深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明:(1)单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2)裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3)预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4)单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔库仑强度准则达到较好统一;(5)单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6)单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。

岩质斜坡动力响应特性的结构面效应研究

斜坡的坡体结构是控制斜坡变形破坏模式、影响斜坡动力特性的重要因素。为了进一步了解"坡体结构面如何影响边坡地震动力响应规律"这一问题,对均质斜坡(无结构面)和水平层状岩质斜坡(含水平结构面)两种类型的岩质斜坡进行了大型振动台试验研究,并着重对比分析了有无结构面对岩质斜坡峰值加速度动力响应规律的影响。研究结果表明:水平层状斜坡坡表和坡内加速度动力响应基本上都大于均质斜坡,即水平层状岩质斜坡存在层面放大作用,但水平结构面对斜坡加速度动力响应放大作用的程度与地震波类型、频率、振动强度和激振方向有关,总的来说,水平层面对Z向地震波的放大作用大于对X向地震波;在本试验研究中,频率仅影响层面放大系数量值的变化,而地震波类型及其振动强度和激振方向则对其分布形式和量值均有显著影响。

反倾岩坡倾倒变形结构面影响效应研究

为探究斜坡内赋存不同角度裂隙对反倾岩质斜坡倾倒变形影响效应,设计9组底摩擦试验,对比无裂隙、含一组陡裂隙和一陡一缓两组裂隙的3种类型试验,并研究不同裂隙角度对破裂面影响效应。研究发现:陡倾裂隙倾角的变化对岩坡变形及主破裂面形态有明显规律性影响,陡倾裂隙倾角越陡,发生倾倒破坏的初始破坏部位逐渐偏浅,破坏面积相对减小,破裂面从近直线型逐渐转变成近弧形;缓倾裂隙的赋存,使陡倾裂隙顺尖端开裂增长并且相互沟通形成贯通的破裂面过程更加快捷;主破裂面上覆层状岩体在倾倒变形时,会在其中部产生反向弯曲折断;通过定量分析,发现随着陡倾裂隙倾角增大,岩坡倾倒变形破坏幅度降低,而主破裂面无论是长度还是反映迹线复杂度的分维值亦随之降低。

三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射(AE)特征等。研究表明,(1)三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2)开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3)试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95%以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。

偶应力对含充填层状岩体边界层效应的影响

传统的连续介质理论本构关系没有考虑材料微结构的影响。岩石材料的微结构尺度一般在毫米量级以上,并且在高应变梯度情况下,层状岩体的弯曲变形非常显著。采用偶应力理论和有限单元法,对含充填层状岩体结构面边界层效应进行研究,并对经典理论和偶应力理论的结果进行对比。结果表明:考虑偶应力后,尺度效应明显。层状岩体结构面边界层内应力、应变的绝对值均有所减小;层状岩体结构面边界层内剪应变出现一个过渡区域,剪应变突变有所改善,但剪应力却不再连续。特征长度影响过渡区域大小,第二剪切模量、泊松比、弹性模量不改变过渡区域大小。

三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究

针对裂隙煤岩体的结构面效应,通过在煤岩试样表面预制特定角度和深度、不同长度的单结构面,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机和SAEU2S多通道声发射检测系统,研究了单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式和声发射特征受结构面长度变化的影响。试验结果表明:随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势;结构面角度一定,试样的抗压强度随着结构面长度的增大而减小;结构面长度越大,结构面效应对试样自身的材料破坏影响越明显,具体体现为试样沿结构面的滑移破坏和穿切结构面的破坏;随着循环加卸载的进行,声发射信息经历了加载初的少量随机期、加卸载时的规律波动期、破坏前的密集活跃期、主破坏发生后的峰值和峰后衰减期,声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程,破坏前的声发射密集活跃期可以作为判定试样破坏的前兆。

基于有限元/离散元耦合分析方法的含预制裂隙圆形孔洞试样破坏特性数值分析

为了揭示结构面作用下深埋高应力硐室围岩的破坏机制,采用有限元/离散元耦合分析方法(FDEM)对含预制裂隙圆形孔洞硬岩试样建立数值模型,研究不同预制裂隙(结构面)位置、长度以及倾角下试样孔洞周边裂纹扩展规律及其力学破坏特性,针对各种情况提出了相应的支护措施。研究发现,(1)在无预制裂隙作用条件下圆形孔洞顶底部首先出现张拉裂纹,随后在孔洞两侧相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,近似于开挖面附近的板裂化破坏;(2)若洞壁一侧存在已揭露裂隙该侧岩体整体呈剪切滑移型破坏,若洞壁一侧存在未揭露裂隙该侧岩体的破坏模式为张拉–剪切型破坏,未揭露预制裂隙试样的破坏程度更为剧烈且更容易诱发岩爆;(3)对于孔洞上方的预制裂隙,无论揭露与否最终都会产生局部性顶板垮落或崩塌;(4)随着预制裂隙长度的增加,圆形孔洞上方岩体由短裂隙时的局部性垮塌最终转变为全局式垮塌;(5)对于孔洞一侧预制裂隙,试样破坏过程所释放的动能(破坏程度)随裂隙倾角的增加呈现先增大后降低的趋势,对于孔洞顶部预制裂隙,试样的破坏剧烈程度随裂隙倾角的增加呈现单调递增趋势。研究结果可为含裂隙或断层岩体地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供指导。

不同角度结构面条件下裂隙煤岩破坏特征

为了进一步探究裂隙煤岩体的结构面效应,选取现场典型煤岩样,通过在煤岩试样表面预制特定长度、不同角度的单裂隙,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,研究了单裂隙煤岩体结构面角度效应的强度、变形特性和破坏形式。试验结果表明:试样应力-应变曲线的加载和卸载路径不重合,形成了若干封闭的回线-加卸载弹性滞后环,试样循环加卸载应力-应变曲线的外包络线变化特征与单调加载时相似,随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势,结构面长度一定,试样的抗压强度随着结构面角度的增大而不断减小。