对岩体缺陷调查与工程处理方法的研究

在各类岩体内 ,存在着许多影响工程地质与水文地质性质的岩体缺陷 ,对这些缺陷必须进行工程处理方能达到某种要求。目前几乎普遍存在着对处理方向和处理工艺不考虑或很少考虑岩体的工程地质与水文地质条件 ,因而获效不甚理想 。

含双垂直缺陷岩体爆生裂纹扩展行为试验研究

为探究在爆炸载荷作用下含两条垂直预制缺陷岩体的爆生裂纹扩展行为,采用数字激光焦散线方法开展了一系列双垂直裂隙模型爆破实验,展现了爆生裂纹演化过程,揭示了单孔装药量对含缺陷岩体裂纹扩展行为(裂纹扩展长度、应力强度因子、扩展速度和起裂时间等)的影响规律。研究结果表明:随着单孔装药量增加,双垂直裂隙端部的裂纹扩展长度、裂纹扩展速度、裂纹起裂韧度和应力强度因子均呈增加趋势。对于裂纹J_(u),单孔的药量对裂纹扩展速度影响较小,并且裂纹扩展极限速度约为横波速度的0.38倍;对于迎爆端裂纹D_(l)和背爆端裂纹D_(r),随着单孔药量的增加,裂纹D_(l)和D_(r)的起裂时间减小,但裂纹D_(l)和裂纹D_(r)的峰值应力强度因子增大。相比于裂纹D_(l),裂纹D_(r)的应力强度因子和扩展长度增加显著。当爆炸应力波作用于缺陷B两端部的能量足以使两侧裂纹扩展时,裂纹D_(l)比裂纹D_(r)先起裂。单孔药量的增加能够增大裂纹D_(r)的扩展速度,但是对裂纹D_(l)扩展速度影响较小。研究结果可为含缺陷岩体在爆破荷载作用下的断裂行为提供实验参考,有助于含缺陷岩体爆破安全设计工作。

基于LCEM-GFEM方法爆炸载荷作用下含缺陷岩体损伤机理研究

在爆破作业过程中,岩体缺陷对裂纹扩展具有显著影响。本研究基于全局有限元方法的局部黏结单元(LCEM-GFEM)方法构建数值模拟模型,研究爆破作用下含缺陷岩体的损伤演化和裂纹扩展模式。通过引入能量传递系数,定量分析了缺陷形态对应力波传播和衰减的影响。结果表明,缺陷形态对岩体的损伤特性和裂纹扩展具有显著影响。随着平行缺陷夹角的增加,爆破诱发的裂缝与衍生裂缝的合并路径从缺陷末端转移到了缺陷中间,能量传递系数增加,分形维度减小。随着平行缺陷之间的水平距离增加,平行缺陷之间的裂缝数目和能量传递系数相应减少。随着垂直缺陷之间的垂直距离增加,穿过缺陷C的主水平裂缝长度增加,能量传递系数和分形维度也增加。研究结果可为受到爆破荷载作用下含缺陷岩体的损伤特征提供指导。

爆炸荷载下缺陷岩体的动态响应

根据试验结果建立在爆炸荷载下含缺陷岩体的接触爆破模型,所考虑的缺陷为孔洞、孔隙和微小的张开型节理等,并考虑2种情况,一是缺陷含有水,另一种是空缺陷。依据现有花岗岩的试验结果,通过拟合得到其冲击状态方程,并将其应用于炸药附近的花岗岩,而对于远离炸药的花岗岩,采用线性状态方程,并采用改进的主应力破坏准则来确定花岗岩的破坏状态。根据试验结果,将花岗岩的动态强度设计成随应变率变化的变量。模拟结果表明,在爆破荷载下,当缺陷内含有水时,岩体的动态强度降低;缺陷密度越大,其岩体的破坏范围越小;巷道附近的爆破会在巷道自由表面处产生层裂裂纹,结合巷道挖掘过程中产生的径向裂纹,巷道的围岩会被切割成很多块体而发生剥落,进而可能导致岩爆。

含多种尺寸缺陷岩体中的弹性波散射

研究了含多种尺寸扁平椭圆缺陷的岩体中弹性波散射规律.细观上应用Green函数方法,考虑了入射波与基本的扁平椭圆缺陷相互作用,宏观上采用线性叠加原理,得到了缺陷岩体的频散和衰减规律.频散曲线中特征频率与裂纹尺寸负相关.含几种不连续尺寸裂纹的岩体中其频散曲线呈"阶梯跳跃"形,其衰减曲线也有不同的峰值;而含"均匀分布"与"正态分布"裂纹尺寸的岩体,与含单一尺寸缺陷的岩体相比,其频散曲线具有较宽的特征频率段.结合两个声波测试实例,讨论了这一理论模型的合理性与可行性.

缺陷岩体加速协同化破坏机制及前兆信息辨识

缺陷岩体对地下煤体的安全开采构成威胁,同时对工程长期安全运行带来较大的隐患,分析其破坏前后所展现的物理量变化特征,将为岩体失稳提供前兆辨识信息。以含缺陷单元的石膏组合体为研究对象,研究其破坏-失稳时空演化过程,捕捉和比较失稳前关键时刻对应物理场信息的变化差别,探讨岩体破坏失稳前由独立活动向整体协同化运动的过程。试验结果表明:缺陷组合体完全破坏分为强偏离线性、静态亚失稳和动态亚失稳3个阶段;首先相对强段为承载主体,弱段出现孤立的应变积累区和释放点并作用于强弱接触面;之后弱段积累区迅速增多并扩展和迁移,不同性态岩体呈现应变协同化传递具有单元性和区域性特征;最终应变释放点相互贯通,强弱段相互作用加强使得协同化程度达到最大,成为岩体进入全面失稳快速破坏的标志。为进一步验证上述试验结果的科学性、合理性,以某矿井断层采动涌水为工程背景,制作采场断层模型并进行双向加载试验,研究断层失稳错动引发涌水的过程及触发条件,揭示了断层亚失稳阶段协同化破坏机制。上述试验结果表明缺陷岩体进入亚失稳阶段是协同化破坏开始的标志。

载荷作用下缺陷岩体损伤演化过程分析

为研究缺陷岩体具体的破坏过程,利用RFPA2D数值分析软件,在模型中预置3个强度和弹性模量均较小的圆形缺陷,模拟载荷作用下含缺陷岩体的损伤演化特征。结果表明:载荷作用下含缺陷岩体的损伤分为加载初期的零损伤、损伤稳定增长阶段、缺陷内出现第一条裂纹后的快速增长阶段、贯穿整个岩体的大裂纹出现阶段;随着加载的继续,缺陷周围开始出现应力集中,从而导致裂纹的增殖、扩展,预置缺陷最终通过大裂纹进行联通,造成岩体发生破坏;同时,从缺陷内出现第一条裂纹开始,裂纹数量呈现分段性增长,峰值点附近达到最多,且裂纹增殖、扩展等发生过程中,声发射特征明显。研究结果对分析缺陷岩体的破坏过程具有重要的指导意义。

冲击荷载下缺陷岩体动态断裂行为数值研究

为了深入研究冲击荷载下缺陷(空孔)对裂纹扩展行为的影响,基于含空孔三点弯曲梁动态断裂焦散试验的研究基础,利用ABAQUS数值模拟方法和等效积分区域法分别对动态荷载下含空孔三点弯曲梁的裂纹扩展行为和起裂瞬间应力强度因子进行了研究。结果表明:基于数值模拟方法得到的裂纹扩展路径与实验结果基本吻合,采用等效积分区域法计算得到起裂处的应力强度因子准确性较高。等效积分区域法在ABAQUS的应用对断裂行为研究具有很好的适用性,进一步丰富了存在缺陷(空孔)岩体在冲击荷载下的断裂行为的研究方法。