不同加载速率下X型节理间相互干涉对岩体力学特性影响

X型节理岩体广泛分布于自然界,准确认识不同加载速率下X型节理岩体破裂失效机制对相关岩体工程的科学评价至关重要。文中通过制作X型节理岩体相似材料试件,改变主次相交节理的几何特征及加载速率,采用DIC技术实时监测主次节理尖端扩展,研究X型节理间相互干涉对岩体力学特性的影响规律。结果表明,不同加载速率下X型节理间的干涉效应对弹性变形阶段及屈服阶段的力学特性具有显著影响。对于含45°主节理的同倾向X型节理岩体,随着次节理倾角的增大,岩体起裂强度先减小后增大;而对于反倾向X型节理岩体,随着次节理倾角的增大,岩体起裂强度先增大后减小,且β=120°时干涉效应最强,其加载速率效应也先增大后减小。     

含交叉裂隙节理岩体锚固效应及破坏模式

 用相似材料制作含交叉裂隙岩体无锚及加锚试件,以主次裂隙之间角度、锚固位置及锚杆与加载方向之间角度为变化参数制作32组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究含交叉裂隙节理岩体的锚固效应及破坏模式。研究表明：在主、次裂隙位置不变的情况下,锚固位置在裂隙交叉点上方或下方时能得到锚固强度最大值,当锚固位置通过裂隙交叉点时,锚固强度不是最大值,但此时锚后试件峰值强度最稳定;大部分含交叉裂隙加锚岩体强度高于含单一裂隙加锚岩体;主、次裂隙夹角影响节理岩体加锚后力学性能,主、次裂隙夹角为30°左右时节理岩体锚固效果最好;锚杆增强了含交叉裂隙节理岩体抵抗裂隙扩展的能力,降低了含交叉裂隙节理岩体劈裂破坏出现的突然性。     

卸荷条件下岩石平行偏置双裂隙的扩展规律研究

岩质边坡中存在着大量的非贯通断续节理,对于开挖扰动下的边坡岩体强度及破坏模式起着重要的控制作用。为了研究边坡岩体在开挖扰动下内部节理裂隙的细观扩展规律,基于叠加原理与Kachanov法,推导了卸荷条件下平行偏置双裂隙的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了多种因素对裂隙间相互作用的影响规律,最后对含平行偏置裂隙的类岩试件进行了卸荷试验,结果表明:①主次裂隙间的裂隙错距或岩桥长度愈小、主裂隙长度愈大,裂隙尖端处的相互作用变化愈剧烈;②随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端张拉破坏的趋势愈发明显,而剪切破坏趋势减弱;③裂隙间的岩桥长度越大,应力强度因子放大系数受裂隙倾角的影响越敏感。通过对比理论上不同试件在侧向卸荷条件下的裂隙轴向起裂应力与试验测得的实际起裂应力发现,两者相对误差均在4.7%以内,证明了利用提出的理论方法计算裂隙的临界起裂应力是合理可行的。通过本研究揭示的卸荷条件下平行偏置双裂隙的扩展规律,可对露天矿节理岩质边坡在开挖过程中的细观破坏机制提供一定的理论依据。     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。     

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。     

节理间距对柱状节理玄武岩隧洞稳定的影响研究

在提出一种改进的包含节理间距的柱状节理模型的基础上,针对节理间距、节理倾角、围压三者联合作用对柱状节理岩体应力–应变曲线、岩体强度的影响进行了深入的研究。研究结果表明:(1)节理间距增大至一定程度时,其岩体强度等于岩块强度;节理间距减小至一定程度时,其岩体强度等于遍布节理强度;(2)节理间距对岩体应力–应变曲线的3个阶段均有较大影响,弹性变形、屈服强度和残余强度,均随着节理间距的增大而增大;(3)当围压增高时,节理间距导致的岩体劣化特征减弱,到达岩块强度和遍布节理强度的节理间距均减小;(4)当某一节理面倾角小于45°-φ/2或者大于45°-φ/2时,岩体不沿节理面破坏,即使改变节理面间距,其强度也不发生变化;而当节理面倾角大于45°-φ/2小于45°-φ/2时,岩体沿节理面发生破坏,并且随着节理面间距的增大,强度增大;(5)一类柱状节理可以按照遍布节理模型来考虑,但是二类、三类柱状节理由于节理间距较大不能按照遍布节理来考虑,而应采用本文所提出的包含节理间距的柱状节理模型。     

断续节理岩体声学力学特性试验研究

断续节理对岩体强度的影响及其评价方法一直是岩体力学领域研究的热点和难点。采用石膏制作含有不同节理倾角、密度及连通率组合的断续节理岩体试样,共计45组,每组试样先后开展超声波波速测试和单轴压缩试验,分析试样力学参数和声学参数间的关联特性,探索节理分布特征对岩体破坏模式及单轴抗压强度的影响,最终提出断续节理岩体单轴抗压强度的取值方法。结果表明,纵波波速与节理连通率呈正相关,随节理倾角增大近似"V"型先减后增;单轴抗压强度和弹性模量随节理连通率的增大而增大;单轴抗压强度随节理倾角的增大近似"U"型先减后增;总结提出了断续节理岩体的4种破坏模式,并认为节理与加载方向成45°夹角时最易破坏;最终提出了基于岩体及岩石纵波波速、岩石内摩擦角、节理倾角的岩体单轴抗压强度与岩石单轴抗压强度之间的拟合关系。     

含非贯通节理花岗岩的力学特性与细观起裂机制研究

非贯通节理复杂的起裂机制与破坏模式对岩体力学行为有着重要的影响。考虑节理倾角与贯通度的影响，基于花岗岩试样单轴压缩试验，分析非贯通节理对岩体力学特性及断裂特征的影响，结合三维离散元数值模型，从细观尺度研究裂纹起裂、贯通破坏过程与岩体宏观破坏的相关性，并建立含非贯通节理的断裂力学理论模型，引入应力强度因子一般表达式，分析非贯通节理的断裂韧性，量化节理倾角与贯通度对岩体抗脆断能力的影响。结果表明：非贯通节理对岩体造成的劣化效应显著，随着倾角的增加，节理岩体强度增加。根据裂纹形态与形成机制，区分了6种裂纹，发现节理试样的起裂破坏模式对强度特征影响显著。15°～75°范围内，试样的断裂韧度随节理倾角的增大有不断增大的趋势，其中，15°节理试样抗脆断能力最弱；随节理贯通度的增大，节理岩体的断裂韧性近似双曲线趋势减小。     

反倾角裂隙岩体压剪断裂及破碎特征研究

为了研究反倾角裂隙对边坡岩体压剪断裂及破碎特征的影响,制备反倾角裂隙模型试件并对其进行压剪试验;同时,建立断裂力学数值模型计算裂隙尖端应力强度因子。此外,对这些试件压剪试验后的碎屑进行筛分试验,引入分形理论定量描述压剪破碎特征及其与断裂特征的相关性。研究结果表明:(1)随着裂隙倾角数值的增大,试件抗剪强度总体呈先增大后减小的趋势;而裂隙尖端应力强度因子以及碎屑分形维数与裂隙倾角的变化规律正好相反。(2)试件压剪破坏模式可分为I型(沿裂隙剪切型)、II型(互锁型)、III型(穿切裂隙剪切型)3类;对于I型破坏模式,裂隙尖端应力强度因子最高,导致抗剪强度最低;对于II型破坏模式,裂隙尖端应力强度因子最低,导致抗剪强度最高;对于III型破坏模式,裂隙尖端应力强度因子较低,导致抗剪强度较高。(3)试件压剪试验后的碎屑尺度分布具有分形特征,分形维数位于2.06~2.59,在断层破碎带中也发现类似的结果;模型试件抗剪强度与对应的碎屑分形维数之间近似呈负线性相关关系,岩体压剪破碎特征与裂隙几何特征、应力状态以及断裂特征密切相关。     

节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散 试验研究

为研究闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展机制,采用有机玻璃模型,用切缝药包形成初始裂纹,进行爆炸加载下透射式动焦散试验.试验结果表明:2种节理对裂纹扩展影响都很大,初始裂纹都没穿过节理,但在节理两端产生翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展;在张开型节理试验中,切缝药包爆炸后25 μs时节理两端出现焦散斑,2条翼裂纹最长只有2.5 cm;闭合型节理则在1 μs时产生焦散斑,比张开型产生的时间早了24 μs,翼裂纹最长达5.6 cm.2种试验中翼裂纹尖端复合动态应力强度因子呈由小变大再变小振荡变化的趋势,初始阶段动态应力强度因子低于,闭合型应力强度因子峰值为1.72 MN/m3/2,大于张开型峰值1.28 MN/m3/2.研究结果可为节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据.     

含两条节理岩样压缩破坏行为的颗粒流模拟

利用颗粒流软件中平行粘结方式建立数值计算模型,通过校核室内试验数据确定数值模型的细观参数值,并采用smooth-joint在模型中设置两条断续节理,通过改变岩桥倾角和节理倾角,建立不同节理布置数值模型。从细观和宏观两方面,研究单轴压缩荷载下节理试样内接触力、微裂隙数量和节理岩体的破坏行为发现,峰值轴向应力之前,微裂隙数量增加缓慢,峰值轴向应力之后,微裂隙数量迅速增加;颗粒接触力易在节理端部和岩桥处聚集,在节理中间段附近分布较为稀疏,接触力较大的位置易产生裂纹;峰值轴向应力时刻,岩桥倾角为15°时,岩桥均未贯通,岩桥倾角为45°和75°时,绝大部分试样的岩桥贯通了,节理倾角为90°时,岩桥全部没有贯通。     

单轴压缩下节理间距和倾角对岩体模拟试件强度和变形的影响研究

通过含一组预置张开裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究了当节理连通率固定时,节理组的间距和倾角对试件强度和变形特性的影响。研究发现：①随着节理间距的增大,试件的应力-应变曲线的由单峰型变为多峰型,延性增大。试验中观察到的应力-应变曲线包括4种类型,单峰型、软化段多峰型、多峰平台后软化型和多峰平台后硬化型。②当节理间距不变时,试件的当量化强度、当量化弹性模量和第一峰值应变随节理倾角的变化曲线都呈V型,其最小值发生在节理倾角为45°处;而残余强度与强度之比和第二峰值应变随节理面倾角的变化规律则反之。③当节理倾角不变时,当量化弹模、当量化强度和第一峰值应变都随节理化系数的增大而减小;而残余强度与强度之比和第二峰值应变则反之。④各节理倾角下,试件的当量化弹模和当量化强度随节理化系数的变化规律可以用相同形式的幂函数来表示。⑤上述宏观力学行为与预制节理闭合、次生裂隙发展等细观损伤力学机制密切相关。上述研究表明,节理间距对岩体的强度和变形特性的影响有显著的各向异性。     

非贯通节理岩体边坡稳定性及破坏规律的数值分析

非贯通节理普遍存在于岩体边坡中,并对边坡的稳定性产生较大影响。利用数值分析软件Optum G2建立2类含非贯通节理岩体边坡的稳定性分析模型,采用shear joint单元模拟非贯通节理,基于有限元强度折减法得到不同节理(组)倾角、节理长度和岩桥长度下边坡的稳定系数F及破坏规律。研究结果表明,第一类模型中,随节理倾角α的增大,F先减小,再增大,最后基本保持不变。节理倾角等于边坡倾角时(α=60°),F有最小值,且节理长度越大,最小值越小,此时破坏面为由非贯通节理向坡脚发育的近圆弧状破坏面,而在其它倾角方向则影响较小;第二类模型中,随节理组倾角θ的增大,F先急剧减小(θ=30°时为最小值),再缓慢增大,最后缓慢降低。岩桥长度越小,F越小,在θ=30°时最为显著。此时破坏面呈不规则状,节理裂隙扩展路径由重力作用从上往下发展,并由一非贯通节理端部向相邻节理端部直线发展,当岩桥长度较小时,节理裂隙扩展路径更为复杂和密集。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

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。     

充填柱状节理类岩石材料的试验研究

 考虑不同高径比及充填节理特征等对岩石强度变形特性等的影响,在实验室中进行相似材料的模型试验研究。分别对完整试件,“十”节理试件和“井”节理试件进行单轴压缩和剪切试验,得到如下结论：(1) 在压缩和剪切试验中,3组试件都表现出X状共轭斜面和单斜面剪切破坏,其破坏迹线总趋势相似;(2) 完整试件受尺寸效应影响明显,节理试件受结构弱化影响显著,并且受充填物影响,节理密度与强度之间的比例关系不突出;(3) 在2种节理试件中,弹性模量E和黏聚力c无明显变化,但内摩擦角受充填节理的影响较明显。     

Responses of jointed rock masses subjected to impact loading

Impact-induced damage to jointed rock masses has important consequences in various mining and civil engineering applications. This paper reports a numerical investigation to address the responses of jointed rock masses subjected to impact loading. It also focuses on the static and dynamic properties of an intact rock derived from a series of laboratory tests on meta-sandstone samples from a quarry in Nova Scotia, Canada. A distinct element code (PFC2D) was used to generate a bonded particle model (BPM) to simulate both the static and dynamic properties of the intact rock. The calibrated BPM was then used to construct large-scale jointed rock mass samples by incorporating discrete joint networks of multiple joint intensities into the intact rock matrix represented by the BPM. Finally, the impact-induced damage inflicted by a rigid projectile particle on the jointed rock mass samples was determined through the use of the numerical model. The simulation results show that joints play an important role in the impact-induced rock mass damage where higher joint intensity results in more damage to the rock mass. This is mainly attributed to variations of stress wave propagation in jointed rock masses as compared to intact rock devoid of joints.