩试验的基础上,结合RFPA软件对岩体模型的裂纹扩展进行数值模拟;采用盒维数法计算裂纹扩展数字图像的分形维数,研究加载过程中岩体模型的分形演化特征。结果表明:组合型缺陷加重了岩体模型的应力集中现象,劣化了力学参数,表现为最大压应力和最大拉应力的增幅分别达到20.57% ~ 58.19%、14.29% ~ 136.19%;单轴抗压强度和弹性模量的降幅分别达到55.76% ~ 66.09%、42.57% ~ 59.29%。含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体物理模型和数值模型的裂纹扩展模式大致相同,可划分为弹性阶段(S-Ⅰ)、裂纹萌生、扩展阶段(S-Ⅱ)以及残余强度阶段(S-Ⅲ)3个阶段。分形维数的演化特征与裂纹扩展密切相关,并提出了基于分形维数的裂纹起裂以及整体失稳的判据。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

巨厚薄层状顶板回采巷道围岩裂隙演化规律的相似模拟试验研究

运用相似模拟试验和分形几何理论，研究了受采动影响的回采巷道围岩裂隙产生-扩展-贯通-破坏的演化规律。巷道两帮围岩裂隙呈弧形向巷帮深处扩展，并按幂函数规律衰减；两帮顶板裂隙呈二次曲线演化规律：巷道上方顶板裂隙主要集中在巷帮上方。用裂隙密度分形维数定量描述了巷道围岩裂隙的分布和演化。研究结果有利于了解巷道围岩内部破裂的发生与发展规律，为选择巷道锚固方案和优化锚固设计参数提供了依据。     

分形理论研究采动裂隙演化规律

为研究煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的演化规律,通过室内相似材料模拟实验模拟了上覆岩层裂隙演化的全过程。运用分形理论方法,从煤层开采进度、裂隙倾角演化以及区域裂隙分布特征等角度定量分析了采动过程中、采动结束后上覆岩层裂隙的演化规律。研究结果表明:随着工作面的推进,分形维数随采距的推进呈现升维阶段—降维阶段—平稳变维阶段三个阶段的变化特征。根据采动后上覆岩层裂隙场分形维数大小对采煤区域的影响,将采动影响上覆岩层裂隙场定性划分为4个区域:垮落裂隙区、压实裂隙区、垂向裂隙区和离层裂隙区。通过分析裂隙张开程度及分形维数大小得出,垮落裂隙区、垂向裂隙区是主要的导水通道,离层裂隙区以水平流动为主、导水性一般,压实裂隙区导水性最差。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

干湿循环效应下裂隙性黄土单轴压缩力学特性

通过系统开展干湿循环效应下裂隙性黄土的单轴压缩试验,对干湿循环效应下裂隙性黄土的裂隙演化规律与单轴压缩力学特性进行了深入探讨。结果表明:不同倾角试样表面裂隙率R_sc与分形维数D_f均随干湿循环次数增加逐渐增大,但增速逐渐减缓;干湿循环效应对裂隙性黄土单轴压缩应力 应变曲线的类型及特征无显著影响;应力 应变曲线的初始斜率随干湿循环次数增加逐渐降低;不同倾角试样单轴压缩应力-应变曲线均表现为软化型,其中45°倾角试样的应力 应变曲线表现出“双峰”变化规律;不同倾角试样单轴抗压强度均随干湿循环次数增大表现出减速衰减特征;不同干湿循环次数下裂隙性黄土单轴抗压强度与裂隙倾角关系曲线均呈现出“双V”变化特征。     

泥岩压剪破坏裂隙演化规律及其分形特征

 运用非线性分形理论,通过对自然含水状态泥试样品的变角剪切压模试验,研究泥岩压剪破坏裂隙演化规律和破裂块体分布的分形特征。研究结果表明：(1) 使用变角剪切压模试验数据绘制莫尔强度包络线可获得满意的岩石材料黏聚力和内摩擦角参数;(2) 压剪破坏的载荷–加载点位移曲线形状类似于岩石的全程应力–应变曲线,分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段等4个阶段,可真实反映压剪耦合作用下岩块的变形破裂过程;(3) 压剪破坏是能量耗散的非线性动力学过程,破裂块体分布具有明显的自相似性,可用分形维数值表征破裂块体的块度分布特征;(4) 受破裂类型由张性破裂为主转变为剪切破裂为主的影响,随剪切角的增大,破裂块体分布的分形维数值呈对数关系递减。     

裂隙岩石非饱和渗流模型研究

由于岩石裂隙的分布遵循分形分布,在研究裂隙岩石非饱和渗流时,本文基于毛细吸持理论和分形理论,建立了分形维数与有效饱和度,水力传导系数间的关系,该模型为裂隙岩石非饱和渗流分形模型。探讨了分形维数与裂隙渗透率以及孔隙度的关系,本模型包含了Brook-Corey模型,当裂隙开度范围较大时,本模型与Brook-Corey模型一致。当裂隙开度范围不大时,本模型可以很好地描述有效饱和度、水力传导系数,因此,能比较好地描述岩石裂隙非饱和渗流特征,而此时Brook-Corey模型描述岩石裂隙非饱和渗流具有较大的误差。     

煤体的渗透性与裂隙分维的关系

通过研究煤体的渗透性与裂隙的分型规律，揭示了煤体的裂隙发育程度与分形维数的关系，得出煤体渗透性与裂隙分维关系式及煤体渗透性随体积应力、水压、分形锥数、强度的定量变化规律，对工程实际具有重要的指导意义。     

膨胀土裂隙发育的厚度效应试验研究

膨胀土的裂隙开展受到许多因素的影响,包括自身的土体性质,环境状况,边界条件、土体尺寸等。厚度对膨胀土等黏性土体的开裂规律具有重要的影响,为了探究这种重要因素在膨胀土失水收缩开裂过程中的具体影响规律,试验设置了4个具有不同厚度的大直径圆形泥浆试样。运用图像处理技术,通过记录试样的裂隙演化过程及质量的变化,定量分析裂隙面积分形维数、长度分形维数等指标随含水率下降的动态变化关系。试验结果发现:①厚度对膨胀土失水收缩开裂及裂隙扩展过程有明显影响,厚度较小的试样其裂隙发育充分,裂隙密集细长而纹理丰富;厚度较大的试样裂隙发育单一,裂隙宽大而边界效应明显,通过提出厚度和试样直径的比值,可以初步预估试样的裂隙发育情况;②裂隙面积分形维数受厚度的影响较小,而裂隙长度分形维数受厚度的影响较大,结合两者可以有效地对裂隙形态及分布进行表征,裂隙最终的长度分形维数一般在1～1.5,而面积分形维数基本维持在1.6～1.7。此外,结合土体开裂的张拉破坏理论以及试样的收缩蒸发情况,对厚度影响下的土体开裂差异进行了理论分析,进一步探究了裂隙的扩展规律。     

低围压下脆性岩石单裂纹扩展与影响因素分析

为了探究低围压下脆性岩石单个裂纹扩展与影响因素,开展了混合片麻岩室内岩石力学基本实验,确定了Sheorey强度准则参数;利用岩石滑动裂纹模型和非局部线弹性理论,在综合分析裂纹尖端应力场包括非奇异应力项的基础上,建立了混合片麻岩单裂纹扩展USR判据。理论分析认为:脆性岩石单个裂纹扩展过程分为缓慢、中等和加速3个阶段,并且裂纹逐渐向最大竖向压力方向扩展;影响因素分析表明:(1) 随着裂纹摩擦系数和裂纹倾角增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(2) 当侧压力为拉应力时,竖向应力随着裂纹扩展而减小;当侧压力为压应力时,随着测压力系数增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(3) 随着初始裂纹长度增大,竖向应力随着裂纹扩展而减小。     

次裂纹几何分布对裂纹岩体破坏机制影响研究

通过对含有裂纹的类岩石试件进行单轴压缩试验,研究次裂纹角度、长度以及岩桥尺寸对多裂纹岩体的破坏机制和裂纹扩展特征的影响规律。结果表明:次裂纹角度增加,初裂强度和峰值强度呈递增趋势,主、次裂纹闭合速度和宽度突增值减小,裂纹张开速度和剪切滑动变化值均增大。主、次裂纹之间岩桥贯通路径变短;次裂纹长度增加,初裂强度和峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度变化值和剪切滑动变化值均增加,次裂纹长度的增加降低了试件的完整度,岩桥贯通区域的椭圆形核体增大;岩桥尺寸增加,初裂强度呈递增趋势,峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度突增值和剪切应变增长值减小,裂纹张开速度和剪切应变突增值增加。分析总结了次裂纹几何分布对岩桥贯通的影响规律。     

非均匀岩石裂纹扩展机制的数值分析

应用东北大学开发的RFPA2D软件,通过数值手段对预制裂纹的非均匀岩石单轴加载条件下的裂纹扩展模式进行了研究,结果表明:非均质度越差,材料的破坏峰值强度越低;裂纹扩展模式受岩石均质度制约,当岩石的均质度较低时,裂纹扩展表面粗糙,且呈现断断续续方式扩展,并且在扩展中出现跳跃方式,与均质岩体有本质区别;均质岩体AE分布集中于裂纹尖端,而非均质岩体裂纹呈弥散分布,并最终逐渐集中而形成裂纹.     

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。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

温度场作用下的反射裂纹应力场分析

考虑了沥青混合料的热粘弹特性,结合热传导理论,通过有限元数值模拟,研究在温度场作用下反射裂纹的应力场。分析表明,在较低温度环境下,会使基层裂纹附近存在高应力区,当其应力值大于沥青的抗拉强度时,会导致裂纹的产生并扩展到路面形成路面裂纹。提出了采用聚酯纤维增强型沥青的阻裂方案,通过数值模拟验证了其有效性。     

钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。     

动载荷作用下含倒U型孔洞裂纹试件的动力损伤行为研究

裂纹群对隧道围岩的动力学特性影响机制复杂程度远大于单裂纹缺陷.为了研究裂纹群对隧道围岩破坏行为的影响机制,采用PMMA制备含倒U型孔洞裂纹模型试样模拟含裂纹缺陷围岩工况,利用落锤冲击试验机进行动态加载,分析遭受冲击载荷作用下裂纹群在围岩内的损伤演化规律,随后采用有限差分法软件进行数值分析,对比论证试验结果的科学性,及分...