岩石断裂韧度与抗压强度的相关规律

利用Instron1342型电液伺服材料试验机,采用单轴压缩试验和双扭常位移松弛试验对大理岩、上盘二辉橄榄岩、下盘二辉橄榄岩、矿石、混合岩5组岩石的试件进行力学参数测试,获得相应的抗压强度、Ⅰ型断裂韧度等试验数据。以试验数据为依据,分析这5组岩石的Ⅰ型断裂韧度与抗压强度的关系。研究结果表明:随着抗压强度σc的增加,Ⅰ型断裂韧度KⅠC相应增大,且呈很好的线性关系,其关系式为:KⅠC=0.0265σc+0.0014,其相关系数R2为0.94。基于该关系式,可由易于测试的抗压强度估算Ⅰ型断裂韧度。

岩石亚临界裂纹扩展试验及门槛值研究

利用Instron1342型电液伺服材料试验机,采用常位移松弛法对大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了其裂纹扩展速率V与应力强度因子KI的关系(KI—V曲线)及I型断裂韧度,分析了不同岩石中裂纹亚临界扩展的规律,确定了岩石亚临界裂纹扩展的停滞速度和门槛值K0。研究表明:采用常位移松弛法所测岩石的lgKI-lgV关系都有很好的线性规律,即岩石的亚临界裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子服从幂函数关系,这与Charles理论相符。二种岩石的K0/KIC值的变化在0.706～0.870之间。所测数据为岩土工程稳定的时间相依性研究提供了基本数据。

低应力条件下水对斜长岩蠕变性能的影响

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪,采用分级增量循环加、卸载方式,对金川有色金属公司Ⅱ矿区斜长岩在风干和饱和水2种条件下进行单轴压缩蠕变试验,获得相应的蠕变试验曲线。以试验结果为依据,探讨饱和水对斜长岩蠕变特性的影响。试验结果表明:在同一应力下,饱和水试件的蠕变曲线及蠕变速率曲线均位于干燥试样相应曲线的上方,即在相同载荷作用下,饱和水试件产生相应的变形要大,说明水能加速变形,且饱和状态的比干燥状态蠕变速率达到稳定阶段所经历的时间较长,这与实际结果相一致。

横观各向同性板岩层理角度与抗压强度及断裂韧度的相关规律

利用微机控制电液伺服试验机和高频疲劳强度试验机对不同层理角度的板岩进行了单轴压缩试验和双扭常位移松弛试验,获得了其弹性模量E,泊松比μ,剪切模量G和断裂韧度KIC的值.分析了不同组板岩试件的层理角度与其抗压强度及断裂韧度的相关规律.研究结果表明:板岩的抗压强度和断裂韧度都随着β角的增大呈现先减小后增大的趋势,关系曲线呈'U'形,并且当β为45°时其断裂韧度最小;在不考虑c和φ值的影响下,当层理角度为45°的板岩受载时最容易发生裂纹的起裂和扩展,从而导致板岩发生破坏;在已知β角的情况下,可以利用本试验得到的关系式求出所对应的断裂韧度的值.

硬岩矿柱纵向劈裂失稳突变理论分析

应用断裂力学理论讨论硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层作用下贯通形成层状结构的机理,指出裂纹间相互作用引起裂纹的失稳扩展,从而相互连接形成层状结构。在此基础上,应用能量原理及突变理论推导矿柱失稳的临界载荷及临界应力,提出矿柱发生失稳的屈曲模型。研究结果表明:矿柱发生失稳与分裂岩层的屈曲破坏有关;而岩层的屈曲除与岩石的材料参数有关外,还与分裂后的厚度即裂纹的分布有关;算例计算值与实际经验值相一致,可为合理安排开采顺序、布置采场等提供依据。

初始几何缺陷对超高矿柱稳定性的影响

针对具有初始几何缺陷的超高矿柱稳定性问题建立了一个简化的力学模型,基于初始挠度的形状、岩石的应力–应变关系、应变–曲率关系及静力平衡关系对具有初始挠度的矿柱的弹性及弹塑性稳定性进行了探讨,确立了超高矿柱稳定性对初始几何缺陷的依从关系,确定了具有初始几何缺陷的超高矿柱的弹塑性失稳的极限载荷。结果表明:处于弹性阶段的超高矿柱,在上覆岩层载荷作用下,其挠度曲线变为在原有初始挠度各对应部分乘以一个放大系数1/(1?α)。在达到临界状态前,超高矿柱最大挠度与初始挠度f0有关,且随着f0的增加而增加;处于弹塑性阶段的超高矿柱,由于初始挠度的存在,其极限承载能力降低,且随着初始挠度f0的增加而减少。以冬瓜山铜矿3个矿柱为例进行了计算,其计算结果与实际情况相一致,可为合理安排开采顺序、布置采场等提供依据。

不同应力路径下砂岩真三轴试验及数值模拟

利用TRW-3000室内真三轴试验系统开展不同应力路径下的真三轴加载、卸载试验,研究其相应的力学特性,在此基础上开展PFC^(3D)数值模拟对比试验,探讨细观裂纹演化规律。研究结果表明:岩石最大、最小主应力差(σ_(1)−σ_(3))与中间主应力σ_(2)呈线性相关;基于Drucker−Prager准则拟合不同应力路径下岩石强度效果良好;与加载相比,卸载条件下岩石黏聚力c、内摩擦角φ均有所降低;PFC^(3D)数值模拟试验破坏模式与室内试验破坏模式基本吻合;在不同应力路径下,数值模型剪切裂纹数与拉伸裂纹数均随ε_(1)增大而增大,剪切裂纹比例曲线ε_(1)随变化趋势呈“И”型,且当主应变ε_(1)相同时,随着中间主应力σ_(2)增大,各类裂纹数量减少;与加载相比,卸载时各类裂纹数量快速增加,剪切裂纹数占比降低,曲线由加载的“上凸”型转变为卸载的“下凹”型。

单轴循环加卸载作用下红砂岩变形损伤及能量演化

利用RYL-600型微机控制剪切流变仪对红砂岩试件开展低频率单轴循环加卸载试验,研究该条件下红砂岩的疲劳变形、损伤特性及能量演化规律.研究结果表明:1)该红砂岩应力上限疲劳破坏门槛值在75%~85%之间,且疲劳寿命随应力上限增加而急剧减少.2)低频单轴循环加卸载条件下红砂岩轴向变形呈现3个阶段,开始阶段应变量较小但增速很大,稳定阶段应变逐步缓慢增长,破坏阶段应变量和应变增速都快速增大;3个阶段中滞回环密集度呈现出典型的疏-密-疏特征,单个滞回环形状表现出“胖-瘦-胖”的发展规律,且其面积随应力上限增加而增大.3)损伤发展过程呈现起始阶段、稳定扩展阶段和加速破坏阶段的3阶段特征;应力上限越高,损伤发展越快;3个阶段中,循环次数占据疲劳寿命最小部分的加速破坏阶段产生绝大部分的损伤增量.4)弹性能随循环次数增加先增大后保持稳定,但临近破坏时因材料弹性减弱而减小;耗散能在循环开始时较大,然后随循环次数增加先减小而后趋于稳定,临近破坏时又急剧增大至近4倍,岩石破坏伴随耗散能的急剧增大.5)岩石内部应力调整反映在滞回环演化中,滞回环面积越大,单次塑性变形越大,损伤程度越高,能量耗散越严重.

饱水与干燥状态下横观各向同性板岩蠕变特性

为研究水对横观各向同性板岩蠕变特性的影响,采用RYL-600微机控制岩石流变仪,以分级增量加载方式对饱水与干燥状态下具有横观各向同性特性的板岩进行蠕变试验.试验结果表明:饱水板岩试样和干燥板岩试样在蠕变试验中均出现瞬时弹性变形阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及短暂的加速蠕变阶段.在相同加载条件下,饱水板岩试样的瞬时弹性模量小于干燥板岩试样的瞬时弹性模量.低应力状态下,饱水及干燥试样的蠕变速率都稳定,且相差不大;在高应力状态下,两种情况的蠕变速率都随载荷的增加而快速增长,且相差较大.饱水试样的破坏应力小于干燥试样的破坏应力,且随着层理角的增加都呈U形分布.

循环加载下砂岩断裂特性试验及模拟

利用WHY-200/10微机控制万能试验机,对红砂岩人字形切槽圆盘试样(CCNBD)进行静态与循环加卸载试验,研究在循环加卸载下红砂岩的Ι型断裂力学特性及变形特征;并基于红砂岩的宏观力学参数进行PFC^(3D)数值模拟试验,探究微裂纹扩展规律.试验结果表明:循环荷载的作用会使砂岩的Ι型断裂韧度值K_(ΙC)减小;且随着循环次数的增加,砂岩的Ι型断裂韧度逐渐减小,直至达到某一下限值;砂岩CCNBD循环加载曲线受到其静态加载曲线的严格控制,循环加载破坏点变形量与静载曲线中同荷载水平下峰后变形量相近;循环加载下试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展规律与上限荷载比相关,主要有3个阶段:初期加载阶段、中期稳定阶段、后期加速阶段;当上限比为0.95时,试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展只有初期和加速阶段;当上限比为0.75时,其位移变形和微裂纹扩展只有初期和稳定阶段,且不发生断裂破坏;循环加载下试样韧带两端断裂过程区(FPZ)的微裂纹发生充分衍生和扩展,最终的微裂纹数目明显多于静态加载.

基于点-面接触算法的叶片/盘组件三维有限元分析

基于虚功原理导出了点面接触模型的三维接触有限元分析的控制方程,应用该方法对叶片/盘组件进行了三维接触非线性有限元模拟,并对该方法的计算结果与大型有限元分析软件MARC的计算结果及不考虑接触的常规方法所得计算结果进行了比较、分析。研究结果表明:该方法的计算结果与国际商用软件MARC的计算结果接近,两者的最大相对误差不超过4%;在计算中,没有人为地假设边界条件,在刚度方程中引入接触关系及循环对称关系,所得计算结果比采用不考虑接触的常规方法所得的计算结果更符合实际。

抗滑桩加固边坡稳定性分析及其优化

利用数值方法分析抗滑桩在边坡中的加固效果,探讨在抗滑桩-边坡体系中,设桩位置、桩长、桩体弹性模量等因素对边坡稳定系数、临界滑移面以及桩体的内力、变位响应的影响。研究结果表明:抗滑桩的最优设桩位置受桩长的影响较大,若桩长较短,则布设抗滑桩于边坡中部具有最好的加固效果,若桩长较长,则在边坡中上部设桩对边坡稳定性更有利;随着抗滑桩位置向坡顶移动,桩身内力、桩体挠度先增大后减小,并在边坡中下部同一位置达到最大值,同时,在移动过程中,边坡临界滑动面逐渐往临坡面移动,当移动到边坡中上部时,滑移面位置发生突变;随着抗滑桩桩长的增大,桩身弯矩随之增大,而桩体剪力变化很小,在抗滑桩加固边坡工程中,存在一有效嵌固深度Heed,在Heed以内,边坡稳定系数和桩长的关系符合抛物线特征,同时,Heed受设桩位置的影响;提高抗滑桩弹性模量可小幅度减小桩体挠度,但并不能提高边坡稳定系数,故在抗滑桩工程设计时,应综合考虑,合理确定桩身弹性模量。

基于SURPAC的FLAC^(3D)三维模型自动构建

为了将岩土工程分析软件FLAC3D在数值计算方面的独特优势和矿山工程软件SURPAC在三维建模方面的优势相结合.研究了2种软件单元数据之间的关系,提出数据之间的转换方法;采用Fortran语言编制了SURPAC-FLAC3D的接口程序,并通过某大型铁铜矿区建模实例说明程序实施的具体步骤.结果表明:提出的转换方法以及相应的接口程序能够实现SURPAC模型到FLAC3D模型的转换,使FLAC3D建模快捷化,拓展了FLAC3D和SURPAC的应用空间.

层状岩质边坡破坏模式及稳定性的数值分析

运用FLAC3D模拟层状岩质边坡的破坏模式,并采用强度折减法分析结构面倾角与稳定性之间的关系。结果表明:①水平层状边坡坡顶变形破坏早于坡面和坡脚,形成拉破坏区。当结构面倾角较小时,顺倾向层状边坡主要发生滑移破坏;当结构面倾角较大时,发生弯折-溃曲破坏。直立层状边坡主要发生弯曲-板间拉裂-塌落破坏。逆倾向层状边坡的破坏形式为对于小倾角为滑移破坏,对于陡倾角为倾倒破坏。②对于顺倾向边坡,整体安全系数随结构面倾角先减小后增大,呈现两头高、中间低的形态,在倾角为30°时安全系数最小;对于逆倾向边坡,曲线呈现增大-减小-增大的态势,并且大部分高于顺倾向边坡曲线,符合实际情况。③所采用的低强度弹塑性单元能够比较真实地模拟软弱结构面的变形。

强度折减法在Hoek-Brown准则中的应用

为了在Hoek-Brown准则中实施强度折减法,并使其得到的结果与Mohr-Coulomb准则中强度折减法得到的结果等效,首先,通过理论推导确定Hoek-Brown准则参数m,s,σci与粘结力c和内摩擦角φ之间的关系;然后,进一步得到在Hoek-Brown准则中实施强度折减法时,m,s和σci的折减系数以及它们之间的关系;最后,由FLAC3D软件建立计算模型,采用所确定的折减方法计算边坡的安全系数,并将该结果与Mohr-Coulomb准则得到的结果进行对比,结果表明:参数m,s和σci的折减系数须满足一定关系,强度折减法在Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则中得到的安全系数的差别为3.54%,差别微小,从而验证了所确定的折减方法的可靠性。

采空区临界安全顶板预测的厚度折减法

借鉴强度折减法计算边坡安全系数的思路,提出采空区安全顶板预测的厚度折减法.不断调整顶板厚度,直到其达到临界破坏状态,此时对应的顶板厚度即为安全顶板厚度.当顶板达到临界状态时,其位移将发生突变,计算不收敛,因此,将静力平衡方程组是否有解、计算是否收敛作为顶板破坏的标准.采用同时考虑拉伸和剪切破坏的Mohr-Coulomb准则,对某一采空区顶板安全厚度进行预测,并对采空区周围的应力和变形进行分析,结果表明:当采空区跨度分别为4,7,10,15,20,25 m时,顶板安全厚度为2.1,5.2,9.2,12.3,16.6,22.9 m;采空区跨度较小时,塑性区范围较小,顶板主要破坏形式为冲切破坏;随着跨度的增大,塑性区面积增加,破坏形式转变为垮落;当顶板发生破坏时,计算的不平衡力无法收敛,位移不断发展,位移最大值区域位于采空区正上部.

渗透压作用下压剪岩石裂纹损伤断裂机制

在研究渗透水压和远场应力共同作用下压剪滑移型岩石裂纹的起裂、扩展规律的基础上,考虑分支裂纹相互作用,建立压剪应力场和渗流场共同作用下岩石裂纹体的损伤断裂力学模型和考虑岩桥损伤所引起的附加应力强度因子演化方程,提出分支裂纹临界长度时裂纹尖端虚拟应力强度因子KI(LC)作为压剪岩石裂纹的损伤断裂贯通的破坏准则。研究结果表明:在既定裂纹分布下,分支裂纹尖端应力强度因子KI受侧压力系数λ、渗透压p、裂纹表面摩擦因数μ的制约;当轴向应力和裂纹面摩擦因数一定时,在低渗透压、侧向拉应力共同作用下,压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而在高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏。

水作用下软岩软化与损伤断裂效应的时间相依性

为研究水作用下软岩损伤劣化效应的时间相依性,通过采用RYL-600岩石试验机和Instron1342电液材料伺服试验机对经过水浸泡不同时间后的软岩试验样品进行力学参数以及双扭试件的亚临界裂纹扩展试验,分别得到了软岩含水率、强度与变形参数、亚临界裂纹扩展速度V与应力强度因子KI、断裂韧度KIC等参数,试验结果分析表明:软岩含水率、力学参数等与水岩作用时间具有高度线性相关性,可以通过含水率和弹性模量建立软岩劣化损伤速率D的函数关系;通过采用双对数坐标空间对常位移松弛法所测试的不同浸泡时间的软岩亚临界裂纹扩展速度V与应力强度因子KI之间的关系研究,发现lgKI-lgV关系具有极好的线性相关性,而且水腐蚀损伤对软岩断裂力学性质有弱化作用,能加快膨胀性软岩亚临界裂纹的扩展,并且软岩水腐蚀作用对岩石裂纹的断裂指标影响显著并具有时间效应。因此,进行软岩与水作用损伤断裂效应的时间相依性研究具有重要意义。

基于广义Hoek-Brown准则的边坡安全系数间接解法

为了将强度折减法与Hoek-Brown准则相结合,可通过2种方法间接得到安全系数,即直接折减Hoek-Brown参数及计算等效Mohr-Coulomb参数方法.理论分析表明,前者存在一定困难,因此选用后者.首先计算与Hoek-Brown参数对应的等效黏结力和内摩擦角;然后采用位移突变失稳判据,由Mohr-Coulomb强度折减法间接得到广义Hoek-Brown准则下边坡的安全系数.结果表明:间接计算方法方便可行,具有实用价值.