裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术(DIP)及岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型,研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明,裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响,表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低;砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用,材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画,采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量,将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来,为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。

干湿循环对赤水嘉定群厚层砂岩的损伤研究

为研究干湿循环对赤水嘉定群厚层砂岩的损伤,对经过不同循环次数的砂岩进行力学试验和电镜扫描试验(SEM)。并利用分形维数从细观维度上对砂岩的损伤进行表征。研究结果表明:砂岩内部粘土矿物的膨胀、收缩及长石矿物的高岭土化导致孔隙和裂隙发育,进而导致砂岩单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦的劣化。对力学参数的劣化程度表现为:φ<E<c<σ_(c)且表现出阶段性。即循环初期(N≤6)由于胶结物形态结构变化较大,导致内摩擦角劣化较大。循环后期(6<N≤15)由于胶结物的大量减少孔隙、裂隙发育导致弹性模量急剧下降。分形维数计数结果分别为1.524、1.657、1.683、1.701与循环次数成正比与力学参数成反比,因此基于分形维数建立的损伤变量是合理的。

基于数字图像处理的混凝土内蕴裂纹扩展变形规律及破裂过程研究

基于数字图像处理技术和RFPA2D-DIP软件建立了含不同裂纹几何分布的混凝土真实细观结构的数值模型,模拟了单轴压缩作用下混凝土内蕴裂纹的扩展变形规律及破裂过程,研究了裂纹几何分布及细观非均匀性对混凝土力学结构效应的影响。结果表明:随着裂纹倾角增大,试样的峰值强度升高,翼裂纹长度变短,裂纹萌生位置不断向预制裂纹尖端靠近;随着裂纹长度增加,试样的峰值强度降低,裂纹倾角对材料强度的影响显著;预制裂纹长度对材料的破坏模式有一定影响,骨料对翼裂纹的萌生及扩展具有一定的阻碍作用;当15°≤α≤45°时裂纹萌生及扩展较易,当裂纹倾角为60°和75°时,翼裂纹很难萌生及扩展,在靠近峰值应力时裂纹突然萌生扩展,最终形成劈裂破坏,研究结果对混凝土失稳破坏机理的研究具有一定参考意义。

流固耦合作用下页岩破裂过程的数值模拟

为探究流固耦合作用下页岩的破裂过程和声发射特征,利用RFPA^2D-Flow数值软件分别对黔北地区牛蹄塘组不同层理倾角页岩进行流固耦合数值模拟。研究表明:由于层理结构的影响,页岩抗压强度和弹性模量均表现出明显的各向异性。页岩的破裂过程可分为弹性、屈服和破坏3个阶段,随着层理倾角的变化,页岩最终表现出3种破坏模式,分别为斜I型、V型和火焰型。层理倾角不同的页岩,其破裂过程中的声发射信号演化规律不同。对低层理倾角(0°、15°、30°)的试样,累计AE曲线表现为"平缓—线性—台阶—平缓"的变化规律;高层理倾角(60°、75°、90°)试样的累计AE曲线呈现"平缓—线性—陡增"的变化规律;当a=45°时,累计AE曲线表现为"平缓—线性—激增—平缓—激增"的变化规律,且其AE计数出现两个峰值。

煤层开采对底板走向岩层应力的影响分析

根据弹性力学理论,建立了煤层开采后底板走向岩层支承压力增量的计算模型,推导了各增量的计算公式,并采用Math CAD软件求解,进而探讨了底板走向岩层应力的状态和分布规律。

基于微观尺度的页岩损伤破裂数值试验

为正确认识下寒武统页岩微观尺度破裂特征及声发射信号演化规律,基于数字图像处理技术对含石英充填的页岩进行非均匀性表征,采用岩石真实破裂分析系统RFPA2D-DIP建立数值模型,模拟页岩在不同围压作用下的破坏过程。试验结果表明:在微观尺度结构下,页岩破裂模式大致可归纳为3种形式,分别为倒V形(0、2 MPa)、V形(6 MPa)和倒Z形(10 MPa)。由于石英矿物颗粒分布不规律且具有非均匀性,导致应力分布对页岩微观结构产生显著差异。单轴时,累计声发射(简称AE)表现为“平缓-线性-平缓-稳定”模式;围压为2 MPa时,累计AE表现为“平缓-非线性-激增-平缓-稳定”模式;围压为6、10 MPa时,累计AE表现为“平缓-非线性-稳定”模式。页岩的破裂模式和微观结构破坏规律为页岩气的压裂开采提供重要的理论指导。

基于数字图像处理的含缺陷混凝土破裂过程研究

混凝土破坏规律受其缺陷的影响,为了从细观尺度研究含缺陷混凝土破坏规律,基于数字图像处理技术表征混凝土骨料形状、大小及空间分布,运用RFPA2D-DIP软件构建混凝土真实细观模型并进行单轴压缩试验,研究了含不同缺陷混凝土的破坏规律。试验结果表明:相比完整试件,含缺陷试件强度更低,破坏过程应力跌落次数更多,其初始裂纹在预制裂隙及孔洞两端萌生,缺陷与新裂纹的贯通最终导致试件破坏;混凝土中同时存在孔洞和裂隙时,孔洞与裂隙相互影响并形成应力集中的岩桥区域,当孔洞直径不变时,随着裂隙长度增加,试件峰值强度下降,在同一裂隙长度下,随着孔洞直径增大,混凝土峰值强度降低。

大型压水堆核电站双层安全壳施工技术探讨

随着人类对核安全的重视,双层安全壳结构在核电站的应用越来越多,双层安全壳施工技术的研究和发展有着十分重要的意义,本文就双层安全壳施工几项关键技术的应用和研究方向提出了建议。

地下矿山大断面软弱围岩硐室变形机制与支护方法研究

大断面破碎软弱围岩硐室的支护一直是地下矿山开采的难题。基于此,本文以贵州烂泥沟金矿硐室大变形为工程背景,通过现场实测资料、采用理论计算和地质环境分析,揭示了底板和两帮变形机理:巷道在垂直及水平高应力作用下,呈现由两组优势节理组成的菱状空间破裂特征,在采动爆破震动影响下,围岩应力二次分配,使塑性区持续向深部拓展,降低了支护锚固力效果,从而导致围岩变形严重。基于支护理论,本文提出了顶板采用补强锚索+注浆+喷锚网,两帮采用补强树脂锚杆+锚索+壁厚注浆+喷锚网,底板采用反拱+注浆的联合支护方式。现场实测表明,这种联合支护方式与原始支护方式相比,对硐室长期稳定性控制具有良好效果。该研究可为深部复杂地质条件下的巷道变形加固提供借鉴。

节理倾角对不规则砂岩破裂力学机制的影响研究

为研究节理倾角对三维不规则砂岩宏细观破裂力学机制的影响,利用RFPA3D对含不同倾角节理砂岩进行单轴压缩模拟,揭示节理分布及细观非均匀性对砂岩力学行为、破裂模式及能量演化的影响。结果表明:节理倾角对砂岩力学特性影响显著,单轴抗压强度和弹性模量受节理倾角影响表现出明显的各向异性,节理倾角α=0°~60°试件力-位移曲线出现塑性平台段或近似平台段;载荷-步数与声发射-步数曲线相关性较高,且破坏模式越复杂累计AE越大;砂岩细观非均质性决定了试件裂纹扩展路径,破坏模式随节理倾角不同表现出很大的差异性,节理倾角45°试件为拉剪混合破坏,其余试件均为拉伸破坏。研究成果将有利于指导研究区砂岩矿勘探开采。

不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究

采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩石非均质性和岩石渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对具有不同倾角预制裂纹的页岩力学特性、破坏模式、损伤特征进行模拟分析与讨论。结果表明,预制裂纹对页岩峰值强度有明显弱化作用,弹性模量降低值与裂纹倾角未呈现明显的线性关系;预制裂纹倾角15°、30°、60°时,试件主要破坏模式为小变形的拉伸破坏模式;而倾角45°、75°、90°时,试件以大变形的剪切破坏而失效;裂纹倾角大于45°时裂纹的扩展类型与效果较好。研究结果对改善页岩的水力压裂效果、失稳破坏具有一定参考意义。

基于数字图像处理的含分叉裂纹花岗岩破裂过程研究

为了从细观尺度研究含分叉裂纹花岗岩破裂过程,本文基于数字图像处理技术表征花岗岩真实细观结构,结合RFPA2D-DIP软件构建了含分叉裂纹花岗岩数值模型并进行单轴压缩试验,分析了含分叉裂纹花岗岩失稳破坏及裂纹演化规律。试验结果表明:含分叉裂纹花岗岩中,垂直于荷载施加方向的水平分叉裂纹滞后于其他分叉裂纹产生扩展裂纹;加载初始阶段分叉裂纹尖端应力集中,其初始裂纹在倾斜分叉裂纹尖端萌生,试件两端面与预制裂纹贯通导致试件破坏。

无约束径向载荷下不规则砂岩强度的颗粒尺寸效应研究

为探究无约束径向载荷下不规则砂岩颗粒的尺寸效应,采用物理试验与数值模拟分别研究相同高度、不同高厚比及不同高度、相同高厚比时砂岩颗粒的力学参数、破坏形式和能量规律,探讨不规则砂岩颗粒尺寸效应规律及影响因素。研究结果表明:在相同高度h、不同高厚比h/δ下,试件厚度增加,破坏形式由剪切破坏到劈裂破坏再到拉剪混合破坏,抗压强度和弹性模量增加,且当1≤h/δ≤1.25时趋于稳定;能量与厚度呈正相关;长度效应由端面摩擦主导;对不同高度相同高厚比试件而言,小尺寸砂岩颗粒峰值强度大,声发射次数多且分散;大尺寸砂岩颗粒峰值强度小,声发射次数少而集中;尺寸对砂岩颗粒破坏形式影响较小;体积效应由非均质性主导,均质度增加,体积效应减弱。

基于数字图像的三维不规则砂岩颗粒破裂力学特性

采用数字图像技术及三维岩石破裂过程分析(RFPA^(3D))程序,建立基于真实细观结构的不规则砂岩单颗粒数值模型,模拟单轴压缩作用下不同形状砂岩颗粒的力学特性及变形破坏规律,研究不同形状及细观非均匀性对砂岩力学行为及破裂过程的影响。结果表明:不同形状砂岩颗粒在单轴压缩条件下存在脆性-延性转变过程;随着应力的增大,其内部拉伸破坏单元的积累导致试件中部形成宏观剪切破裂带;随着不同圆滑度系数k值的增加,不同形状砂岩试件峰值强度逐渐减小;此外,砂岩颗粒的断裂强度具有明显的形状效应,砂岩的细观非均质性决定其裂纹扩展路径。

沿空掘巷合理窄煤柱确定及相似模拟研究

为提高煤与瓦斯突出煤层的快速掘进及巷道稳定性,以盛远煤矿为例,通过巷道周边围岩应力分析、二维相似物理模拟实验和现场矿压观测,确定了沿空掘巷窄煤柱合理宽度。结果表明:窄煤柱留设宽度为5.0m,具有一定的承载能力,巷道围岩变形量较小,能大大提高巷道的稳定性,同时降低了煤炭资源损失,实现了矿井安全生产。

不同开挖工法对含煤系岩层隧道围岩稳定性影响

针对目前道路建设中常见的含煤系岩层隧道开挖问题,以正习高速桃子垭隧道为例,模拟3种施工方法开挖煤系岩层的施工全过程,对围岩稳定性及支护结构进行分析,得到了应力、位移等参数在施工过程中的变化规律并提出施工建议。结果表明,开挖方法与临时结构影响围岩及隧道结构的应力分布与变形:对于台阶法,可适当在下半断面布置临时结构控制变形;而在倾斜岩层的交界面上,CRD(cross diaphragm)法与核心土法应根据工况调整各断面开挖进尺稳定后方围岩,控制开挖时的围岩变形。针对以上结果可优化施工方案与支护设计,对同类特征隧道施工具有借鉴意义。

基于数字图像的微观尺度下方解石脉对页岩各向异性的影响

通过对牛蹄塘组页岩岩芯进行显微薄片观察和岩芯X射线全岩矿物衍射分析,并进行7组不同方位角下的直接拉伸数值试验。试验结果表明:方解石脉对页岩抗拉强度各向异性影响显著,随着方位角α的增大,抗拉强度逐渐递减,抗拉强度的方解石脉结构效应系数随方位角α的增大呈曲线型增长趋势,在α=90°达到最大,为0.127;不同角度下的页岩试样破坏模式异常复杂,大致可归纳为以下3类:树根形(0°、15°)、台阶形(30°、45°、60°)和河流形(75°、90°),裂缝优先沿方解石脉扩展,在水力压裂过程中可能会抑制页岩基质内复杂裂缝网的形成;不同角度的方解石脉下耗散能的释放也有显著的差异,当α=0°、15°、30°、45°时,声发射(acoustic emission, AE)能量在前期较小,接近峰值应力时快速增加直至最大;α=60°、75°、90°时,AE能量在初期较小,中期开始增加,接近峰值应力时最大;累计AE能量随着应变的增大大致呈指数增加,增长过程由3个阶段构成:平缓期、加速期和暴增期。研究成果对页岩储层水力裂缝萌生、扩展预测以及提高采收率等具有重要的参考价值。