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...     

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。     

不同单一裂隙倾角对岩体破坏特征的影响

为了探求不同裂隙倾角对岩体破坏特征的影响,针对相似模拟试件进行室内试验。通过试验研究了单轴压缩含有裂隙试件的岩石断裂和节理滑动行为。经测试的岩石模型具有与水平倾角为0°、30°、45°、60°、90°的持久单一裂隙。结果表明,在单轴条件压缩下,完整试件的强度高于存在裂隙的试件;预制裂隙倾角影响着裂隙的发育程度,通过试验结果将裂纹发育程度从大到小排列依次为:60°、45°、0°、30°、90°;不同预制裂隙倾角试件的单轴抗压强度曲线近似成倒U型,并且预制裂隙的倾角在30°与45°之间存在着对试件强度影响最大的角度。     

不同裂隙角度对岩体强度影响研究

裂隙在地下岩体中普遍存在,为了研究裂隙角度对岩石强度的影响,该试验采用与岩石相似的模型材料制作类岩石模型试样,通过在相似材料内预制裂隙来模拟不同裂隙角度的岩石,利用RMT150数控电液伺服试验系统测定不同裂隙角度类岩石材料强度。试验结果表明:试件的峰值强度随着裂隙角度的增大表现出先减小后增大的趋势,并在90°时达到最大。     

层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响研究

具有层面倾角的组合岩体具有明显的倾角效应,其力学性质会随着层面倾角大小的变化而改变。为了探究层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响,通过理论分析和室内实验相结合的方法,得到了单轴压缩下不同层面倾角岩石试样的RA值、应力-应变曲线、峰值强度以及弹性模量。结果表明：不同层面倾角组合岩体在加载初期主要发生剪切破坏,加载到后期贯通扩展为拉伸破坏;倾角15°试样主要发生剪切拉伸复合破坏,倾角25°试样主要发生剪切滑移破坏;峰值强度和弹性模量都随着层面倾角的逐渐增大而减小。     

裂隙网络几何参数对岩体抗压强度影响及破坏模式研究

当前矿山巷道局部垮塌现象严重,其诱因多为岩体内部裂隙发育扩展,进一步导致岩体丧失自稳平衡能力而破坏。为探究裂隙几何参数对岩体强度性能的影响及其破坏模式,将离散元软件(PFC)与裂隙网络相结合,进行了岩体单轴抗压模拟。结果表明:岩体抗压强度随裂隙岩体中裂隙密度、倾角不断增大,分别呈负相关及“U”形分布趋势,裂隙倾角为45°时岩体强度最低;岩体破坏模式受裂隙形式影响,平行裂隙对岩体的影响程度较大。研究成果在一定程度上揭示了裂隙在岩体中的发育规律,也是影响岩体强度的关键因素,对探究工程中裂隙岩体稳定性及破坏过程有一定的参考意义。     

考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷,为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式,基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数,采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明:1)单轴压缩条件下,根据裂纹分布规律的不同,提出了3种破裂形态,分别为"X破裂形态"(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、"完全破裂形态"(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、"中间形态"(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界;2)试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关,随倾角增加呈现先减后增的"对勾"形趋势;3)侧压力增加,试样峰值强度呈对数形式增长,45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高;4)双轴压缩对比单轴压缩,新生裂纹数量显著减少,细长裂纹转变成片状破碎区域。     

侧向压力对裂隙岩体破坏形式及强度特征的影响

为系统地研究侧向压力对裂隙岩体的破坏形式及强度特征的影响,利用RMT-150C电液伺服机及侧向加压设备对含预制裂隙石膏试样进行了双轴压缩试验。试验结果表明:1随着侧向压力的增加,应力-应变曲线延性增强,表现出典型的塑性变形特征。2不同侧向压力条件下,裂隙试样破坏形式主要包括初始裂隙起裂破坏、侧向劈裂破坏和表面剥落破坏3种。3侧向压力与试样抗压强度及弹性模量等强度参数呈现非线性增加关系。进一步通过声发射监测发现,侧向压力也会明显地降低加载初期试样的声发射能量和计数。试验结果与相关文献和工程实践现象具有很好的一致性。     

复合岩样中单裂隙几何特征对其破坏模式及强度的影响

大量矿山岩体工程中广泛存在着不同性质岩石相互接触,局部构成了典型的复合岩体,复合岩体的破坏相对于单一岩体更为复杂,为探究复合岩体中裂隙几何特征对其整体破坏模式及强度的影响,对含单裂隙的复合岩样进行了单轴压缩模拟试验。结果表明:在单轴压缩条件下,裂隙倾角或长度越大,复合岩样中力学性能相对较弱一侧的裂隙扩展尤其是反翼扩展范围越小,其破坏模式呈现出"X"→"y"→""的过渡变化特征;复合岩样整体强度与裂隙长度、裂隙倾角分别呈现出线性负相关和"S"型非线性正相关,而对于裂隙平行于轴向荷载的复合岩样,其整体强度与完整复合岩样整体强度较为接近,研究结论在一定程度上揭示了复合岩样的破坏过程,能够为复合岩体工程的加固提供理论支撑。     

卸荷条件下的裂隙岩体力学特性研究

岩土工程界绝大多数领域涉及到的是岩土体的卸荷过程,研究裂隙岩体在卸荷条件下的力学特性具有非常重要的理论和现实意义。在线弹性断裂力学理论的基础上,建立了裂隙岩体概化模型,分析了裂隙岩体分别在最小主应力和最大主应力卸荷条件下的应力强度因子和变形特性。研究结果表明,裂隙岩体沿不同应力路径卸荷,其应力强度因子和表现出来的力学特性是不同的,裂隙岩体沿最小主应力卸荷只具有沿最大主应力卸荷条件的某一阶段特性。     

破裂岩体承压注浆加固力学特性试验研究

在完整岩样单轴压缩试验的基础上,采用自制注浆系统对破裂岩样进行了承压注浆加固和固结体的力学特性试验,并利用 KH-3000视频仪对注浆加固前后岩样的微观结构进行了观测和分析。研究结果表明：破裂岩样存在大量的贯穿裂隙,岩样破坏以张拉破坏为主;承压注浆后,破裂岩样的张拉和倾斜破裂面得到了不同程度的充填和固结,其强度与破裂岩样残余强度相比有较大的提高,但强度恢复系数不高;承压注浆能够促进破裂岩样的变形由脆性向延性转化,并使其侧向变形和轴向变形趋于协调;围压水平对浆液注浆量、岩样径向应变、注浆固结体强度及强度恢复系数有着很大影响,随着围压的增大,加固效果显著增强。     

离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响研究

构建不同结构特征的离散裂隙网络,然后建立相应的等效岩体模型,通过单轴压缩数值试验得到等效岩体模型的力学参数,分析离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响。结果表明：随着裂隙密度P₃₂的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变近似线性递减,泊松比近似线性递增；随着裂隙倾角均值的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变先减小后增大,泊松比先增大后减小,在60°时达到极值；对于裂隙倾角的分布特征,当裂隙倾角均值为60°时,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随Fisher分布常数的增加而减小,泊松比随Fisher分布常数的增加而增加,而对于其它裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数对裂隙岩体力学参数的影响较小；对于裂隙直径的分布特征,幂律分布指数对裂隙岩体力学参数的影响较小；敏感性分析结果表明,单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。     

煤的厚度对煤岩组合体物理力学特征的影响规律分析

为了研究煤岩组合体中煤的厚度对其物理力学特征的影响规律,以布尔台煤矿粗粒砂岩、煤和煤岩组合体试样为研究对象,利用RMT-150C力学试验机对各试样的单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变进行研究。研究结果表明,煤岩组合体中煤的厚度对其密度和波速有显著的影响,煤岩组合体的波速和密度随着煤的厚度增大而逐渐减小;煤的厚度对煤岩组合体的单轴抗压强度影响较小,但对其峰值应变和弹性模量有显著的影响。与粗粒砂岩相比,在煤岩组合体中的煤厚为5、10、15、20 mm时,峰值应变分别增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%,峰值应变随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐增大;弹性模量分别降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%,弹性模量随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐减小。研究成果有助于进一步揭示巷道支护困难、矿压显现剧烈,以及地表台阶下沉等现象的内在原因。     

岩体结构控制下的边坡变形破坏模式分析

结合某一水电工程,分析坝址区主要II级结构面的特征,指出断层F11和五庙坡断层带（F6、F7、F8）对边坡变形和稳定性起控制作用;通过地质分析概化出考虑主要结构面的三维数值分析模型,研究蓄水工况下边坡岩体的位移和剪应变增量分布特征;根据地质分析和数值模拟结果提出蓄水之后边坡特有的变形破坏模式,上盘岩体沿着断层F11剪切滑动从而挤压五庙坡断层带产生压缩变形。对边坡岩体的主控结构面断层F11和五庙坡断层带应进行必要的防渗和加固处理。     

强力锚杆杆体断裂失效的微细观试验研究

针对屈服强度500 MPa以上矿用锚杆杆体容易出现断裂失效的问题,采用化学成分分析、力学性能测试、扫描电镜及金相显微等综合试验手段对两种破断强力锚杆进行了分析,结合锚杆的实际受力特征及断裂失效分析学理论,从微细观机制初步揭示了杆体破断原因。结果显示材质及加工缺陷等内在属性是断裂的内因,工作环境、应力腐蚀及复杂受力状态是外因,锚杆的韧性则决定了断裂的类型和断口形态。并相应提出了减少杆体破断几率的综合方法,包括改善受力状态、全长锚固、优化外形、防腐蚀处理等。     

冻融作用下露天边坡岩石物理力学特性研究

通过模拟高寒地区自然条件,对牛苦头矿区露天边坡4种典型的岩石样本进行冻融循环试验,测定岩石的质量、强度变化特性,分析其外观特征、质量损失率及抗冻系数的变化。试验结果表明,岩样的质量在冻融状态下有较小降低,影响甚微;岩样在冻融初期其微观结构变化较大,冻融作用对岩石造成的损伤较大,而冻融后期其对岩石造成的损伤相对较有限。岩样在冻融作用后抗冻系数变低,矿区岩体抗冻性相对较强。试验结果为边坡稳定性研究提供基础数据,指导矿山以后的安全生产。     

基于Smooth-Joint模型的层状页岩力学特性研究

普光气田陆相页岩气资源潜力巨大,侏罗系千佛崖组一段页岩气大面积分布,埋深适中,页岩气资源量为4 239.5亿m³。为实现页岩气的高效开发,在室内页岩单轴压缩力学试验的基础上,利用颗粒离散元法建立页岩的单轴压缩模型和Smooth-Joint节理模型,探讨宏观各向同性页岩单轴压缩破坏、变形及强度特征,以及不同Smooth-Joint节理倾角对岩石力学特性的影响。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,即节理面倾角θ=45°+φ_s/2时,岩体受压破坏沿节理面发生,岩体强度下降得最多;层状页岩单轴压缩全应力—应变曲线可以分为5个阶段,阶段Ⅰ岩样内部裂纹闭合体积减小、阶段Ⅱ弹性变形过程(总体积应变增量等于弹性体积应变增量)、阶段Ⅲ裂纹稳定扩展(弹性变形)、阶段Ⅳ裂缝非稳定扩展(塑性变形阶段)、阶段Ⅴ试件裂缝继续扩展延伸直至达到峰后强度σ_p停止。该研究结果为普光陆相千佛崖组页岩气的开发提供...     

单轴压缩下破裂岩样强度及变形特征

巷(隧)道围岩的显著特点为破裂后承载,破裂围岩强度及变形特征的正确评价对其围岩稳定控制意义明显。以从已破坏返修段巷道现场采集的破裂岩样为研究对象,根据其现场多处于近似零围压或低围压的应力环境,借助MTS伺服试验机对其单轴压缩下再破坏时的强度及变形特征进行系统研究。结果表明:破裂面对岩石的峰值强度产生明显的影响,对残余强度无直接决定性的影响;破裂岩样全应力-应变曲线总体可分为单峰型和多峰型2类;破裂面对岩石的割线模量及泊松比、峰值轴向应变影响不明显,但对峰值环向及体积应变影响明显;破裂岩样破裂面扩展过程及最终的破坏模式与原主破裂面的角度有关,主破裂面与加载方向近乎平行时,多发生竖向劈裂破坏,当两者垂直时,多发生竖向劈裂与横向主破裂面贯通破坏,其他情况大多发生竖向劈裂与剪切组合破坏模式;破裂岩样表面破裂面分布具有明显的分形特征,且其单轴压缩峰值强度与其表面破裂面盒维数两者之间总体符合线性单调减函数关系。