含双圆孔煤样渐进性破坏的孔周表面变形及裂隙演化特征

瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能够一体化防治矿井冲击地压和瓦斯复合灾害,但密集布孔可能会诱发串孔、塌孔等,影响矿井瓦斯抽采效率。为了探究这类双钻孔结构煤岩体受压破坏过程中孔周表面变形及其裂隙演化规律,利用煤岩变形破坏数字图像观测系统对含双圆孔煤样开展单轴压缩条件下的3D-DIC观测实验,获取了不同应力状态下试样表面变形的时间序列图像,通过三维表面重构技术和VIC^(3D)分析处理软件计算得到了试样表面三维全场变形,根据应变场分析结果结合统计指标分析法对应力应变曲线进行了5个变形阶段划分,精细化表征了孔周表面变形和裂隙演化特征。研究结果表明:单轴压缩下含双圆孔煤样应变场灰度整体向高灰度级方向移动,应变场灰度直方图谱峰占比以应力峰值为界先缓慢变化再快速变化;试样孔周径向位移曲线呈现出“从”字型,环向位移曲线呈现出“人”字型,且左孔H_(1)孔周始终沿逆时针方向加速移动,右孔H_(2)孔周始终沿顺时针方向加速移动;孔周裂隙以逆时针错动为主,并伴随着少数裂隙的顺时针错动;应变局部化带外区在加载峰值前主要体现为能量累积,加载峰值后主要表现为能量释放,同时也伴随着部分能量调整转移造成的能量累积;在试样加载过程中,应力场环境、裂隙端部几何形状以及裂隙长度不断发生变化,造成裂隙尖端的应力强度因子K_(Ⅰ)减小,存在阻碍裂隙扩展的作用。

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明:(1)隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2)拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

以一定范围内埋深(25～60m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论:(1)围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2)隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3)围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4)通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。

水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏机理模型试验研究

水下盾构隧道管片衬砌结构病害的防治是一个公认的难题,揭示管片衬砌结构破坏、失稳的机理显然对病害的科学治理具有很强的指导意义。采用模型试验方法,通过超载的形式对水下盾构隧道管片衬砌结构从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程进行了系统研究。将大型水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏过程划分为初始弹性阶段、局部损伤阶段、宏观破坏阶段和整体失稳阶段四个阶段,并给出了各阶段管片衬砌结构的力学行为特性;探明了盾构隧道管片衬砌结构失稳临界点,并以关键点位移与隧道外半径比值的形式给出了失稳临界建议值;通过对声发射数据的分析,揭示了管片衬砌结构破坏过程的渐进性特性,并获得了声发射事件出现的频率与幅值分布随外部荷载的变化规律;分析了管片衬砌结构宏观裂纹的出现及扩展规律,并通过最终破坏形态分析了造成管片衬砌结构整体失稳的关键部位的空间分布以及破坏形式。

高边坡岩体渐进性破坏粘弹塑性有限元数值模拟

根据边坡实际地质模型 ,基于弹塑性与粘弹 -粘塑性理论的本构方程 ,通过有限元模拟分析 ,定量地揭示和模拟再现了高边坡岩体破裂、变形、破坏及失稳前后锁固段岩体渐进性破坏的机制和过程 ,探讨了高压水流作用下滑坡启程剧动的破坏机理。

纤维加筋土界面渐进性破坏模型

为了更深入地揭示解纤维加筋土的破坏机理,研究纤维加筋土中纤维和土体的相互作用机理.提出利用纤维/土体界面切应力-切应变的三参数模型,描述离散纤维在加筋土中的渐进性破坏特性.该模型将单根纤维在加筋土中的拉拔过程分为5个典型阶段,给出各个阶段纤维轴力、位移、界面切应力的解析解.通过单根纤维拉拔试验,验证了该模型的有效性.提出用2个拉拔过渡阶段产生的位移占总位移的比值来评价界面的渐进性破坏特征,对相关的影响因素进行一系列的参数分析.结果表明:纤维的长径比越大或纤维弹性模量与纤维/土体界面剪切刚度比越小,则纤维/土体界面渐进性破坏特征越显著.由该模型得到的纤维/土体界面力学指标可以作为纤维加筋土力学模型的输入参数,通过单独评价土体强度与纤维/土体界面强度来反映纤维加筋土的宏观力学特性.

深埋隧道软弱围岩渐进性破坏及其锚固效应试验与模拟

针对软弱岩体中隧道开挖过程中出现的塌方破坏问题,通过室内地质力学模型试验和数值模拟,对有、无锚杆支护情况下围岩的渐进性破坏过程、岩体地表变形以及岩体内部的应力变化规律进行了对比分析,所得结论如下所述:①隧道开挖使得上覆岩层荷载向隧洞左、右两侧转移,拱腰以下岩体往往率先剪切破坏,锁脚锚杆可有效制止岩体初始剪切破坏;②围岩破坏自洞周逐渐向岩体深部发展,沿与水平面夹角为45°+φ/2的方向产生两个滑动面,并在洞顶形成一自然平衡拱,锚杆支护可有效减小岩体塌落范围;③锚杆的存在大大改善了围岩的应力状态,不仅提高了拱腰岩体剪切起裂荷载值,而且还使得拱顶岩体在破坏前可承担更大的上覆荷载;④塌落区内的岩体切向应力呈"跌落式"下降,此特征可用于判断岩体塌落范围及为隧道塌方预警服务。

弱胶结砂质泥岩渐进性破坏力学特性试验研究

为深入揭示弱胶结砂质泥岩渐进性破坏力学特性,对干燥与自然状态砂质泥岩试样进行渐进性破坏单轴压缩试验研究。结果表明:与硬脆性岩石相比,该类岩石裂纹密度低,自稳能力差,峰前岩石体积膨胀变形过程延长,峰后变形破坏呈现局部阶段性塑性流动特征和延时效应,渐进性变形破坏过程持续时间显著缩短;岩石弱胶结特性表现为:1峰前重要应力门槛值与峰后残余应力明显劣化;2岩石刚度与抗变形能力弱化显著;3岩石宏观破坏特征是环向剪切破坏面、张性破坏面、剪切滑移面共同作用的结果,与裂纹渐进性演化特征、层理密集程度及强度相关;4干燥状态岩样力学特性与硬脆性岩石近似相同,含水状态岩样峰前重要应力门槛值、弹性模量、峰后残余应力具有不同程度劣化,侧向膨胀变形程度提高。巷道围岩治理应加强初次支护强度并及时补强,控制围岩张拉破坏与剪切破坏,提高围岩刚度和抗变形能力。

软弱破碎直立岩质边坡渐进性破坏及其锚固效应的模型试验研究

软弱破碎岩质边坡在自然界中广泛存在,且多表现为局部化渐进破坏模式。为进一步了解该类边坡的破坏性状及其锚固效应,以Ⅳ类破碎围岩为参照对象,并将其等效为单一均值地层,随后利用模型试验对有、无锚杆加固情况下直立岩质边坡的破坏特性进行研究。结果表明,软弱破碎岩质边坡的塌方主要是由于坡顶岩体的张拉和坡脚岩体的压剪共同作用的结果,且往往呈渐进性破坏机制;锚杆的锚固效应主要体现在抗剪止裂和抗拉伸两个方面,并且锚杆的加固不仅可以提高边坡岩体在破坏前的竖向承载力,而且还可减小岩体的竖向沉降,并允许岩体边墙有较大的侧向变形。

直立岩质边坡的渐进性破坏模型试验研究

随着越来越多的高陡边坡的出现,碎裂岩质边坡的安全稳定性已经越来越引起人们的关注。以软弱破碎围岩为参照对象,利用模型试验对直立岩质边坡的渐进性破坏进行了研究。为此,首先利用人工材料实现对原型地层的模拟;随后,进行了模型试验方案的设计;最后,通过对试验结果的研究和分析,得出了直立岩质边坡破坏过程中位移以及岩体内部应力的变化规律。

裂隙性粘土边坡渐进性破坏的FLAC模拟

裂隙性粘土是一种具有特殊性质的粘土,这种粘土边坡的破坏是渐进性的,传统的极限平衡法无法描述分析它的破坏过程和机理,也无法精确地判断它的长期稳定性。用FLAC程序对裂隙性粘土边坡的渐进性破坏过程进行了描述,算例表明在一定程度上用FLAC程序来模拟边坡渐进破坏和进行稳定性判断是可行的。

考虑渐进性破坏的岩石损伤本构模型研究

根据连续损伤理论和统计强度理论,从岩石材料内部包含大量随机分布的微裂隙等缺陷的特点出发,采用修正的Harris函数作为岩石损伤参量的数学模型,并结合Hoek-Brown准则建立能反映岩石破裂全过程的损伤本构模型。通过引入损伤系数J,较好地反映了岩石的渐进破坏特性,也在一定程度上表征了这种准脆性材料的非均匀性和各向异性。利用多元函数极值理论,并依据试验曲线的特征参量,确定出损伤本构模型参数,最后用试验数据对模型进行了验证。通过比较分析说明了该模型的合理性和可行性,在此基础上,探讨了相关参数对理论曲线与试验曲线吻合程度的影响,从而对实际工程具有一定的参考价值。

隧道围岩渐进性破坏机理模型试验方法研究

研究目的:模型试验是研究隧道工程问题的一个重要手段,而围岩破坏问题模型试验一直是一个难点。通过本研究,建立隧道围岩渐进性破坏机理模型试验方法,为围岩破坏机理的研究提供试验基础。研究结论:将隧道围岩简化为均匀介质,以公路隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩为研究目标,以围岩级别、隧道埋深、隧道断面为参量设计了模型试验内容、试验装置,研制了围岩模型材料,建立了隧道围岩渐进性破坏机理模型试验方法,实现了自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩塌方破坏过程的试验模拟,并结合模型试验结果对隧道围岩渐进性破坏过程及破坏过程中围岩应力、地表位移变化规律进行了分析。

渐进性破坏随机法在边坡稳定性分析中的应用

渐进性破坏随机法能很好反映边坡体内局部破坏的产生、扩展及对边坡整体可靠性的影响。本文介绍了渐进破坏性随机法基本原理及分析过程基础,并应用于贵州某滑坡体实例研究。结果表明,与工程经验相符,是实际可行的边坡稳定性分析方法。

含孔试样渐进性破坏的表面变形特征

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙漏气是抽采失效的主要原因之一,孔周裂隙扩展在煤体破坏的过程中表现孕育、稳定扩展及迅速扩展3个阶段。为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征,开展含孔试样渐进性破坏过程中的孔周裂纹扩展规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定应力门槛值的方法,并将其用于含孔试样渐进性破坏过程的孔周变形精细化分析,利用该方法所确定的应力门槛值可将试样的破坏过程划分为5个阶段,通过提取与计算分析试样表面全场变形数据,得到在不同阶段内试样表面相对位移、以及孔周位移。结果表明:试样表面相对位移发展历经缓慢降低,加速降低以及迅速降低3个阶段,其中加速降低和迅速降低阶段与应力-应变曲线的裂纹稳定扩展和裂纹加速扩展对应;在压缩过程中,由于孔周对称移动造成孔周表面拉伸和压缩错动,最终在表面形成主拉伸裂纹和法向剪切裂纹。

淤泥EPS颗粒轻质土单向压缩下渐进性破坏研究

在疏浚淤泥中添加固化材料和轻质材料,将其转化为新型土工材料-轻质土,是疏浚淤泥资源化利用的有效方法之一。通过单轴压缩下宏观、细观力学试验,对疏浚淤泥EPS颗粒轻质土试样的变形特性及破坏机理进行了分析。试验结果表明,在荷载作用下,轻质土试样变形破坏具有明显的渐进性特征。渐进性破坏过程包括细观裂纹产生的线弹性变形阶段、细观裂纹稳定扩展的弹塑性变形阶段、细观裂纹整体贯通的破坏阶段。渐进性破坏产生的主要机理在于:一是在EPS颗粒与固化土结合面处局部存在的原生微裂纹;二是固化土胶结强度的逐渐丧失与固化土摩擦强度的逐渐发挥二者不同步。

基于ABAQUS的土质边坡渐进性破坏数值模拟

具有裂隙性、膨胀性等特性的土质边坡稳定性研究需要考虑渐进性破坏问题。采用基于ABAQUS的有限元强度折减法,进行变形局部化和滑动面渐进式形成过程的有限元数值模拟,获得土质边坡稳定性的安全系数,及边坡坡角和土的剪胀角对边坡安全系数的影响。

加锚直立岩质边坡渐进性破坏模型试验研究

近年来,随着铁路、高速公路等建设事业的迅速发展,边坡灾害问题越来越突出。同时,锚杆作为一种行之有效的、经济优越的支护,备受人们的关注。本文在Ⅳ类围岩条件下,采用室内模型试验模拟的方法,利用自行设计的实验装置对有锚杆加固的直立岩质边坡的渐进性破坏过程进行研究。由实验结果可知,加锚杆有效的提高了边坡的整体强度,限制了岩体应力的释放,对边坡起到了有效的加固作用,有效的防止边坡失稳而产生的破坏。实验成果的取得,对于实际工程有一定的借鉴价值。

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先对破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α对岩石的应力门槛值:裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σcd、峰值强度σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表面裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,预制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂方式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩体的轴向应力-横向应变曲线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。