岩桥倾角对岩体能量演化规律影响研究

天然岩体内部常含有各种分布形式和尺寸长度的裂隙,裂隙对岩体破坏模式和强度有重要的影响,从能量角度研究裂隙对岩石压缩破坏模式的影响可以反映裂隙岩体变形破坏的本质特征从而为岩体设计施工提供依据。因此制备了不同裂隙组合形式的相似材料,通过单轴循环加卸荷试验进行加载,探究了双节理裂隙岩桥倾角(裂隙搭接程度)在岩体各受荷阶段中对能量演化规律的影响,揭示了不同岩桥倾角下岩石弹性能和耗散能演化及分配规律。研究表明:随着岩桥倾角的不断增加,即裂隙搭接长度的增加,最终积聚弹性能密度在逐渐减小,易于形成宏观裂纹;耗散能比例曲线的明显转折是岩石失稳破坏的前兆。随着岩桥倾角的变缓,耗散能比例曲线增幅越陡,因此破坏越明显;岩桥倾角越小即裂隙水平距离越远,裂纹发育速度越快。

岩桥倾角对岩石力学性质尺寸效应规律的影响研究

岩桥在岩质边坡的变形控制和稳定性机制中具有极其重要的地位.通过有限元软件RFPA模拟,得到系列尺寸下不同岩桥倾角数值模型试样的单轴抗压强度,揭示了岩桥倾角对岩石单轴抗压强度的影响规律及其对岩石单轴抗压强度尺寸效应的影响规律.结果表明:(1)岩桥倾角对岩石单轴抗压强度存在影响,随岩桥倾角增大,岩石单轴抗压强度呈现下降的趋势;(2)含岩桥的岩石单轴抗压强度存在尺寸效应;(3)岩桥倾角的变化对岩石单轴抗压强度尺寸效应有影响,岩桥倾角的增大对岩石单轴抗压强度的尺寸效应具有弱化作用;(4)通过推导得到岩石单轴抗压强度与岩桥倾角和岩石尺寸的函数关系式,为工程设计提供了科学依据.

预制裂隙几何参数对类岩材料破坏模式及强度的影响

采用岩石力学伺服试验机,对混凝土材料预制裂纹试件进行单轴压缩试验,根据试验结果分析裂隙参数(裂隙倾角和岩桥倾角)对试件破坏模式和试件单轴抗压强度的影响规律。研究结果表明,当以岩桥倾角分组时,60°岩桥倾角试件组单轴抗压强度最小;当以裂隙倾角分组时,75°裂隙倾角试件组单轴抗压强度最大。裂隙参数变化对于试件的破坏模式及其单轴抗压强度影响显著,并且不同破坏模式中起主要影响作用的参数不同。对于预制裂隙贯通破坏的试件,其微裂纹的搭接贯通模式及试件的单轴抗压强度主要受岩桥倾角影响;对于单裂隙微裂纹贯通破坏和无微裂纹发育的整体脆性破坏的试件,其破坏模式及单轴抗压强度则主要受到裂隙倾角的影响。

压缩作用下岩石预置裂隙贯通机制的研究

运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),结合室内实验研究了预置双裂隙试样在不同岩桥倾角影响下的破坏过程及裂隙的贯通机理。对单轴加载下岩桥断裂特征的研究表明:随着岩桥倾角(0°~90°)的增加,贯通模式呈现由压剪混合贯通过渡到剪切贯通最后到拉伸贯通的趋势。从贯通强度和能量的角度,分析了岩桥倾角分别为0°、30°、60°、90°下的贯通模式,研究了岩桥长度、非均匀性对裂纹扩展的影响。结果表明:岩桥倾角为0°时,贯通强度最高;岩桥倾角为60°时,贯通强度最低;随着岩桥长度(8mm^42mm)的增加,贯通由简单模式过渡到复杂贯通最后到未贯通;当均匀性系数较小(m=3),即均匀程度较低时,裂纹往往沿着强度较弱的部位进行扩展,裂纹路径较为曲折;当均匀程度较高时(m=7、m=15),主裂纹路径较为集中,宏观上表现为越来越光滑。

裂隙砂岩力学特性颗粒流数值模拟

为了研究裂隙砂岩力学特性,利用颗粒流(PFC)软件构建含不同几何状态的裂隙试样模型,分析裂隙几何状态对裂隙试样力学特性和变形特性的影响。结果表明:相比于完整试样,裂隙试样的峰值强度、弹性模量、峰值轴向应变均有所降低,泊松比明显提高;裂隙试样峰值强度、弹性模量随着岩桥宽度的增加逐渐增加,随着岩桥倾角增加,裂隙试样弹性模量呈现先减小后增大的变化规律,当岩桥倾角与裂隙倾角相同时,裂隙试样的弹性模量、峰值强度最小;裂隙试样泊松比随着岩桥宽度、围压的增加逐渐降低,随着围压增加,裂隙试样峰值强度、峰值轴向应变逐渐增加;裂隙的存在弱化了试样的力学特性,改变了试样的变形特性,岩桥宽度越小,弱化能力越强,相比于岩桥宽度对裂隙试样的影响程度,岩桥倾角对试样的影响程度较小。

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角<60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角>60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。

含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟

为了研究岩桥倾角α对岩石力学行为和裂纹扩展机制的影响,采用PFC3D程序中的颗粒平行黏结模型,通过“试错法”获得一组能够反映完整花岗岩宏观力学特性的细观参数,并建立不同α下微孔洞与平行裂隙①、②组合的数值模型,对三轴压缩中岩样变形破坏过程进行了模拟分析。结果表明:α对起裂强度与峰值强度的比值未见显著的影响;当α=0°和75°时,裂纹扩展模式相似,裂隙①、②内外尖端均产生翼型裂纹,随后与微孔洞贯通;当α=15°、30°和90°时,裂纹的扩展模式比较接近,裂隙①、②内外尖端也可见翼型裂纹;当α=45°、60°时,裂纹呈类似方式扩展,裂隙①、②与微孔洞之间在剪切面上出现裂纹贯通,且在裂隙①、②外尖端有剪切裂纹,此时平行裂隙和微孔洞在剪切面上;剪切裂纹远多于拉伸裂纹,且微裂纹是从初始损伤部位开始扩展的。

雁行双裂隙类砂岩加载条件下裂纹扩展演化规律研究

在岩体工程中,岩体因施工扰动使得其内部裂纹扩展与贯通,降低了岩体结构强度,进而引发工程事故。为了研究裂隙岩体在荷载作用下裂纹扩展演化与破坏规律,以预制含雁行双裂隙类砂岩试样为研究对象,采用单轴压缩试验与数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术相结合,探究裂隙倾角和岩桥倾角对试样裂纹产生、扩展和破坏模式的影响。结果表明:裂纹先从试样边界处产生,向试样中心扩展,随加载的进行,裂纹转向从裂隙尖端处产生,向试样上下端面扩展。试样新生裂纹扩展演化过程、破坏模式与裂隙的倾角特征关系密切,随裂隙倾角和岩桥倾角的增加,裂纹扩展的数量分别呈现出先减少再增加后减少、先减少后增加的特点,试样破坏模式呈现出由张拉破坏向张拉-剪切复合破坏转变,但当裂隙倾角增加至90°时,试样破坏模式又呈现出张拉破坏。岩桥贯通取决于其水平投影长度,当岩桥倾角为0°、30°,岩桥水平投影长度较长,岩桥未贯通,当岩桥倾角为60°、90°、120°,岩桥水平投影长度逐渐减小,岩桥发生直接贯通。研究成果可为工程设计及优化提供一定的指导意义。

断续三裂隙砂岩单轴压缩裂纹扩展特征颗粒流分析

节理裂隙对岩石的强度破坏及裂纹扩展特征具有显著影响.为了进一步认识预制裂隙对断续裂隙岩石力学行为的影响,本文在一组经过室内试验标定的细观参数的基础上,进行了断续三裂隙砂岩试样单轴压缩颗粒流模拟.基于模拟结果,分析了岩桥倾角对裂隙砂岩试样应力-应变曲线、强度变形参数以及裂纹扩展特征的影响.研究结果表明:(1)峰值强度、弹性模量、峰值应变、裂纹起裂应力和贯通应力均随着岩桥倾角的增大呈先减小后增大再减小变化趋势,而裂纹损伤阈值与岩桥倾角之间无明显相关性;(2)岩桥倾角主要影响中间裂隙2的起裂模式,当岩桥倾角较小时裂隙2尖端不易萌生裂纹;(3)裂纹贯通模式和程度均与岩桥倾角密切相关.当岩桥倾角为0°、30°和60°时只有2处贯通,岩桥倾角为90°和120°时发生4处贯通,而岩桥倾角为150°时有5处贯通.裂纹贯通形式主要分为7类,而且断续三裂隙砂岩贯通模式是其中一类或多类贯通形式的组合.最后,从细观应力场和位移场角度讨论了岩桥倾角较小时中间裂隙2尖端裂纹较难起裂的原因.

静载下预制裂隙类岩石材料断裂实验与分析

在伺服控制单轴加载系统下对预制两条贯通裂隙类岩石材料进行加载试验,探索预制裂隙倾角和岩桥倾角对岩桥贯通模式的影响规律.对比实验与数值分析结果发现:随预制裂隙倾角及岩桥倾角的变化,裂隙体呈现出预制裂隙贯通破坏与单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏;裂隙体预制裂隙发生贯通破坏时,岩桥倾角对裂隙体微裂纹贯通破坏模式的影响与裂隙倾角有关;裂隙倾角较大时(≥75°),岩桥倾角的影响不明显;裂隙倾角较小时(≤75°),岩桥倾角的影响越来越大,预制裂隙倾角45°附近影响最为显著;预制裂隙倾角较小(25°),岩桥倾角不大时(≤45°),裂隙体呈现出单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏现象.裂隙体破坏时,预制裂隙尖端主要发育翼形裂纹和次生共面裂纹.

含三裂隙巴西圆盘抗拉强度和裂纹特征试验研究

通过对含3条填充预制裂隙或含3条非填充预制裂隙巴西圆盘进行巴西劈裂试验,研究了岩桥倾角β和预制裂隙是否填充对试样强度和裂纹扩展规律的影响.结果表明:不论预制裂隙是否填充,含三裂隙圆盘试样强度均表现为随岩桥倾角β的增加而先减小后增加最后又减小;并且填充试样发生应力跌落后表现为由脆性向延性转化的特点,而非填充试样始终表现为脆性破坏;试样最终破坏的发生是由3条预制裂隙中的2条预制裂隙尖端萌生的翼裂纹扩展贯通导致的;当岩桥倾角β相同时,填充试样的破坏强度要明显高于非填充试样;根据声发射特征图可以看到:在峰前阶段,振铃计数基本不变,试样在达到峰值及峰后阶段时,其振铃计数有较大的突变出现,变化较为剧烈.

预制裂隙细砂岩裂纹扩展过程及宏观破坏模式单轴压缩试验研究

为研究裂隙的存在对岩体破坏模式的影响,本文对含有不同几何状态的裂隙细砂岩进行了单轴压缩试验,分析了单轴压缩条件下,岩桥倾角和岩桥宽度对裂隙细砂岩试样裂纹起裂、扩展过程以及破坏模式的影响;结果表明:从整体来看,在单轴压缩条件下,裂隙细砂岩试样的破坏模式主要有拉伸破坏、剪切破坏、拉剪组合破坏3种;随着岩桥宽度的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从1条裂隙的尖端转化为2条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由剪切破坏模式经过拉剪组合破坏模式后向拉伸破坏模式过渡;随着岩桥倾角的增加,裂隙细砂岩试样裂纹发育的起始位置从2条裂隙的尖端转化为1条裂隙的尖端,裂隙细砂岩试样的破坏模式由拉剪破坏逐渐向剪切破坏过渡;裂纹的发育和扩展在应力-应变曲线上都有所体现,应力-应变曲线的每一次波动都对应裂纹的发育或扩展;试验结果为裂隙岩体工程提供了一定的指导意义。

双裂隙类砂岩冻胀断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体受冻融作用的影响经常发生断裂破坏。为了研究岩桥倾角对裂隙岩体冻胀扩展过程、断裂破坏特征以及强度损失的影响机制,利用相似材料制备含不同岩桥倾角的双裂隙类砂岩试样,并开展一系列裂隙注水、不注水的冻融循环和单轴压缩试验,得到冻胀裂纹扩展特性及对类砂岩力学特性的影响规律。研究结果表明:(1)受裂隙冻胀力的驱使,冻胀裂纹不断扩展延伸,并伴随着"枝状"微裂纹的生长;(2)冻胀裂纹的外尖端主要沿着初始裂隙方向扩展,而内尖端受应力干扰作用会朝着另一条预制裂隙外尖端发生偏转,且岩桥倾角?越大,这种偏转效应越明显;(3)试样单轴压缩破坏模式容易受到冻胀裂纹的影响,当岩桥倾角β=90°~135°时,主要沿着冻胀裂纹方向发生剪切破坏,导致试样强度明显降低;而当β=180°时,冻胀裂纹不再是试样单轴压缩破坏的主要诱因,对其强度损失和断裂特征几乎没有影响。

张开与充填四裂隙脆性砂岩强度和贯通模式研究

利用MTS816岩石伺服系统对张开和充填四裂隙脆性砂岩进行单轴压缩试验,研究了应力应变曲线、峰值强度、破裂过程及最终破裂模式随倾角β1及充填状态的变化规律.应力应变曲线会随倾角β1的改变发生较大的变化,与完整试样相比存在较多的应力波动,而充填石膏一定程度上减少应力跌落.峰值强度随倾角β1的增大呈现先增大后减小的趋势,充填石膏会在一定程度上增加试样的峰值强度,但不会改变其随岩桥倾角的变化趋势.破裂过程中由于充填石膏限制了弹性应变能的释放,导致充填试样破坏前的裂纹萌生扩展较少,峰后破裂较突然.将中间裂隙的贯通模式分为2类,中间与外端裂隙的贯通模式分为5类,说明中间裂隙的贯通模式一定程度上受到外端裂隙的分布状态的影响,试样的贯通模式受到裂隙的空间分布影响较大而充填石膏对其影响较小.