蠕变作用后裂隙类岩石单轴强度和裂纹扩展规律研究

岩体在工程中受到外部载荷的长期作用,时间效应突出,且本身含有的不规则裂隙和孔隙,使得岩体强度和流变性更为复杂。为了研究裂隙类岩石蠕变作用对试件强度、破坏形式和裂纹扩展规律的影响,笔者预制单裂隙类岩石试件,第1组保证在同一应力水平和时间下,先进行单轴蠕变试验,再进行单轴压缩试验,第2组直接进行单轴压缩试验。研究发现:对单裂隙类岩石作用低应力蠕变,裂隙角度减小,蠕变效应对单轴压缩强度的影响变小。裂隙角度由90°变至75°过程中,蠕变效应强化作用减弱;45°时,蠕变效应起劣化作用;30°变至0°,劣化效应不明显。蠕变预处理试件与直接单轴压缩试件相比缺少明显的压密阶段,裂隙角度较小时,峰值应力区域变大。蠕变作用后试件弹性模量比直接压缩试件大,但随裂隙角度增大,弹性模量变小。蠕变作用对单轴压缩裂纹破坏机制和扩展规律的影响与裂隙角度有关,角度小时区别明显。先蠕变后压缩次生裂纹从原生裂纹尖端周围发起,裂纹短密集,而直接压缩次生裂纹稀疏向两端延伸扩展。

单轴压缩下单裂隙类岩石强度变形特性分析

以含特定几何参数(长度、倾角)的预制单裂隙类岩石试样为模型,开展了单轴压缩试验,研究了单裂隙试样的强度变形特性。试验中观察到贯穿预制裂隙面的拉伸主裂纹和由预制裂隙尖端或中部萌生的次生裂纹;单轴压缩作用下,试样的破坏模式均为拉伸破坏;当裂隙长度不变时,随着倾角的增大,试样峰值强度先减小后增大,峰值强度最小值对应的倾角逐渐减小;当裂隙倾角不变时,试样峰值随裂隙长度的增大而减小;预制裂隙倾角是新裂纹萌生及扩展的诱因,裂隙长度影响次生裂纹迹线的数目。

含不同倾角裂隙类岩石蠕变特性及数值模拟分析

为研究含不同倾角裂隙岩石的蠕变特性,利用相似理论配制含不同倾角单裂隙类岩石,对含不同倾角单裂隙类岩石试件进行三轴蠕变试验,得到不同角度单裂隙类岩石的稳态蠕变率与稳态蠕变量,利用ANSYS软件对含不同倾角裂隙类岩石进行数值模拟并分析,得到试件的应力与应变云图和裂隙特征点的稳态蠕变量、稳态蠕变率曲线。研究发现:三轴稳态蠕变率随裂隙倾角的增大表现出先增大后减小再增大的趋势,在倾角为30°时稳态蠕变率最大,最大为2.59×10^(-4)h^(-1),在倾角为75°时最小,最小为1.47×10^(-4)h^(-1);试件在蠕变过程中,裂隙尖端产生应力集中现象,远离裂隙尖端的部分应力变化较均匀;运用ANSYS软件对不同裂隙倾角试件进行蠕变模拟分析发现,在30°倾角时蠕变应变量最大,在75°倾角时蠕变应变量最小,90°倾角试件与无损伤试件蠕变应变量变化较均匀。

动静组合加载下裂隙试样力学特性和破坏模式

目的为了深入了解裂隙岩石在同时受到地应力和动力扰动时的工程灾变机制。方法采用改进的分离式霍普金森压杆系统,对预制裂隙类岩石试样进行了动静组合加载试验。研究了应变率、裂隙倾角和预应力对试样动态力学特性和能耗特征的影响,并对试样的破坏模式进行了分析。结果当应变率从61.82s^(-1)增加到195.57s^(-1),裂隙试样的动态增长因子不断增大,具有显著的应变率效应;动态弹性模量变化规律不明显,应变率效应不显著。随着入射能的增加,裂隙试样的单位耗散能密度不断增加。当裂隙倾角由0°变化到90°,试样的动态增长因子增不断增加,动态弹性模量和单位耗散能密度不断降低。当施加预应力后,30°、45°和60°裂隙试样的动态增长因子增长均有所增加;45°裂隙试样动态弹性模量有所增加,30°和60°裂隙试样的变化规律不明显;45°和60°裂隙试样单位耗散能密度有所降低,30°裂隙试样的变化规律不明显。裂隙试样的破坏模式主要包括张拉破坏、剪切破坏和张拉-剪切复合破坏3种,施加预应力对试样破坏模式的影响不明显。结论0°裂隙对工程岩体的承载能力削弱程度最小,90°裂隙有利于提高破岩效率。预应力在一定程度上会提高工程岩体的承载能力。研究结果可以为预测和评估岩石工程中的风险,制定合理的加固措施提供参考。

冻结裂隙砂岩解冻后蠕变力学特性研究

富水洛河组砂岩地层人工冻结法施工后,在长期应力作用下斜井井壁围岩会发生蠕变破坏。为了研究解冻后不同裂隙倾角岩石的蠕变破坏机理,以可可盖煤矿洛河组砂岩为原岩,制备预制不同角度裂隙的类砂岩,研究其解冻后三轴压缩蠕变力学特性。试验结果表明:岩样预制的三种倾角中,倾角45°时内部新生裂纹沿着预制裂隙发育与扩展程度更大,产生的轴向蠕变量更大且变化速率更快;其次是裂隙倾角0°时,最后为裂隙倾角75°。根据试验结果,基于西原体蠕变模型,引入裂隙塑性体元件及蠕变全过程劣化演化方程,建立考虑原生节理影响的非线性蠕变模型并且进行三维推广,并利用最小二乘法进行求解并拟合,拟合结果与试验数据基本吻合。

不同加载速率下含交叉裂隙类岩石力学特性研究

对含交叉裂隙类岩石试件开展不同加载速率的单轴压缩试验,研究并分析加载速率对试件力学特性的影响机理,并借助声发射系统分析了其破坏过程。结果表明,试件的峰值应力强度与加载速率呈现正相关性,峰值应力变化幅度随着加载速率的增大表现出先增大后降低的倒“V”形变化;在达到应力峰值前会存在0.15~4.8 min的振铃计数平静期,平静期随加载速率增加逐渐减小,声发射活跃区间由60 min压缩至12 min;试件在低加载速率(δ≤0.2 mm/min)时,声发射振铃计数呈现高频高幅的特点,在高加载速率(δ>0.2 mm/min)时,声发射振铃计数则表现出低频高幅的特点;试件破坏模式为拉-剪混合型破坏,试件处于低加载速率时,以拉伸裂纹破坏为主,在高加载速率时,以剪切裂纹破坏为主。

A damage constitutive model of rock-like materials containing a single crack under the action of chemical corrosion and uniaxial compression

To describe the deformation and strength characteristics of the corroded rock-like specimens containing a single crack under uniaxial compression,a damage constitutive model combining hydro-chemical damage with coupling damage of micro-flaws and macro-cracks is proposed.Firstly,based on phenomenological theory,the damage variable of the rock-like specimens subjected to water environment erosion and chemical corrosion is obtained.Secondly,a coupled damage variable for cracked rock-like specimens is derived based on the Lemaitre strain equivalence hypothesis,which combines the Weibull statistical damage model for micro-flaws and the fracture mechanics model for a macro single crack.Then,considering the residual strength characteristics of the rock-like materials,the damage variable is modified by introducing the correction coefficient,and the damage constitutive model of the corroded rock-like specimens with a single crack under uniaxial compression is established.The model is verified by comparing the experimental stress−strain curves,and the results are in good agreement with those provided in the literature.Finally,the correction coefficient of the damage variable proposed in this paper is discussed.The damage constitutive model developed in this paper provides an effective method to describe the stress−strain relationship and residual strength characteristics of the corroded rock-like specimens with a single crack under uniaxial compression.