分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律

在进行大尺寸采空区嗣后充填过程中,胶结充填体易出现分层等结构现象.为深入分析结构特征对胶结充填体力学特性及裂纹演化规律的影响,首先制作中间层高度比为0.2、0.4、0.6和0.8,灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8和1∶10的分层胶结充填体试件,然后利用GAW–2000伺服试验系统开展单轴压缩试验,最后借助二维颗粒流软件(PFC–2D),分析胶结充填体内部裂纹分布规律.结果表明:(1)分层充填体单轴抗压强度与高度比呈指数函数关系、与灰砂比呈多项式函数关系;弹性模量与高度比及灰砂比均呈多项式函数关系;单轴抗压强度及弹性模量均随高度比的增加而减小、随灰砂比的增大而增大,且两者对灰砂比敏感度更高.(2)充填体内部裂纹演化曲线先缓慢上升,达到单轴抗压强度的80%左右时快速上升,且灰砂比越大、高度比越大,上升速度越快,拐点到来越早,充填体试件越易发生破坏,超过单轴抗压强度后曲线开始迅速下降.(3)分层充填体主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏,且破坏主要集中于中间软弱层;高度比越大,试件内部裂纹越密集,灰砂比越大,裂纹越易向两端演化.

基于PFC-GBM非均质模型的砂岩裂纹演化细观规律研究

砂岩作为巷道围岩的重要组成部分,其细观损伤特征直接影响巷道围岩岩层稳定性。不同粒径的砂岩其矿物晶体的结构具有较明显的非均质性,为研究砂岩裂纹演化细观规律,综合运用室内试验、数值模拟及理论分析的方法,以现场巷道围岩钻取的三种不同粒径的砂岩试件为研究对象,基于PFC2D软件构建二维等效晶体模型Grain-Based Model(GBM),从细观角度分析非均质砂岩试件破裂过程裂纹演化规律。研究结果表明:砂岩试件颗粒粒径越小,岩石的总接触数量越多且晶间接触占总接触比例越小,单轴加载过程中岩石产生的声发射信号及裂纹内部产生的裂纹数量越多,岩石试件的单轴抗压强度越大且破坏模式越剧烈;三种不同粒径砂岩试件在裂纹演化规律上具有一致性,单轴加载过程中,砂岩内部裂纹演化顺序为晶间拉伸裂纹、晶内拉伸裂纹、晶间剪切裂纹、晶内剪切裂纹;砂岩各矿物晶体内部产生的裂纹数量与矿物含量成正比,与矿物晶体的强度成反比,矿物强度与单位面积裂纹数量系数Kl成反比;砂岩试样破坏时,拉伸裂纹占总裂纹数量的90%以上,拉伸破坏为砂岩在单轴压缩条件下的主要破坏类型。

岩石破裂过程的数值模拟研究

考虑不同粒度组成和缺陷分布的岩石 ,对其裂纹扩展、演化过程的影响 ,建立数学模型 ,应用 RFPA2 D程序分析了均质度对岩石类脆性材料在外载作用下的裂纹扩展、演化过程的影响 ,和相关的实验结果进行对比 ,指出了均质度对材料破坏过程的决定性影响。

混凝土强度数值试验方法研究及CT验证

基于弹性损伤本构模型,利用均质岩样研究了在不同加载方法、不同试样尺寸条件下试件的受力特性,确定了混凝土数值试验的加载方法及"数字混凝土"强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。说明可以用位移控制的应力应变曲线极值点作为"数字混凝土"的强度点;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,即裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于其破坏面积。

含等直径双圆孔岩体的单轴压缩试验及其数值模拟

为探究含等直径双圆孔的岩体的力学特性,对含孔径D为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的双圆孔的类岩体试件进行单轴压缩试验,并采用PFC(Particle Flow Code)程序对试验进行模拟,得到试件的单轴抗压强度和裂纹演化规律随孔径D、孔中心间距L、双孔中心连线与水平线的夹角α的变化规律。结果表明:当试样的孔径D与孔中心间距L相同时,抗压强度随α的增加呈先减小后增大的趋势,当α为45°或者60°时达到最小值;当D为10 mm且α为0°~60°时,抗压强度随L的增加呈先增加后减小的规律,当α为90°时,抗压强度随L的增加呈先减小后增大的规律;当夹角α相同时,单轴抗压强度随D的增大呈逐渐减小的规律。

岩石-充填体组合模型力学特性及微裂纹演化特征颗粒流模拟

为深入分析中心圆柱体直径D对组合体力学特性及微裂纹时空演化规律的影响,借助PFC颗粒流软件,分别构建D为10,20,30,40 mm的岩石包裹充填体(BER)及充填体包裹岩石(REB)组合模型,然后开展单轴压缩实验。结果表明:1)两种组合模型峰值应力、峰值应变、弹性模量均介于完整充填体和完整岩石之间;随D增加,BER模型峰值应力以线性方式降低、峰值应变以多项式函数方式降低、弹性模量以线性方式降低,而REB模型正好相反;2)BER模型起裂应力及损伤应力随D增加呈线性趋势降低、REB模型起裂应力及损伤应力随D增加呈线性增加趋势;两种模型起裂应力及损伤应力与峰值应力比值均介于完整充填体与完整岩石之间;3)不同模型其内部微裂纹时空演化规律基本一致,充填体内部先出现微裂纹,然后微裂纹数量迅速增加,之后逐渐扩展至岩石内部,最后逐渐贯通形成宏观裂纹,组合模型失稳破坏.