基于三维裂隙连通率的裂隙岩体表征单元体研究

三维裂隙连通率综合反映了岩体内裂隙发育特征,是评价工程岩体稳定性的一个重要参数。为合理选取具有代表性的裂隙连通率,基于投影法对水平向三维裂隙连通率的尺寸效应进行分析研究,进一步确定岩体表征单元体尺寸。首先,对实测裂隙数据进行几何参数统计分析,采用逆建模方法建立一个100 m×100 m×140 m的裂隙网络模型。在模型中的10个不同高程上设置水平向的投影基准面,基准面尺寸位于5 m×5 m～100 m×100 m范围。利用投影法计算各投影基准面的三维裂隙连通率,分析三维裂隙连通率随研究尺度的变化情况。采用T检验和F检验判定各级尺寸与最大研究尺寸的研究区域的连通率均值和方差是否存在显著差异。研究结果表明,当研究尺寸达到65 m×65 m时,连通率均值和方差进入稳定状态,该尺寸可视为研究岩体水平方向的表征单元体。     

不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究

按照国际岩石力学学会试验规范以及工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99),对不同赋存深度的玄武岩试件分别进行动态断裂韧性测试和单轴拉伸强度测试,得到动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在一定的关系;并从岩石破坏的力学机制角度,分析动态断裂韧性与拉伸强度之间存在联系的根本原因:两者均是由于岩石内部微裂纹受到拉应力作用而引起微裂纹的扩展、互相贯通,从而导致岩石的破坏。根据动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在的关系,可以由拉伸强度的测试结果推测试件的动态断裂韧性值,将大大简化动态断裂韧性测试的繁琐性。     

节理岩体表征单元体的分形几何研究

节理岩体的尺寸效应是其内在结构复杂性的体现,应归因于岩体内裂隙网络系统的存在。提出在岩体结构宏观分区的基础上研究表征单元体,应用分形几何的观点进行研究。结果表明,分区内岩体结构具有统计自相似性。进一步的计算表明,用于描述岩体结构特征的分形维数随岩石试样尺寸的增加而减小;但当尺寸增加到某特定值时,分形维数趋于稳定,将此特定值称为结构表征单元体,即尺寸大于结构表征单元体的样本其结构具有代表性。根据表征单元体的定义,尺寸大于表征单元体的岩体试样,其力学性质具有代表性;而结构相似是性质相似的前提,由此可以推知,结构表征单元体为表征单元体取值的下限。     

轴向拉伸情况下岩石的动态力学特性试验研究

通过在自行研制的加载系统上对花岗岩在应变速率10-5s-1～10-1s-1范围内进行了动态直接单轴拉伸试验,并辅以巴西劈裂实验,系统、全面地研究了花岗岩在不同应变速率影响下的强度及变形特性。结果表明:岩石的抗拉强度随着应变速率的增加而增加;岩石的弹性模量也随着应变速率的增加而增加,但增加幅度小于抗拉强度的增加幅度;另外岩石的临界拉伸应变与应变速率也呈正相关性,但岩石的泊松比与应变速率的率相关性不是特别明显,表现得较为离散。并根据已有研究成果初步讨论了岩石在轴向拉伸情况的动态力学特性机理。     

基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grain based model,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性.对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值...     

大理岩I–II复合型动态断裂的实验研究

 利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(f50 mm,f130 mm,f200 mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验–数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf))。在100 μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响：对于静态情况为I–II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,f50 mm尺寸试样仍处于复合型加载,而f130 mm,f200 mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动。岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释。考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响。     

高温–水冷却花岗岩动态压缩力学特性的应变率效应研究

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1 000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩试验(冲击气压分别为0.30,0.40,0.50和0.60MPa)。此外,还通过压汞和扫描电镜试验获得高温–水冷却花岗岩试样的孔径分布、孔隙率和微观形貌。微观结果表明：试样内部损伤以400℃为界可分为两个阶段,400℃之前,高温–水冷却花岗岩试样内部以微孔和小孔为主,孔隙率低于2.20%,损伤较小,当温度超过400℃后,内部中孔比例快速增加,孔隙率上升,损伤随温度升高而加剧。应变率效应方面：在相同温度条件下,高温–水冷却花岗岩试样的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,而弹性模量的应变率效应不明显;花岗岩试样破碎程度随损伤的增加而加剧,且分形维数随着应变率的增大而增加;分析内部损伤和外界冲击速度对花岗岩试样应变率的影响,并获得应变率随内部损伤和冲击速度变化的拟合公式。     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

水–岩化学作用对砂岩力学特性影响的三维离散元分析

水–岩化学作用下岩石发生力学性质劣化,其重要原因是岩石胶结物在水溶液中发生不同程度的溶解。在合理假设的基础上,提出一种改进的离散元三维胶结接触模型,在胶结尺寸相关的离散元接触模型中引入易溶解胶结比例和与水化程度相关的胶结宽度系数,来考虑水溶液对随机分布的易溶解胶结物的溶解作用。将该模型植入离散元进行砂岩的常规和水化后微观参数的标定,对不同水化程度砂岩的单轴和三轴压缩试验进行数值模拟,得到应力–应变曲线以及微观信息,并从宏微观角度分析水化作用对力学特性的影响。模拟结果表明：水化砂岩压缩试验中,以胶结的拉剪和拉弯破坏为主,且水化作用对拉破坏胶结数影响非常大,对压弯破坏影响很小。随着水化程度的加剧,岩石表面宏观裂纹数量增多,有由一条贯穿裂缝向多条裂缝发展的变化趋势;岩石的储能极限大幅降低,颗粒弹性能与胶结弹性能的储能极限和增速有不同程度的下降,胶结弹性能的储能极限有下降到一定程度后趋于稳定的趋势;随着易溶胶结占比的提高,水化岩石的峰值强度和弹性模量对胶结宽度的敏感性提高,当该占比为50%时岩石强度不到完好岩石的1/3,力学性能大幅下降。     

基于Multi Pb-GBM方法的花岗岩细观力学行为数值研究EI北大核心CSCD

花岗岩以其优越的力学性质在工程中被广泛利用,提出一种多级平行黏结晶体模型(MultiPb-GBM)用以模拟类晶体花岗岩的微观结构。以平行接触模型代替传统的光滑节理模型来刻画晶体边界,将平行接触模型分为3种类型:晶体内部接触、同种矿物内部的晶体边界接触以及不同种矿物的边界接触。应用单轴压缩试验和巴西劈裂试验对模型的微观参数进行校正,开展多组数值试验研究晶体尺寸分布系数影响下脆性花岗岩试样的动态损伤破裂演化过程,并基于Fish函数建立一套完整的裂隙监测系统以记录微裂缝的行为特点。研究结果表明:(1)晶体尺寸分布系数对破裂模式会产生影响,单轴压缩试验与劈裂试验中张拉裂纹均占据主导,随着花岗岩晶体尺寸的增大,单轴抗压强度(UCS)和抗拉强度(UTS)均呈现出增大趋势。(2)不同矿物晶界处的裂纹数量多于同种矿物晶界处的裂纹数量,随着平均晶体尺寸分布系数的增大,晶界处的裂纹数量逐渐减少,内部破裂数量相对增多。(3)微裂纹首先出现在第三级接触处,随后二级接触处发生断裂,最后一级接触裂纹数目迅速增大。(4)单轴压缩试验是由钾长石–石英边界为主的晶间破裂向钾长石–斜长石为主的晶内损伤转化的过程,直至宏观破坏的发生。     

大理岩I-II复合型动态断裂的实验研究

利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(φ50 mm,φ130 mm,φ200 mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验-数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf)).在100 μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响:对于静态情况为I-II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,φ50 mm尺寸试样仍处于复合型加载,而φ130 mm,φ200 mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动.岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释.考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响.     

模型参数对3DEC动态建模的影响

与其他数值软件一样，用三维离散元程序（3DEC）模拟虑力波在节理岩体中的传播和衰减时，模型参数对模拟结果有很重要的影响。用3DEC对2个例子进行模拟分析：（1）一维正弦波在无节理的有限长岩杆中的传播；（2）一维正弦波在含一节理的有限长岩杆中的传播。探讨了单元网格尺寸、边界条件、节理刚度、节理本构模型和节理有无抗拉强度等对3DEC动态模拟结果的影响。研究结果表明：（1）单元尺寸对计算精度和计算耗时有很太影响；（2）粘性边界条件基本上可消除应力波在自由边界上的反射；（3）节理法向刚度和节理有无抗拉强度对应力波的传播有重要影响，透射系数随法向刚度的增大而增大，而反射系数则因压缩波和拉伸波而不同，压缩波的反射系数随法向刚度的增大而减小，当节理无抗拉强度时，拉伸波的反射系数与法向刚度无关；（4）连续屈服模型对透（反）射系数的影响与无抗拉强度的常刚度模型相似。     

基于3D打印和FDEM算法的层状岩体力学特性研究

为探究层状岩体的强度和变形破坏特征随层理倾角和试样尺寸等因素的变化规律,利用粉末黏结成型3D打印技术制作涵盖多种倾角和尺寸的层理试样,并开展单轴压缩和巴西劈裂试验,利用有限元–离散元耦合算法(FDEM)对室内试验结果进行验证。研究结果表明：(1)抗压强度、弹性模量和变形模量随层理倾角呈“U”型变化,倾角90°试样的测试结果明显大于其他角度的;抗拉强度与层理倾角呈负相关关系,倾角0°试样的抗拉强度明显小于均质试样。(2)单轴压缩试样呈现张拉主导型(0°和90°)和剪切主导型破坏(5°和67.5°);随着层理倾角的逐渐增大,试样逐渐由延性破坏过渡到脆性破坏;巴西劈裂试样均呈现张拉破坏,裂隙走向呈直线型(0°和90°)和弧线型(45°)。(3)随着试样尺寸的逐渐增大,抗压强度逐渐趋于稳定,峰值应变逐渐减小并稳定在0.005左右;抗拉强度随试样尺寸呈倒“U”型变化,弹性模量和变形模量随试样尺寸在2.1 GPa附近波动,三者均未呈现稳定趋势。     

基于界面黏结–滑移模型的等间距破裂层状岩体裂隙间距分析

等间距破裂是层状岩体中常见的一种地质现象,如何合理预测裂隙间距,对岩体的稳定性分析具有重要的理论及工程意义。考虑层状岩体界面剪应力在滑移过程中的应力软化现象,基于界面的三线式黏结–滑移本构关系,推导岩层界面处于不同黏结状态下破裂岩层内拉应力和的岩层界面剪应力解析表达式;建立考虑覆岩压力的岩体拉伸破坏准则并给出等间距破裂岩体的裂隙间距计算公式;通过有限元数值计算和现场实测数据验证所提出理论计算公式的可行性;并进一步分析影响层状岩体中裂隙间距的主要因素。结果表明建立的黏结–软化–滑移解析模型可用于分析岩体界面处于黏结、部分滑移、应力软化及完全滑移等不同状态下的裂隙间距计算。     

基于晶粒织构模型的花岗岩矿物晶粒形状及朝向对其力学特性影响研究

花岗岩及其他粒状结晶质岩石由于其组成的矿物形状、矿物朝向和矿物成分等细观结构的影响,表现出不连续、非均匀及各向异性等非均质特性。但现有的数值方法还不能够定量研究矿物晶粒形状及朝向的影响,为了探究矿物晶粒的形状及朝向等非均质性对岩石力学性质的影响,基于颗粒离散元法提出晶粒织构模型(GTM),其通过生成代表真实矿物晶粒的随机不规则椭圆形柔性晶粒簇(Cluster),能够定量分析矿物晶粒形状及朝向的影响并再现岩石矿物晶粒内部和晶界损伤演变的动态过程。通过与室内试验结果进行对比,经过细观参数标定后的GTM模型能够很好地模拟出LdB花岗岩在不同力学条件下的宏观力学特性及破坏特征。通过构建不同晶粒纵横比及旋转角度的GTM模型研究矿物晶粒形状及朝向的影响,发现晶粒的形状及朝向的改变会导致晶内及晶界接触比例及接触整体朝向的变化,进而影响到岩石的宏观力学特性及破坏特征。GTM模型能够更加全面真实地从岩石的细观结构角度探究岩石的力学特性与破坏机制,对于揭示岩石细观非均质性对宏观力学特性及晶内、晶界裂纹扩展的影响提供了有效的方法和手段。     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

基于剪切和张拉试验的水泥砂浆–黏土岩二元体界面影响区模型

黏土岩隧道常采用喷射水泥砂浆的方法进行初次支护,若支护与岩体黏结强度不足将产生巨大的安全隐患。以水泥砂浆–黏土岩二元体为研究对象,开展界面的剪切和张拉试验,首先分析黏土岩初始含水率对二元体黏结强度的影响,然后根据二元体的宏观破坏模式和细观的孔隙特征,提出一种确定界面影响区厚度的方法,最后建立界面影响区模型,进行偏压状态下界面脱黏的数值模拟。研究表明：(1)张拉和剪切破坏时,砂浆–黏土岩二元体的破坏面均位于浇注界面附近的黏土岩中,该区域的力学性能较差,为二元体的界面影响区。(2)二元体界面抗剪刚度Ks和残余摩擦因数k与法向应力无关,随含水率增加而减低。(3)二元体浇注过程中浆液向黏土岩渗入和水泥凝结过程中水分向砂浆侧的迁移会引起黏土矿物的胀缩,在影响区内产生大量的初始微裂隙,根据这一特殊的孔隙特征,基于计算机层析扫描(CT)和数字图像处理技术,可以对影响区厚度进行无损伤识别。(4)本文提出的界面黏结模型,考虑了界面在法向和切向的黏结效应及切向的摩擦效应,可以准确地模拟二元体张拉及剪切破坏时的应力–位移关系。(5)当界面处于偏压状态时,砂浆–黏土岩界面的脱黏荷载随荷载与界面法线夹角的增大而...     

基于微元法的低渗透储层定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型

为明确低渗透非常规油气储层定向射孔转向压裂改造过程中裂缝扩展轨迹及其偏转距离的变化规律,综合考虑水平地应力差、射孔参数、注液参数、地层力学参数等因素对水力裂缝偏转扩展的影响,建立基于微元法的定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型(MEM模型)。该模型通过VisualBasic语言编制的迭代运算程序完成缝尖微小步长增量与偏转角之间的循环迭代计算,实现对转向裂缝动态扩展过程的模拟。通过比较MEM模型计算的裂缝扩展轨迹与现场压裂微地震监测结果、XFEM模型计算结果及室内压裂试验结果之间的差异,验证MEM模型的准确性。以临兴区块石盒子组致密砂岩储层为例,研究各因素对裂缝扩展轨迹及其偏转距离的影响规律与机制。研究结果表明:不同因素下裂缝扩展轨迹的变化趋势基本一致,裂缝从射孔端起裂后逐渐向水平最大地应力方向偏转,偏转幅度先增大后减小;裂缝偏转距离随水平地应力差的增加呈负对数规律减小,随射孔方位角、注液速率及压裂液黏度的增加呈线性规律增大;射孔长度对裂缝偏转距离几乎没有影响。该模型和结论对进一步认识定向射孔转向压裂过程具有重要意义。     

显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究

详细介绍太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统的结构与工作原理,该试验机的最大功率为320 W,放大倍数为1～400倍,可分辨1～2 μm大小的孔隙及裂隙,为金属及非金属材料的细观试验分析提供了更高精度的试验设备.采用该系统进行花岗岩在常温到500℃高温下的三维细观破裂显微观测,揭示出花岗岩晶体颗粒尺寸为100～300 μm的不规则空间结构体.热作用下,随温度升高,花岗岩的热破裂逐渐演化与发展,200℃时,已可见到极少数很小的微裂纹出现.300℃时,部分裂纹搭接形成较大裂纹,裂纹长度增加10倍左右.500℃时,包围花岗岩晶体颗粒的封闭多边形裂纹几乎全部形成,使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体,90%以上是沿岩石颗粒周边弱的胶结界面上发生的.仅有极少数热破裂裂纹是穿越岩石颗粒的,其概率在10%以下.