循环荷载下双裂隙砂岩弹性模量及裂纹动态演化

为研究不同岩桥倾角砂岩在循环荷载作用下的弹性模量变化和裂纹动态演化规律,对裂隙倾角固定为45°,岩桥倾角分别为15°,45°,75°,90°,105°的砂岩试件开展了单轴循环加、卸载试验和PFC^(2D)模拟.结果表明,不同裂隙砂岩的弹性模量随循环荷载作用得到了明显的强化;在循环荷载作用下,应力-应变曲线与离散元模拟得到的试件瞬时微裂纹演化曲线存在对应关系;岩桥倾角对砂岩的破坏模式有影响,PFC^(2D)模拟的裂纹动态演化可以合理地反映岩石中裂纹的萌生位置、扩展方向.基于微裂纹数目所定义的损伤与破坏模式很好地对应,岩桥倾角为45°时原始损伤是最大的.

含平行双裂隙白砂岩力学行为数值分析

目的为探究平行双裂隙对白砂岩力学特性、裂纹扩展和能量演化的影响,方法利用颗粒流软件PFC2D获取白砂岩细观力学参数,通过改变双裂隙倾角和双裂隙间距2个关键影响因素,进行多次单轴压缩试验并对模拟结果进行分析。结果结果表明:随着裂隙倾角增大,岩石的峰值强度、弹性模量变大;随着平行双裂隙间距增大,裂隙倾角为30°时,岩石的峰值强度和弹性模量大幅降低,裂隙倾角为60°时,裂隙间距对岩石的峰值强度和弹性模量无显著影响,即裂隙间距转变为影响力学特性的次要因素;裂隙倾角对岩石的微裂纹发育过程有着重要影响,在裂纹扩展初期以拉伸裂纹为主,最终破坏形式多为剪切破坏;裂隙倾角为45°时,裂纹发育至贯通最为彻底;随着裂隙倾角增大,耗散能开始出现应变节点逐渐后移现象,岩石的弹性储能极限随之增强,裂隙倾角为0°~15°时,储能极限会发生一次小幅度反弹。结论双裂隙倾角和间距对白砂岩力学特性、裂纹扩展和能量演化的影响至关重要。

岩石中三维双裂隙组扩展和贯通过程的试验研究和弹脆性模拟

最新研制了一种完全透明、较低温度下拉压比可达1/6.6的树脂,其与岩石特性的相似性较前人的研究有大幅度提高。制作了一组含三维内置平行双裂隙组的试件,详细描述并分析了单轴加载下试件的裂隙扩展与贯通过程,研究其产生的条件和机制。试验结果表明:试件的破坏大致经历4个阶段,三维裂隙组的断裂比二维情况复杂得多,产生了多种不同形态的裂纹。在FLAC3D软件框架内建立了一种新的弹脆性本构关系,并采用超细单元和合理形态的网格建模。将数值模拟结果与相关试验进行对比,相符程度良好,表明新数值模拟方法的有效性。当双轴加载时,模拟结果也与前人类似试验结果有很好一致性。

单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的CT扫描试验

由于精选后的陶瓷材料与岩石性质相似,因此选择陶瓷作为基本材料制作中部含2条圆币状裂隙的试件,进行单轴压缩荷载作用下的CT实时扫描试验,研究试件内双裂隙的扩展和损伤演化规律。采用3种不同区域划分方案,通过CT数、CT方差和CT图像的对比,分析上、下裂隙及岩桥区域不同的扩展状况。分析表明,上裂隙区域一直以压密为主,扩展很小,对试件破坏影响较小;下裂隙区域扩展剧烈,最终形成了宏观裂纹,对试件的破坏影响较大;当上下裂隙之间的中心距离等于4倍的裂隙半径时,裂隙的扩展过程将与裂隙自身参数有关,几乎看不出裂隙之间的相互作用。

冻结条件下平行双裂隙岩体力学特性试验研究

裂隙是影响工程岩体稳定的重要因素,而平行双裂隙是一种重要的裂隙分布形式,基于已有的研究成果,开展一系列平行双裂隙类岩石三轴压缩试验,研究裂隙产状对平行双裂隙岩体力学性质和破坏形态的影响。试验结果表明:平行双裂隙岩体强度、弹性模量和泊松比受迹长和迹长比共同影响,受裂隙间距影响较小,随倾角增大,先减小后增大;倾角<30°时,破裂面起始于裂隙端部贯穿岩桥,并沿最大主应力方向发展,倾角在30°~60°之间时,沿其中一条裂隙剪切破坏。迹长和迹长比较小时(贯通率<25%,迹长比<2.5),破坏形态与裂隙无关;迹长较大(贯通率>75%),迹长比较小时(迹长比<1),破坏形态取决于长裂隙;迹长介于两者之间时(贯通率25%~75%),迹长比接近1时,受两条裂隙共同影响。

含平行双裂隙砂岩裂纹演化特征离散元分析

为研究含平行双裂隙砂岩的力学特性及裂纹演化特征,利用经过校核的细观参数通过离散元软件PFC2D建立数值模型,并对模型进行单轴压缩模拟。研究结果表明:含平行双裂隙砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量与完整试样相比均有不同程度的劣化;随着平行双裂隙倾角的增大,试样的峰值强度、峰值应变及弹性模量呈增大趋势;当裂隙倾角为0时,裂纹首先在裂隙中部萌生,并向试样端部发展,当裂隙倾角为30°、45°及60°时,裂纹首先在裂隙尖端部分的应力集中区处萌生,并不断发展贯通,最终扩展到试样端部,当裂隙倾角为90°时,裂纹首先于试样端部萌生,并不断朝轴向发展。

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟。结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75°时,压缩峰值强度随另一条裂隙倾角的增加单调递增;试件内部应力最大值的演化在加载初期随加载步的增加线性增长,压缩条件下最大主应力最大值增长最快,拉伸条件下,剪应力最大值增长最快。

花岗岩双裂隙热-流耦合参数敏感性

为研究岩体热物性参数对渗流传热结果的影响,本文基于离散元3DEC软件,建立了平行双裂隙的热-流耦合数值模型,通过与解析方法进行对照,验证了数值模型的准确性。基于数值模型,研究了不同参数下岩体温度场的分布特征。结合正交试验法,对影响热-流耦合的各参数进行了敏感性分析。结果表明:数值解与解析解的最大误差为3.45%,在合理区间内,表明用该模型研究裂隙中的水流传热问题结果准确可靠。模型运行24 h后,不同方案下裂隙进水口和出水口的温度有所不同,说明不同参数对渗流传热的影响不同。沿裂隙流体流动方向,模型温度对试验参数的敏感程度呈减小趋势,其中裂隙进水口(B点)处岩体比热容、流体速率和裂隙开度极差值分别为10.25、13.80、13.25,说明岩体比热容、流体速率和裂隙开度是影响热-流耦合模型温度的主要因素;而岩体热传导率和流体-岩石传热系数极差值分别为6.53和4.66,表明岩体热传导率和流体-岩石传热系数对模型温度的影响较小。

双裂隙摄影验光仪盲区研究

给出了双裂隙偏心摄影验光原理及实验系统 ,并对双裂隙摄影验光仪的盲区进行了深入讨论 。

含密实填充物的平行双裂隙岩体模型渗透特性试验研究

针对含填充物的双裂隙岩体,利用惰性气体渗透测试系统,在一次围压加卸载下对试样进行渗透率和孔隙度的精确测量,研究了裂隙中填充物及交界面渗透特性随裂隙间距变化的规律。结果表明,单裂隙与双裂隙试样渗透率随围压变化规律大致相同;在加载阶段,随着裂隙间距的减小,裂隙之间的相互作用增大,孔隙度随围压减小的更为显著,而单裂隙孔隙度随围压变化最不明显;随着裂隙间距的增大,各试样渗透率相应减小,而由于单裂隙试样比双裂隙试样缺少两个渗透交界面,因此其渗透率在低围压下远小于双裂隙试样。

双裂隙角膜、眼底反光同时摄影仪在近视眼普查中的应用

应用作者自行设计的双裂隙角膜、眼底反光同时摄影仪对215名中、小学生进行近视普查,结果发现常规拍摄灵敏度为95.31％,戴+2.00D眼镜拍摄时灵敏度为100％。证明该仪器具有较高的敏感性、特异性和实用性。

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。

增幅疲劳荷载下双裂隙大理岩损伤劣化与失稳规律

为了揭示节理角度对阶梯状双裂隙大理岩疲劳劣化与失稳规律的影响机制,采用GCTS RTR-2000电液伺服岩石压力试验系统,对含有相同岩桥长度、不同节理角度(β=10°、30°、50°和70°)的双裂隙大理岩试样开展了增幅疲劳力学试验,并借助PCI-2声发射监测系统记录了岩石破裂过程中的振铃计数、能量、频率及振幅等基本参数,分析声发射频谱特性及b值特征。研究结果表明:随着节理角度逐渐增加,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,因此大理岩试样的强度、疲劳寿命、应变增长速率、刚度和累计声发射振铃(能量)计数等均随之增大;应变增长速率受应力幅值影响,在疲劳加载阶段末,表现为突增,且与强扩容现象以及累计振铃(能量计数)曲线的突变阶段相比,体积应变增长速率发生突变的阶段较为提前;随着节理角度增大,低频低幅及低频高幅信号占比逐渐增加,而高频高幅信号占比逐渐降低,越易产生大尺度裂纹;在疲劳加载最后一个阶段,试样发生严重的断裂破坏,声发射振幅统计指标b值出现骤降,且随着节理角度增大而增加。基于以上分析,体积应变增长速率首次突变阶段以及声发射b值的骤降阶段可以分别作为阶梯状双裂隙大理岩初始失稳以及最终破坏的前兆特征。

基于离散裂隙基质模型的水平双裂隙含水层海水入侵机制

探究水平双裂隙含水层中的海水入侵机制,对理解裂隙含水层中的海水入侵机制具有重要意义。本文构建了大型室内砂槽模型,并通过离散裂隙基质数值模型分析了不同分布形式的水平双裂隙对盐水楔、混合带等海水入侵特征的影响。结果表明:①水平双裂隙能显著增强盐水楔及混合带的发展,裂隙间的咸淡水混合尤为显著;2条主干裂隙会限制彼此的作用,位于近海侧、含水层中部的裂隙作用更加显著。②位于近海侧的裂隙高度越高,则盐水楔发展程度和裂隙间混合作用越显著,而近陆侧裂隙高度则仅对盐水楔尾部有明显影响。③位于含水层中部、底部的裂隙,越靠近内陆则盐趾长度更大、盐水体积更小,而远离盐水楔时则会使混合带和盐趾长度急剧变小。

单轴动态压缩下双裂隙岩石损伤破坏特征的细观模拟

针对地下采矿岩柱体受冲击的单向压缩作用,采用颗粒流程序(PFC)模拟了预制双裂隙岩石单轴动态压缩下的损伤破坏过程,构建了基于颗粒间断裂黏结数的细观损伤变量,分析了岩桥倾角对裂隙岩石的损伤破坏特征,揭示了不同裂隙尺寸岩石的峰值强度、裂纹分布、弹性应变能的积累与释放的变化规律,获得了峰值强度后岩样微裂纹数目加速增长的内因。结果表明:(1)双裂隙岩样在单轴动态压缩条件下的应力峰值强度与岩样损伤的总裂纹数目呈正相关;(2)相比于长裂隙,预制短裂隙岩样达到峰值强度所需时间更长,其承载能力更强;(3)岩样产生的微裂纹数目与细观损伤变量D呈正相关,岩样峰值处积累的弹性应变能与裂隙长度呈负相关。

基于XFEM的双裂隙岩体冻胀裂纹扩展数值模拟研究

为研究冻胀荷载对双裂隙岩体裂纹扩展及贯通机制的影响,文章基于扩展有限元法(extended finite element method,XFEM),分析冻胀力作用下不同岩桥参数双裂隙试样的裂纹扩展特征和破坏形式,探究在冻胀力和侧向卸荷共同作用下双裂隙试样的裂纹扩展贯通规律。结果表明:基于XFEM的数值模拟结果与试验中的裂纹扩展路径基本吻合,验证了XFEM能够有效地应用于双裂隙岩体的裂纹扩展模拟;非岩桥区冻胀裂纹的扩展方向与预制裂隙走向相同,而岩桥区裂纹的扩展方向受到冻胀应力的影响,裂纹扩展方向偏向于另一条预制裂隙位置;冻胀裂纹的扩展模式受到围压的影响,随着围压增加,侧向卸荷过程中裂纹扩展模式由拉张模式变成拉剪混合模式,裂纹扩展方向也发生偏转。研究方法和结果可为低温裂隙岩体裂纹扩展相关研究提供参考。

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。

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。

高湿环境平行双裂隙砂岩单轴压缩破坏及裂纹扩展特性

深部裂隙矿柱长期受高湿环境中水分子所侵蚀,其化学动力过程与矿房稳定性及控制地表沉降密切相关。对预制平行双裂隙标准砂岩试样进行了单轴压缩试验,研究高湿对裂隙砂岩强度变形特性、裂纹演化以及破坏模式的影响,结合电镜扫描和XRD衍射,分析了试件在高湿环境水化作用前后的微细观结构变化和质量损失特征。结果表明:①试样结构疏松程度与湿度成正相关,湿度升高,试样表观致密结构变得松散并伴有次生孔隙发育,形成模糊的层间界面,且微裂隙数目增加,质量损失率加剧。②裂隙砂岩在单轴压缩下主要有拉伸破坏,剪切破坏和二者混合型破坏。裂纹萌生的类型主要有翼形裂纹、反抗拉裂纹以及共面/非共面次级裂纹。其裂纹扩展及破坏模式受控于湿度,随着湿度升高,裂纹起裂应力和贯通应力降低,宏观裂纹发育的整体数量呈下降趋势,且其破坏模式由剪切破坏过渡到拉伸破坏。③高湿环境对裂隙砂岩产生水岩化学作用,减弱了裂隙结构面以及矿物颗粒间的摩擦作用,降低了其峰值强度,峰值应变和弹性模量,提高了泊松比,加速了裂隙砂岩的破坏。