不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

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。     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

含尖端相交裂隙岩石的破裂特征

依据相似理论选取与白砂岩性质相似的模拟材料,制作含尖端相交裂隙试样并进行单轴压缩试验,分析2条相交裂隙夹角α和α角的角平分线与水平方向的夹角β对白砂岩破坏模式、力学特性的影响。采用离散元软件PFC~(3D)对试样进行建模,模拟试样在单轴压缩下裂纹的扩展,得到了单轴压缩作用下试样的裂纹扩展特征和起裂应力变化规律。结果表明:1)随着α角的增大,试样峰值强度逐渐降低,预制裂隙内尖端裂纹发育水平逐渐提高;2)随着β角的增大,试样峰值强度逐渐提高,预制裂隙内尖端的裂纹发育水平逐渐降低;3)物理试验与数值模拟结果吻合较好,α角对起裂应力影响较大,随着α角的增大,起裂应力逐渐减小,起裂应力的大小几乎不受β角影响。     

基于单轴压缩试验的岩石单裂纹扩展及损伤演化规律研究

通过室内试验,利用数字图像相关方法(DICM)等研究手段,对含不同预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的裂纹扩展规律及岩体细观损伤演化机制进行系统研究。研究表明:预置单裂纹倾角?为15°和30°时,最大应变集中在预置裂纹的尖端靠内侧的位置,新裂纹为翼裂纹,起裂主要受张拉应力控制;当?增大到60°和75°时,最大应变集中区移动到裂纹尖端区域,新裂纹为次生裂纹,起裂主要受剪切应力控制;倾角?=45°时试样包含2条裂纹扩展路径,为2种裂纹类型转变的临界角度值;随着倾角?的增加,试样起裂应力逐渐增大;当?=30°时,试样的单轴抗压强度最低,裂纹的扩展速度最快;裂纹扩展主要受张拉应力控制时,试样的单轴抗压强度和起裂应力均显著低于主要受剪切应力控制时的情况。     

含交叉裂隙岩石试样单轴力学特性与破坏机理

为系统性地研究节理岩体在单轴压缩试验条件下其力学特性及破坏机理,利用MTS-815岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律。与完整岩石试样力学参数相比,含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小,含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小。在加载过程中,含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。一般地,含交叉裂隙岩石试样裂纹从预制交叉裂隙尖端起裂,首先贯通同侧预制裂隙形成反翼型裂纹,最终呈拉伸劈裂型破坏。     

含预制椭圆形孔洞大理岩变形破坏力学特性试验研究

通过对含预制椭圆形孔洞板状大理岩试样进行单轴压缩试验,研究椭圆长短轴比m及倾角?对大理岩力学特性的影响,并借助数字图像相关技术(DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。研究发现,含椭圆形孔洞试样的峰值强度、弹性模量和起裂应力水平都随倾角的增大而增大,且对倾角和长短轴比的变化都有不同的敏感性,其中峰值强度对倾角变化的敏感程度随长短轴比的增大而增大。含椭圆形孔洞试样的最终破坏模式随倾角的增大可分为拉–剪混合破坏和剪切破坏2种,而孔洞长短轴比的变化对裂纹搭接及岩样破坏形态的影响较小。含椭圆形孔洞岩样在峰值前后的变形破裂特征能够通过观测试样表面应变场得到清晰地表征,其中局部高应变区预示着裂纹的起裂和扩展。基于局部化特征,提出一种含孔洞缺陷岩石起裂应力的测量方法,当含椭圆形孔洞试样起裂应力水平达到39.83%～76.18%时,试样处于拉伸裂纹临界起裂状态。     

基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析

模拟脆性岩石破坏时,现有的平节理模型没有考虑固有微裂纹导致的应力-应变曲线非线性特征,也没有将起裂强度作为细观参数的标定基准。以花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线特征、起裂强度、巴西劈裂抗拉强度、库仑摩擦角以及黏聚力作为基准,标定平节理模型细观参数,并分析宏细观参数间的趋势关系。以标定后的参数建立精确平节理模型试样,与不考虑固有微裂纹的常规平节理模型试样一起进行30°单裂纹岩石压缩数值试验,以室内试验数字图像相关方法得到的应变场为基础,对拉剪微裂纹萌生规律、数量以及分布特征进行分析,验证了提出的平节理模型参数标定方法,并表明固有微裂纹在宏观层面上改变了单轴压缩应力-应变曲线特征,而在细观层面上对预制裂隙尖端初始裂纹的起裂模式、拉剪微裂纹的扩展分布规律均有较大影响。     

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。     

岩石结构面尺寸效应的数值仿真研究

从岩石结构面尺寸对岩石强度变化与破坏模式的研究出发,为了全面地研究其影响性,建立了不同裂隙倾角下不同尺度大小的颗粒流数值模型,进行单轴压缩数值试验。结果表明:随着裂隙尺度的增大,岩石的抗压强度有所降低,起裂和达到峰值强度所需的应变更小;随着裂隙夹角的增大,岩石的抗压强度有所增加,但其随尺度变化的敏感度有所降低,同时裂隙尺度对起裂点的影响也越来越小;在本文预制裂隙张开度,单轴压缩作用下,达到岩石峰值强度时裂纹贯通模式受裂隙倾角影响较大。     

岩石平行偏置裂纹相互作用规律分析

岩石中各种类型裂隙的相互影响是致使其变形破碎的重要原因,基于经典Kachanov法,通过分析所得应力强度因子比变化趋势,分别研究了拉剪和压剪两种状态下平行偏置双裂纹间水平距离、垂直距离、裂纹长度以及裂纹倾角对其相互作用的影响规律,对含不等长平行偏置裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验,通过预制裂纹的起裂扩展和起裂荷载变化规律对理论分析进行了对比验证。结果表明:裂纹间的相互影响包括强化、屏蔽和零效应三方面,且随水平距离、垂直距离、裂纹长度和倾角的不同而相互转化;距离裂纹尖端越近,屏蔽和强化作用变化越剧烈,K_Ⅰ,K_Ⅱ分别在裂纹倾角为60°和30°时变化较剧烈。     

基于最大周向拉应变断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

通过对裂纹尖端应力场Williams展开式中非奇异应力项(T应力)的考虑,建立基于最大拉应变准则的岩石裂纹水力压裂的开裂判据,推导临界水压和起裂倾角的计算式。以此为依据计算水压致裂中的临界水压和临界偏转角的变化规律,分析裂隙倾角、围压、临界裂纹区尺寸、T应力、泊松比等因素对其影响作用。研究结果表明:随着围压、临界裂纹区半径以及泊松比的增加,起裂临界水压增大,临界偏转角逐渐减小。T应力对水压驱动型裂纹的扩展影响较小,但对外荷载作用下的裂纹扩展特征却有显著的影响。通过与试验结果的对比,考虑T应力的计算结果更为合理。     

灰岩单轴压缩损伤演化试验研究

利用单轴压缩试验,研究了裂纹应变随加载速率的变化规律,得到了不同加载速率下黄龙灰岩的起裂应力。黄龙灰岩的起裂应力约为峰值强度的95%以上,裂纹起裂应力随加载速率增加而增加,而且加载速率越高,破坏后的岩石碎块的尺寸越小。根据岩石黄龙灰岩单轴压缩过程的声发射特征,得到了岩石内部微裂纹演化特征。随着裂纹的不断扩展,岩样出现了明显的损伤局部化现象。最后,利用滑移裂纹模型,分析了黄龙灰岩动态损伤演化机制,得到了加载速率与裂纹起裂应力的关系,同时获得了临界裂纹长度与加载速率的关系。     

张开度影响的裂隙体破断机制探讨

预制裂隙闭合形态是影响裂隙体模型破坏模式及破断机制的重要因素。为了系统探索裂隙闭合形态对裂隙体试件破断机理的影响,基于插片法用水泥砂浆材料制备了具有4种不同张开度的裂隙体试件,在RMT-150B试验机上开展了单轴加载试验,发现:裂隙体张开度为0.1 mm时,不同倾角裂隙体峰值强度变化规律与滑动裂纹模型理论(μ=0)揭示规律相吻合;张开度为0.2,0.4,0.8mm时,不同倾角裂隙体峰值强度变化规律与滑动裂纹模型理论预测规律不一致。为探索压缩条件下张开裂隙模型的破断力学机制,基于弹性力学椭圆孔渐进应力场环境,结合应力叠加原理,分析了渐进应力场中法向压应力和横向压应力对孔口应力集中现象的贡献,给出了任意倾角椭圆型裂纹孔口环向集中应力的表达式,然后对试验过程中水平展布预制裂隙微裂纹发育特征与破断屈服过程的力学机理进行了分析和讨论;并基于线弹性断裂力学理论,讨论了渐进应力场中剪应力对尖端微裂纹发育的力学作用机理。     

加载速率影响的含裂隙类岩石材料破断试验与数值模拟

为了探索加载速率对裂隙岩体强度规律及变形特征的影响,分析加载速率与裂隙倾角复合因素影响下裂隙岩体破断响应规律,室内制备含不同倾角裂隙类岩石试件,基于RMT–150B对其进行不同加载速率下的单轴压缩试验,结果表明:在静态加载条件下,裂隙体峰值强度对应应变值与加载速率呈负相关性;相同裂隙倾角下,裂隙体峰值强度呈现出随加载速率的增加而非线性增大的规律;相同加载速率下,裂隙体峰值强度受控于裂隙倾角,在裂隙倾角为15°时出现最小值;裂隙体弹性模量同时受裂隙倾角和加载速率的影响,并随裂隙倾角的增大而近似线性增大,随加载速率的增加而非线性增大,并趋近于一个常数。为弥补室内试验测试技术在反映裂隙体微观形态上的不足,运用PFC2D数值计算平台,基于平直节理接触单元构建裂隙体数值分析模型,设定与室内试验测试环境相同的边界条件,对比完整试件变形破坏特征数据,标定数值模型细观力学参数;数值模拟试验发现:裂隙体峰值强度与裂隙倾角及加载速率之间的关系与室内试验测试结果相吻合;同时获得数值模拟试验过程中的裂隙尖端应力响应规律,发现15°时裂隙尖端应力集中现象最显著。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

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。