三轴压缩条件下共面双裂隙复合类岩断裂机制

为了研究裂隙构型属性和围压对复合岩的破坏特性影响及裂隙在复合岩中的扩展规律,基于室内单轴和三轴压缩试验,采用PFC 2D数值模拟软件建立含共面双裂隙复合岩三轴压缩颗粒模型,研究裂隙复合岩在不同裂隙倾角、裂隙长度和围压下的破坏特性和声发射演化规律。结果表明:岩样的破坏模式主要受裂隙倾角控制,而岩样的完整性主要受裂隙长度和围压控制;随着裂隙倾角的增加,岩样的破坏模式呈现张拉破坏→剪切破坏→拉-剪复合破坏的变化规律,随着裂隙长度和围压的增大,岩样的宏观裂纹减少,完整性越好;岩桥的贯通模式主要受裂隙倾角、结构面和围压的影响,裂隙倾角和围压越大,岩桥越容易贯通,结构面的存在会抑制岩桥的贯通;裂隙倾角越大,微裂纹呈“弥散式”分布于岩样的现象越明显,裂隙长度和围压越大,微裂纹的聚集现象越明显,岩样微裂纹的损伤积累随裂隙倾角和长度的增大而减小,随围压的增大而增大;岩样在变形加载过程中,声发射计数整体随裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度和围压的增大而减小,裂隙倾角、长度和围压主要改变的是声发射计数的数值大小。

共面双裂隙对砂岩力学性质和破坏特征的影响

鉴于岩体内部缺陷对其力学性质和损伤断裂破坏有显著影响的问题,通过单轴压缩试验和DIC技术,分析了共面双裂隙类砂岩试样裂隙倾角和岩桥长度对岩石力学性质和破坏的影响。结果表明,随裂隙倾角变化,岩样峰值应力和弹性模量均有明显的变化趋势,相比于岩桥长度,裂隙倾角对岩石的力学性质影响更为显著;随裂隙倾角增加,岩样破坏时表面裂纹数量、主破坏裂纹和表面剥落数量均有减少,掉块面积却有明显增加,而随岩桥长度增加,裂纹扩展和剥落掉块特征基本相同;在裂纹扩展过程中,岩桥的贯通与裂隙倾角和岩桥长度均有关系;在低裂隙倾角时,岩样破坏模式以张拉破坏裂纹为主;随裂隙倾角增加,表现为由张拉破坏裂纹向剪切破坏裂纹转变形成了拉—剪混合破坏模式;同时,随岩桥长度增加,岩桥越难以贯通,裂纹扩展破坏则又由拉—剪混合裂纹向张拉裂纹转变。

含共面裂隙群砂岩强度与破裂特征的试验研究

节理岩体力学行为是地下工程稳定分析及支护设计的基础。采用岩石力学伺服试验机对含充填共面裂隙群砂岩试样进行单轴加载试验,分析了连通率和充填方式对砂岩强度及变形破裂特征的影响规律。试验结果表明:裂隙砂岩的力学性能较完整砂岩呈现出显著的劣化,且随着裂隙连通率的增大,峰值强度、峰值应变及弹性模量均逐渐减小;试样破裂过程中预制裂隙尖端先后出现Ⅰ类张拉裂纹和Ⅱ类剪切裂纹,但最终的失稳破裂面由II类裂纹扩展形成,Ⅰ类裂纹和Ⅱ类裂纹与预制裂隙的夹角随着裂隙连通率的增大逐渐增大;受充填方式的影响,裂隙砂岩的强度及变形特征均呈现出显著增大的趋势,而弹性模量提升幅度相对较小。

含两条共面非贯通裂隙岩石的单轴压缩特性数值研究

为了解加载方向对含两条共面非贯通裂隙岩石破坏特性和破坏强度的影响,以随机均布Voronoi图为基础,精细化地描述了裂隙岩石的细观结构,生成了7个不同裂隙倾角的数值试件,基于改进刚体弹簧法,对7个不同裂隙倾角的试件进行单轴压缩数值试验,并从宏观和细观两个尺度模拟了倾角不同的7个岩石试件的贯通模式、变形和强度特性。结果表明,当倾角为0°时,共面裂隙不贯通;当倾角为15°、30°、45°和90°时,共面裂隙间接贯通;当倾角为60°和75°时,共面裂隙直接贯通;裂隙岩石在强度上表现出明显的各向异性。

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生“翼形裂纹”,预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。

共面断续裂隙岩石单轴压缩特征的颗粒流模拟

利用颗粒流软件构建了裂隙岩石的单轴压缩模型,模拟了含共面断续裂隙岩石的单轴压缩试验,并分析了裂隙倾角、裂隙长度、岩桥长度、裂隙摩擦系数对岩石破坏特征的影响。结果显示,上述4种因素对岩石破坏模式都存在影响,主要出现的破坏模式有:类完整岩石破坏模式、宏观剪切破坏模式、宏观张拉-剪切复合破坏模式、过渡型破坏模式。岩石峰值强度与裂隙倾角呈现出非线性特征,相对于裂隙长度呈现单调递减的趋势,相对于岩桥长度的曲线呈现上凸形态,相对于裂隙摩擦系数呈现单调递增的趋势。

注浆充填作用下共面双裂隙砂岩变形破坏特征研究

以共面双裂隙砂岩为例,采用不同的水泥浆液进行注浆充填处理,并进行室内单轴压缩试验,来研究不同注浆充填材料作用下砂岩的强度及变形破坏特征。试验结果表明:与完整砂岩相比,共面裂隙砂岩强度具有明显的退化,退化幅度在18.68%~36.99%之间;随着充填材料强度的增大,砂岩峰值强度和平均模量均表现为逐渐增大的特征。充填材料对砂岩的破裂形态具有很大的影响,充填材料强度较低时,砂岩的破裂过程主要表现为预制裂隙尖端的裂纹扩展;而充填材料强度较大时,充填作用有效抑制了预制裂隙的扩展,破裂面多表现为穿越裂隙布置。研究成果在一定程度上可以为裂隙岩体地下工程支护设计和防灾减灾提供必要的理论依据。

含共面双裂隙复合岩样力学特征的颗粒流分析

含裂隙软硬相间复合地层破坏模式对地下洞室的稳定性研究具有重要意义。以岩层倾角为0°、30°、60°和90°的复合岩样室内试验结果为基础,采用颗粒流软件PFC2D建立了含预制共面双裂隙复合岩样的数值模型,研究了共面双裂隙倾角分别为0°、30°、60°、90°、120°和150°时复合岩样的峰值强度、弹性模量和应力-应变关系曲线以及变形破坏特征。结果表明:不同裂隙倾角下复合岩样的峰值强度随岩层倾角的变化普遍呈现出先减后增的趋势,而裂隙倾角对复合岩样弹性模量的影响效果并不显著;通过应力-应变关系曲线和变形破坏特征分析发现,在小角度岩层倾角下,复合岩样的脆性特征明显,从小角度到中角度岩层倾角,复合岩样呈现出由脆性到延性破坏的趋势,从中角度到高角度岩层倾角,复合岩样的延性特征减弱,表现出脆性破坏的特征。

双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟

针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究,采用PFC2D建立层状复合岩层离散元模型,通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性,研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响,得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式,揭示裂纹演化规律及位移场变化。研究结果表明:双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势,而随层理倾角θ增大表现为“U”型变化规律;与完整试样相比,双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%~42.0%;双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型,分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型);试样的破坏模式在θ=0°~45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式,在θ=60°~75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式;在θ=0°~45°时,翼裂纹垂直于主裂隙起裂,随岩桥倾角增大,翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面,导致试样最终被破坏;在θ=60°~75°时,裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面,导致试样破坏;在θ=90°时裂纹沿层理面发生岩桥贯通,翼裂纹在岩层内扩展形成宏观破裂面并导致试样破坏。

含共面双裂隙复合岩石的力学特性与破坏规律研究

为了研究裂隙构型属性对层状复合岩石的力学行为、破坏模式及裂纹扩展规律的影响,以预制含共面双裂隙复合岩样为研究对象,通过室内单轴压缩试验与数字图像采集模块,分析在不同裂隙长度、倾角下岩样的力学特性和破坏特征。结果表明:(1)岩样峰值应力和弹性模量随着裂隙倾角增加上升,随裂隙长度增加而下降;劣化系数k随裂隙倾角的增加而减小,随裂隙长度的增加而增大。(2)破坏模式受裂隙倾角和两种岩石材质的影响,破碎程度主要由裂隙长度决定。(3)岩桥的贯通模式受裂隙倾角和结构面的控制,4种贯通模式中,随裂隙倾角增大,贯通趋势增强,但裂隙倾角达90°时不再贯通,且结构面会抑制岩桥的贯通。(4)裂纹扩展受裂隙长度影响,当裂隙长度小于12mm时,裂纹首先出现在岩样的右半部分,而弹性阶段产生的裂纹主要出现在岩样的左半部分,当裂隙长度大于12mm时,裂纹均匀布满岩样表面。该研究成果对实际工程建造和设计具有一定的指导意义。

裂隙长度对大尺寸岩样裂隙演化及破裂的影响特征

岩体裂隙长度对工程岩体的承载能力及隔水性能影响显著,通过对不同裂隙长度的岩样开展单、双裂隙加载实验,探究了不同预制裂隙长度对大尺寸岩体裂隙扩展的影响规律。研究表明:在岩样裂隙长度逐步增加的过程中,裂隙扩展速度不断加快,与此同时,岩样的承载能力不断减弱;次生共面裂隙的产生是大尺寸岩样突然破坏的前兆。

高温后非共面双裂隙红砂岩力学特性试验研究

利用岩石力学伺服试验机与声发射仪,对经历不同高温后非共面双裂隙红砂岩试样(尺寸为80 mm×160 mm×30 mm)进行单轴压缩试验,分析高温对非共面双裂隙红砂岩强度变形特性与裂纹演化特征的影响。结果表明,非共面双裂隙红砂岩的峰值强度与杨氏模量均随着温度的增加呈先增大后减小的非线性变化规律,在温度为300℃时达到最大值,然而,峰值应变随着温度的增加呈非线性增大。基于对非共面双裂隙红砂岩加载过程中的声发射特征分析,应力–时间曲线上每发生一个明显的应力跌落对应会产生一个较大的声发射事件,体现在试样上为产生一条新裂纹或原有裂纹扩展;通过照相量测技术,分析了不同高温作用后非共面双裂隙红砂岩试样的裂纹演化特征。最后探讨了温度对非共面双裂隙红砂岩起裂与贯通应力的影响及其对力学参数的影响机制,起裂应力随着温度的增加呈先增大后减小,在300℃时为最大值;而常温至600℃时,贯通应力呈增大趋势,但由600℃增至900℃时,贯通应力变化不大。

不同围压下共面双裂隙脆性砂岩裂纹演化特性颗粒流模拟研究

为了研究裂隙岩体在不同围压作用下裂纹演化规律,采用颗粒流程序PFC2D对含共面双裂隙脆性砂岩不同围压作用下的破裂过程进行模拟研究。主要得到如下结论:1)通过单轴压缩下共面双裂隙脆性砂岩峰值强度、弹性模量及最终破裂模式数值模拟与室内试验的比较,验证了细观参数的可行性;2)峰值强度随共面裂隙倾角总体呈现增加趋势,但不同围压下峰值强度变化趋势有所改变,主要是试样的最终破裂模式不同所导致的;3)将预制裂隙试样大体分为四类:试样的最终破裂模式主要为轴向劈裂破坏为主、试样最终以剪切破坏为主且剪切面倾角受预制裂隙倾角及围压的影响、试样的最终破裂模式随围压的增大由轴向劈裂转变为剪切破坏、试样最终以剪切破坏为主且剪切面主要受围压的影响;4)试样的最终主要以轴向劈裂破坏和剪切破坏两种形式为主,两种破裂模式的破裂过程不同,且裂纹周围的位移场分布明显不同。

An experimental investigation of failure mechanical behavior in cylindrical granite specimens containing two non-coplanar open fissures under different confining pressures

Fissures play a significant role in predicting the unstable failure of rock mass engineering.For deep rock underground engineering,rock mass containing pre-existing fissures is usually located in triaxial stress state.Therefore,not only pre-existing fissure but also confining pressure affects the failure mechanical behavior of rock material.In this research,the granite specimens containing two non-coplanar open fissures were investigated by a series of conventional triaxial compression tests.First,the effect of bridge angle and confining pressure on strength and deformation characteristics of granite specimens was evaluated.Results show that the triaxial compressive strength,failure axial strain,and crack damage threshold increased nonlinearly with confining pressure.Under high confining pressures,elastic modulus was insensitive to bridge angle.Then,an X-ray micro-CT scanning technique was used to analyze the internal fracture characteristics of granite specimens with respect to various bridge angles and confining pressures.Five typical crack coalescence modes were identified,namely,indirect coalescence,shear coalescence and three types of tensile coalescence.The reconstructed 3-D CT images indicated that under uniaxial or low confining pressures,the bridge angle had a significant effect on crack evolution behavior,while under high confining pressures,shear-dominated failures occurred with the development of anti-wing cracks.

梯级等幅周期循环荷载作用下双裂隙黄砂岩力学特性试验研究

为研究不同动态加载频率下含预制共面双裂隙黄砂岩的力学性质和破坏特征,通过梯级等幅循环加卸载试验,借助声发射和高倍扫描电镜等设备,详细分析岩石的力学性质和变形特征,探讨整个加载过程中声发射参数的演化规律,并基于试样破坏断口处的微观构造,阐述动态加载频率对其疲劳损伤机制的影响。研究结果表明:(1)随着频率增加,试样的峰值强度、疲劳寿命和轴向应变均呈现增长趋势;(2)试样疲劳应变曲线随时间增加呈现周期性的梯级波动增长,且在岩样破坏前出现突增现象;(3)随着频率增加,声发射累计振铃计数呈二次函数增长,在高频条件下,试样破坏前监测到较高的振铃计数;(4)试样宏观破坏模式受预制裂隙和加载频率共同影响,裂纹萌生于预制裂隙尖端并逐渐向两端扩展,裂纹数目随频率增加而增长,在低频条件下,萌生于预制裂隙内尖端的翼裂纹更易汇合导致岩桥贯通;(5)随着频率增加,试样破坏断口的微观构造特征由沿晶断裂为主演化为沿晶断裂、穿晶断裂和解理断裂共存,最终向穿晶断裂为主的方向发展。