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。     

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。     

卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

 岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。     

水–力共同作用下预制裂隙类岩石试样裂纹扩展试验研究

为研究裂隙岩体在水–力共同作用下的强度变形特征和裂纹扩展规律,使用高强石膏采用预埋薄片法制作含不同角度裂隙的类岩石试样,在围压6 MPa下,分别施加1,3,5 MPa水压,对完整及含不同角度裂隙的试样进行三轴试验,分析力学特性和破坏形态,揭示裂隙岩体在水–力共同作用下的破坏规律。试验表明,含裂隙试样随着水压的增大由延性破坏向脆性破坏转变,三轴压缩强度、峰后残余强度和弹性模量均随水压增大而减小,随裂纹倾角增大而先减小后增大,且水压对含裂隙试样力学特性的削弱程度受预制裂纹倾角的影响。完整试样破坏断裂角随水压增大而增大,并由剪切破坏向劈裂破坏转化。含裂隙试样的破坏形态主要为剪切破坏,当预制裂纹倾角较小时,含裂隙试样破坏形态受水压影响显著,高水压下试样呈"X"型破坏;当预制裂纹倾角较大时破裂面呈单一倾斜面,且角度基本与预制裂纹倾角一致。     

含水平裂隙的3D打印类岩石试件力学特性研究

为探究裂隙张开度对裂隙岩体力学特性的影响机制,利用3D砂型打印技术制备含水平裂隙的类岩石试件,考虑不同的裂隙张开度,对其进行单轴压缩试验;通过有限元数值模拟从应力分布的角度解释试验现象;结合数字图像相关方法进行非接触式全场变形观测,定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。研究结果表明：通过3D砂型打印技术制备的裂隙类岩石试件具有更接近于天然岩石的物理力学特性,且试验结果具有很好的可重复性,测试所得的力学参数变异系数小于0.046;含不同水平裂隙张开度的类岩石试件应力■应变曲线大致相似,峰值强度随着裂隙张开度的增加而逐渐减小,最后趋于稳定;裂隙张开度的增加导致试件起裂应力逐渐增大,但裂纹均起裂于裂隙中部,这与主应力最大值及其分布位置有关;数字图像相关方法可实现试件加载过程的应变全场测量,应变局部化带的渐进演化反映了裂纹起裂、扩展以及贯通行为;计算裂纹扩展路径周边的位移矢量分布,识别出张拉、剪切、拉剪3种位移场类型,发现裂隙张开度的改变不会影响试件破坏模式,均表现为拉剪混合破坏。研究有助于进一步加深裂隙岩体力学特性的认识,也为3D打印技术在岩石力学试验的应用提供参考。     

预制裂隙花岗岩动静组合加载力学特性和破坏规律试验研究

为了研究动静组合加载下深部含裂隙岩体的力学特性和破坏规律,选用花岗岩加工制备50 mm×50 mm含裂隙的圆柱形试样,采用改进的霍普金森压杆装置,进行6个典型轴压水平和3个冲击气压水平的动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。试验结果表明,裂隙的存在降低了花岗岩试样的抗压强度;随着轴压的增大,试样动态强度和动态弹性模量整体呈先上升后下降的趋势,组合强度基本呈上升趋势,动态应变则呈下降趋势;随着冲击气压的增大,试样动态强度和组合强度均增大,表现出显著的应变率效应。试样的能量吸收率随轴压增大呈先上升后下降的趋势,但在常规静载轴压比0.6～0.7时转而释放能量,并且轴压越大,释放能量所需的冲击气压越小,表现出硬岩岩爆特征;随着冲击气压增大,试样能量吸收率有所下降。对于完整试样,局部高应变先在试样端部集中并形成拉伸起裂裂纹,最终呈劈裂拉伸破坏;对含预制裂隙试样,局部高应变大多先在裂隙尖端或附近集中并形成翼裂纹,最终在轴压0～30 MPa动静组合加载下呈拉剪复合型破坏,但受端部效应影响,在轴压50～70 MPa动静组合加载下,裂隙尖端会形成2条近...     

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。     

断裂破坏强度模型在大型油库山体边坡支护中的应用

岩体中存在大量孔洞、节理和裂隙，它们作为岩体的初始损伤而存在其中。正是由于这些节理裂隙的初始损伤、损伤演化、扩展断裂等缺陷导致岩体产生了各种形式的破坏。根据节理裂隙的扩展断裂机理，深入研究了节理扩展及扩展相互作用对岩体强度特性的影响，建立了节理岩体断裂破坏强度模型，并将该模型用于指导广东大湾油库山体高边坡支护设计，取得了令人满意的效果，创造了显著的经济效益。     

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙，导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移2种失稳破坏机制，运用分形和统计断裂力学方法探讨了2种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明，岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关，分形维数增大导致岩体强度非线性降低。     

循环荷载下裂隙对加固体强度及破坏模式影响

盾构端部加固体中的裂隙对加固体的强度及破坏模式具有不同的影响。基于沈阳市地下综合管廊实际工程,用三组不同配比的水泥砂浆模拟端部加固体,用预制PVC片模拟试件中0°、30°、60°、90°的单裂隙和30°、60°的平行双裂隙。对预制裂隙试件进行循环加载试验,研究存在裂隙的端部加固体力学特性和破坏模式。研究结果表明:胶结能力较好的1∶1配比的端部加固体预制裂隙试件具有最大的疲劳峰值强度和疲劳寿命,其疲劳峰值强度和疲劳寿命均会随着胶结能力的减弱而减小;裂隙的存在会使试件的疲劳峰值强度和疲劳寿命降低,尤其当试件出现竖向劈裂破坏时,竖向裂隙对其疲劳强度和疲劳寿命的影响尤为明显;单裂隙试件多为拉―压破坏和剪切破坏,双裂隙试件多为共轭剪切破坏,并伴随有明显的共轭剪节理出现。     

双裂隙类砂岩冻胀断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体受冻融作用的影响经常发生断裂破坏。为了研究岩桥倾角对裂隙岩体冻胀扩展过程、断裂破坏特征以及强度损失的影响机制,利用相似材料制备含不同岩桥倾角的双裂隙类砂岩试样,并开展一系列裂隙注水、不注水的冻融循环和单轴压缩试验,得到冻胀裂纹扩展特性及对类砂岩力学特性的影响规律。研究结果表明:(1)受裂隙冻胀力的驱使,冻胀裂纹不断扩展延伸,并伴随着"枝状"微裂纹的生长;(2)冻胀裂纹的外尖端主要沿着初始裂隙方向扩展,而内尖端受应力干扰作用会朝着另一条预制裂隙外尖端发生偏转,且岩桥倾角?越大,这种偏转效应越明显;(3)试样单轴压缩破坏模式容易受到冻胀裂纹的影响,当岩桥倾角?=90°～135°时,主要沿着冻胀裂纹方向发生剪切破坏,导致试样强度明显降低;而当?=180°时,冻胀裂纹不再是试样单轴压缩破坏的主要诱因,对其强度损失和断裂特征几乎没有影响。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

基于声发射振幅分布的裂隙岩体破坏演化过程

一般而言,岩石力学问题在工程尺度上是裂隙岩体的力学行为问题,尤其是裂隙岩体在荷载作用下的强度分布、变形特征及破坏演化规律。以软岩(煤岩)为研究对象,对完整煤岩进行预加载获取裂隙煤岩体试件,并在统计意义上将其划分为含单一裂隙及含多条裂隙煤岩体,进而利用试件在加载破坏过程中的声发射现象及其最大振幅的分布规律,研究完整煤岩及裂隙煤岩体在单轴加载条件下的破坏演化过程及差异。研究结果表明:定量指标b值能够描述破坏演化过程中AE事件最大振幅的分布规律,其值越大,破坏裂隙扩展所受的阻碍越大;不同应力水平条件下,随着荷载的增加,b值整体呈降低趋势;在相同应力水平条件下,内部所含裂隙越多,b值越大;完整煤岩及裂隙煤岩体在破坏演化过程中b值的变化规律显示,当b值的降低幅度趋于平缓时,可作为试件即将破坏的前兆。研究成果可为利用声发射技术进行现场监测预警提供试验依据。     

复杂应力条件下裂隙网络扩展机制试验研究

裂隙岩体是工程最普遍的施工对象之一,工程扰动下裂隙的萌生、扩展和贯通均对岩体变形及强度特性产生显著影响。利用RMT–150C试验机及侧向加压设备,对含不同形式预制裂隙类岩石试样开展单轴及双轴压缩试验。结合不同加载条件下岩体裂隙扩展路径、破坏模式及声发射能量特征分析,并根据声发射定位事件特征,研究岩体裂隙网络在复杂应力条件下的扩展机制。分析结果表明:(1)侧向压力作用下,应力–应变曲线延性逐渐增强;(2)新生裂隙均自初始裂隙尖端产生并扩展,且侧压使得裂隙扩展路径会发生明显偏转;(3)声发射事件空间定位与宏观裂隙扩展过程具有较好的对应关系;(4)典型试样裂隙扩展前声发射定位事件占总定位事件比值均在80%以上,表明宏观裂隙扩展源自微裂隙的损伤累积。研究成果对于更加真实地分析模拟工程岩体失稳过程具有重要指导意义。     

压应力作用下裂隙岩体的断裂模式与强度特性

分析和研究了在压应力作用下岩体裂纹的断裂破坏模式.在单轴或低围压情况下,岩体滑移裂纹为翼形张拉裂纹断裂扩展,并表现出一种稳定扩展状态,裂隙岩体破坏强度值则需要通过多裂纹排列的相互作用断裂模型来分析和确定,围压对翼形张拉裂纹的产生和扩展起着非常敏感的抑制作用.随着围压的增加,裂隙岩体的张拉断裂脆性破坏形式将向延性剪切破坏模式转化,裂隙岩体破坏强度值与裂纹剪切失稳断裂相对应.     

多级时效荷载下双裂隙砂岩变形与破裂特征试验研究

 实际工程中,岩体在进入最终应力状态前会经历多级时效荷载的作用。为研究该荷载下裂隙岩体强度、裂纹扩展和变形特征等的变化规律,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展多级时效荷载下的三轴压缩试验。试验结果表明：多级时效荷载下,3种不同裂隙组合试样的强度较常规压缩均有一定程度的降低,陡缓和陡陡裂隙岩体的强度均在起裂强度?ci和扩容应力?cd之间。裂纹扩展特征方面,在相同应力路径下,随着围压的增大,裂隙岩体的破坏呈现更强的剪切性质;缓缓裂隙组合岩体的破坏形式主要受裂隙本身的分布形态所控制,受应力水平和加载路径的影响较小,在试验中均以裂隙岩桥直接贯通发生破坏;相同围压条件下,陡缓和陡陡裂隙组合岩体在时效荷载作用下的破坏较常规压缩下的破坏表现出更强的张拉性质。利用Burgers蠕变损伤模型分析各岩体间的关系,指出岩体间变形的差异主要由裂隙特征导致的初始损伤差别和岩体处于不同强度区间而导致的不同时效损伤引起,为建立岩体时效损伤模型的进一步研究提供了参考。     

边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机制研究

利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行系统剪切蠕变试验研究,分析红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨边坡的滑移机制。结果表明:剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。     

边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机理研究

 利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行了系统的剪切蠕变试验研究,分析了红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨了边坡的滑移机理。结果表明：剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。     

一类含裂隙岩质边坡的滑动弱化逐步破坏机理

含裂隙的岩土材料在剪切作用下，随着剪应变的增加，裂纹端部一定区域内的强度会表现出滑动弱化的现象。岩土材料这种性质的变化不同于粘性土结构性破坏，也不同于剪胀。在一定的载荷作用下，坡体内裂隙端部的滑动弱化使坡体内的应力重新分配，从而使得应力集中加剧，裂隙尖端进一步扩展，造成岩体结构性的破坏，乃至整个滑面的贯通直至发生滑坡。因此，滑动弱化是一类含裂隙岩质边坡滑坡的机理。