渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

渗透压-应力作用下岩体翼形裂纹模型与数值验证

考虑翼形裂纹内渗透压和主裂纹连通部分渗透压对翼形裂纹尖端应力强度因子的影响,建立渗透压-应力作用下岩体压剪翼形裂纹模型,该模型引入翼形裂纹的折算长度l_(eq),将翼形裂纹尖端的应力强度因子K_Ⅰ视为远场应力作用下平直孤立翼形裂纹产生的应力强度因子K_Ⅰ~((1))和等效主裂纹(主裂纹和折算翼形裂纹对组成)产生的应力强度因子K_Ⅰ~((2))之和.针对不同的侧压系数和裂纹渗透压,建立渗透压-应力作用下翼形裂纹有限元分析模型,得出:在高渗透压作用下,随翼形裂纹扩展,翼形裂纹尖端拉应力集中区逐渐增大;侧向拉应力和高渗透压是导致翼形裂纹不稳定扩展的主要因素.通过理论模型和有限元分析对比发现:除翼形裂纹很短的情况外,考虑裂隙渗透压时翼形裂纹理论模型得到的应力强度因子普遍较小,而不考虑渗压时模型解和有限元解误差较少,可以认为理论模型得到的翼裂尖端无量纲应力强度因子与翼形等效裂纹长度关系曲线在走向和量值与有限元解基本上是吻合的.渗透压-应力作用下翼形裂纹模型的建立可为水力劈裂研究和矿井岩溶突水力学机理研究提供理论参考:     

单轴压缩条件下预制裂纹岩块破碎过程的数值模拟

应用FLAC3D软件对含预制裂纹砂浆块和完整砂浆块试样在单轴压缩点荷载作用下的破碎过程进行了数值模拟.结果表明:完整砂浆块的破碎过程首先出现一个应力集中区,形成密实核,然后形成中间裂纹、径向裂纹、侧向裂纹,这些裂纹迅速扩展,并衍生许多新的次生裂纹,沿着剪切或拉应力迹线贯通整个岩块;而含预制裂纹岩块的破碎则是在出现密实核后,随之在裂纹的两个端部出现应力集中,然后沿主载荷方向扩展,形成翼型裂纹,最后贯通整个试件;含预制裂纹试件和完整岩块的破碎应力-侵深曲线均出现跃进式特征,但裂纹试件裂尖局部的应力集中导致了翼型裂纹的产生并且沿主应力方向扩展,较早导致试件的破碎,其临界失稳荷载明显下降,预制裂纹对试件破碎效果的影响是显著的.     

裂隙岩体的固气耦合模型及其在岩盐储气库中的应用

在含裂隙的岩盐中建造地下天然气储库工程必须研究裂隙岩体的气体渗流规律,以确保地下储气库工程安全运行,防止天然气渗漏。提出了岩体和裂隙的变形场与天然气渗流场的耦合模型,并建立了有限元分析的数值解法,在建设地下天然气储库确定气库的运行气压时可提供一些依据,对评价天然气储库的稳定性有参考意义。     

水-力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型

深部煤炭资源开采面临着高渗透压和高应力耦合作用的地质环境,水-力耦合作用下裂隙岩体力学行为及破裂特征研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律有重要意义。通过在灰岩标准圆柱体试件中部预制裂隙形成单裂隙灰岩试件,采用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2声发射监测仪,对单裂隙灰岩试件进行不同围压和裂隙水压下的常规三轴压缩试验和破裂过程的声发射监测,其中预制裂隙倾角设置分别为15°、45°和75°三种不同产状,围压分别设为10,15,20和25 MPa共4个系列,裂隙水压分别设置为0,2,4,6,8 MPa的5种工况。试验结果表明:与完整灰岩试件相比较,单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线呈现出独特的双峰值性态:前高后低双峰型和前低后高双峰型,经历第1峰值点后,其承载结构的刚度明显下降;单裂隙灰岩的起裂、扩容和峰值强度随水压的增加存在明显的降低趋势,而随围压的增加显著提高。在相同围压和水压作用下,裂隙倾角α=75°的试件起裂、扩容和峰值强度最高,α=15°的试件次之,α=45°的试件最小;裂隙倾角和水压显著影响了单裂隙灰岩的岩石破裂过程中声发射信号变化规律。随着裂隙倾角的增大,裂隙起裂和稳定扩展阶段振铃...     

Numerical simulation on effects of embedded crack on rock fragmentation by a tunnel boring machine cutter

Based on the simplification of cutting process, a series of numerical simulations were conducted using a 2-D discrete element method to explore the effects of embedded cracks with different dip angles on the rock fragmentation process, cutting characteristics and breaking efficiency. The results show that the simulated results are in a good agreement with previous theoretical study. The main crack propagates to the top tip of embedded crack, except when the dip angle is 90°. Side cracks which are more fully developed in the rocks containing embedded cracks tend to propagate towards the free surface. According to the history of vertical cutting force, it is shown that the peak force is decreased by embedded cracks. The study on cutting efficiency was conducted by combining the quantity of crack and cutting energy. And the results show that breaking efficiency can be treated as a decreasing or a increasing function when the dip angle is less or larger than 30°, respectively. Breaking efficiency is higher than that in intact rock when the dip angle is larger than 45°.     

水-力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比

岩石的水力学特性与矿山突水灾害密切相关,为揭示不同的水岩力学相互作用,对比研究在水-力耦合与隔离2种不同力学状态下孔道砂岩力学特性的差异性。采用MTS815岩石力学试验系统,进行不同围压和孔压下孔道砂岩的常规三轴压缩试验。整个试验围压σ₃分成10,20,30 MPa共3个系列,每个系列围压试验中,孔压P设为4个级别,分别是围压σ₃的20%,40%,60%和80%。对水-力耦合下的岩石试件用热缩管进行包裹,对水-力隔离下的岩石试件加装隔水装置,在三轴静水压力状态(σ₁=σ₂=σ₃)下采用0.005 mm/s的加载率对试件进行轴向加载,直到试件破坏。结果表明:水-力耦合状态下,孔道砂岩的峰值偏应力强度、扩容起始偏应力、残余偏应力强度和变形模量与围压呈正相关关系,与孔压呈负相关关系,而泊松比的关系则正好相反,试件呈现出明显的单一剪切面破裂,破裂角分布在53°～69°变化;水-力隔离状态下孔道砂岩峰值偏应力强度、扩容起始偏应力和残余偏应力强度均与围压和孔压在总体上呈正相关趋势,水-力隔...     

单轴压缩下不同刚度充填物对厚壁圆筒砂岩力学及断裂响应的影响

为了研究不同刚度充填物对厚壁圆筒砂岩力学及断裂响应的影响,对充填铝棒、铅棒以及有机玻璃棒的厚壁圆筒砂岩试样进行单轴压缩试验,同时对完整砂岩试样及厚壁圆筒试样也进行单轴压缩试验作为参照.对比研究各组试样的强度、变形及破坏特征,并通过岩石和充填棒上的环向应变值特征分析了影响应力阈值及局部破坏应力阈值的变化情况.研究结果表明...     

双向压缩下含孔洞和加固圈的类岩石材料强度特性实验

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪进行不同侧压下双向压缩试验,对含孔洞类岩石结构进行力学分析。试验结果表明:(1)试件在双向压缩条件下全应力-应变曲线分4个阶段:试件内部孔隙的闭合阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、应力迅速下跌阶段;(2)在双向压缩下,试件的全应力-应变曲线表现出塑性-弹性-塑性体的性质,曲线大致呈S型;(3)在双向压缩下,同侧压下加固圈对试件的峰值强度有着较为明显的积极影响,同加固圈厚度不同侧压下试件的峰值强度会随着侧压的升高而升高;(4)同加固圈厚度下试件的峰值应变随侧压的增大而增大。同侧压下试件的峰值应变也随加固圈厚度的增大而增大。     

牛马司水井头矿粉砂岩分级加载条件下的流变特性

取牛马司水井头煤矿粉砂岩,用RMT-150C微机控制电液伺服岩石力学机测得了粉砂岩的相关力学参数;在RYL-600仪器岩石剪切流变试验仪上采用分级加载方式进行岩石流变试验,得到了位移-时间曲线;处理位移-时间曲线为应变-时间曲线,分析应变-时间曲线,发现该粉砂岩有弹性-粘性-粘弹性的流变特性,这与伯格斯模型性质相似;用MATLAB对试验数据进行伯格斯方程拟合,得出4个应力水平下粉砂岩的流变拟合曲线,发现拟合曲线能较好地反映实验数据,表明伯格斯模型能较好地反映粉砂岩的流变特性;并求出了不同应力水平下粉砂岩流变模型的各项参数.