基于颗粒流数值方法的岩石压剪破坏细观特征研究

压剪破坏是影响岩体工程安全的主要因素,基于颗粒流程序的伺服控制原理,采用等效晶质模型模拟了粉砂质板岩的压剪破坏过程,通过与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石在压剪过程中的破坏机理。结果表明:裂纹增长速率与试件压剪过程中经历的弹性、塑性和破坏3个阶段具有相关性;张拉、剪切裂纹呈同步增长趋势,但峰后张拉裂纹增长速率快于剪切裂纹,即试件峰后以张拉破坏为主;随剪切角增大,由沿晶和穿晶断裂向以沿晶断裂为主转变,裂纹数量减小且扩展方向向断裂面集中;穿晶断裂的扩展更容易导致局部失稳,即在宏观上表现为塑性阶段;穿晶裂纹主要沿断裂面扩展、贯通,一定程度上可以抑制断裂面附近较大破裂块体的产生。     

单轴压缩下中部锁固岩桥变形破坏模式及演化机制研究

为了探究锁固岩桥破坏模式及演化机制，通过在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥，采用物理试验和RFPA2D数值模拟方法，研究不同锁固岩桥角度试样破坏模式及裂隙扩展演化机制的影响规律，并利用断裂力学理论分析岩桥裂隙扩展机理。研究结果表明:利用数字图像技术，从定量角度分析裂隙扩展类型，得出试验试样最终破坏是由前期损伤不断积累所导致的结果；锁固段岩桥角度α对锁固段的破坏有重要影响，当α≤90°时，锁固岩桥段发生张拉贯通破坏；当90°＜α＜120°时，锁固岩桥段发生张拉剪切贯通破坏；当α≥120°时，锁固岩桥段并没有发生贯通破坏。最终得出3种试样破坏模式:下部裂隙张拉扩展，贯通中部岩桥；上下部裂隙同时张拉扩展，剪切贯通中部岩桥；下部裂隙张拉扩展，贯通试样上端面，中部岩桥没有发生破坏。     

充水溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值模拟

为探讨充水溶洞中水压对隧道围岩稳定性的影响,利用岩石破坏过程渗流-应力-损伤耦合分析软件F-RFPA~(2D),对隧道底部含充水溶洞的围岩破坏过程进行数值模拟研究,并与岩体中存在裂隙时隧道围岩的破坏过程作对比。结果表明,水压的增加使溶洞与隧道间的岩体逐渐产生裂纹,并不断延伸,最终使隧道与充水溶洞贯通;岩体中裂隙的存在改变了裂纹的扩展方向,加速了隧道底部围岩的破坏进程;实际工程中应将隧道底部围岩垂直方向上的位移变化作为事故发生的前兆,制定相应的预防措施,避免事故的发生。     

连续管复合裂纹的应力强度因子有限元分析

针对解析法计算连续管复合裂纹应力强度因子繁琐的问题，引入扩展有限元法（XFEM）进行分析。应用有限元软件ABAQUS计算不同裂纹角度对应的连续管Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型裂纹的裂尖应力强度因子KⅠ，KⅡ，KⅢ，分析了裂纹角度对应力强度因子的影响，并模拟得到了受单向拉伸载荷的连续管裂纹扩展的整个过程。研究结果表明:扩展有限元解与计算解很接近，验证了利用扩展有限元法计算复合型应力强度因子的有效性。随着裂纹夹角θ的增大，裂尖处KⅠ不断减小、KⅡ始终很小，可以忽略、KⅢ先增大后减小、总应力强度因子K不断减小。通过扩展有限元法计算出裂尖应力强度因子，可有效预测含裂纹CT80连续管的安全性。     

地热水在矿山深部岩体单一裂隙中的渗流规律分析

选取PKN模型进行岩体裂隙地热水对流换热量的研究,计算了地热水在裂隙内的对流换热量,通过将裂隙截面展开求解对流换热面积,根据牛顿冷却定律计算得出对流换热量;由裂隙张开度的变化量计算岩体裂隙的渗流量,结果表明,在三维应力一定的条件下,岩体裂隙内地热水的渗流量随裂隙倾角变化而变化。从矿山中选取典型岩样进行加工,使之成为200 mm×100 mm×200 mm的标准岩样。试验结果表明,在裂隙倾角α=0°的情况下,裂缝的渗流量随β增加逐渐减小,并且在随β增加到90°的过程中趋于稳定,表明岩体裂缝为水平裂缝时渗流量最小,维持在一个稳定值;在α=90°的情况下,裂缝的渗流量随β增加逐渐增大,在β增加到90°的过程中,裂缝慢慢变为垂直裂缝,渗流量的变化也趋于缓和,增加到一个稳定值。     

基于RFPA2D复合局部挠曲岩体数值模拟

为研究复合局部挠曲岩体强度特征以及破坏规律，采用岩石真实破裂软件RFPA^2D，对水平层面挠曲30°，45°，60°，75°的复合岩体进行单轴压缩试验模拟。模拟结果表明:挠曲角为30°，45°，60°，75°的复合岩体破坏面几乎与挠曲段夹层重合，其挠曲端部均产生了垂直于挠曲段夹层的裂纹；复合单斜岩体与复合挠曲岩体破坏面的形成因素大致相同，夹层强度是2种岩体失稳的主要因素；复合挠曲岩体单轴抗压强度随挠曲角增大同样呈“U”型变化，与单斜岩体变化趋势一致；当水平层状岩体发生挠曲后，其单轴抗压强度减小，当挠曲角为60°时，强度降低25.19%，当挠曲角为75°时，强度降低0.17%。；随着均质系数m的增大，复合挠曲岩体单轴抗压强度以及轴向应变均出现逐渐递增的趋势，且不同m值，其岩体裂隙扩展方式具有明显差别。     

不同冲击方向下高压气体致裂岩石特征试验

为探索含瓦斯煤层增透性,提高抽采率,利用自主研制的真三轴高压气体冲击致裂岩石试验系统,开展不同冲击方向下高压气体致裂试验,试验变量为气体冲击方向与最大水平主应力的夹角,在三向应力的作用下开展高压气体冲击试验,得到冲击方向与最大水平主应力呈现0、30、45、60和90°夹角时岩石破裂形态及声发射响应。结果表明：高压气体冲击致裂岩石过程呈现5个显著阶段,即冲击起裂阶段、气压上升阶段、裂缝扩展阶段、气压稳定阶段和压力衰减阶段;高压气体冲击产生垂直裂缝和水平裂缝,射流角度增加后,垂直裂缝出现偏转,且偏转角度逐渐变大,裂缝偏转点也逐渐远离钻孔,水平断裂面呈现中间低四周高的形态;气体峰值压力随着射流方向与最大主应力的角度增加而增加,从0～90°峰值压力呈线性增长;分析声发射信号发现,岩石冲击破坏以张拉破坏为主、剪切破坏为辅,但随着射流角度增加,逐渐转变为剪切破坏为主的拉-剪复合破坏。     

主、次裂隙对岩石变形破坏机制的影响研究

为研究主、次裂隙在近似T型分布下对岩石变形破坏机制的影响,基于含主、次裂隙类岩石试件的单轴压缩试验及线弹性断裂力学理论,研究了轴向压缩下由夹角变化引起裂隙岩石中主、次裂隙应力场的变化规律,并进一步探究了其对岩石强度与变形特征的影响。研究结果表明:次裂隙的存在对单一裂隙试件的强度特征有明显影响,含次裂隙试件强度降至单一裂隙试件的30.2%~47.5%;裂隙夹角由30°增加至60°时引起主裂隙相交节点两侧剪应力方向由同向转变为异向,由应力的叠加转变为应力的抵消,对裂隙岩石的破坏过程产生抑制作用,从而增强岩石的峰值强度;相较于裂隙间应力场的相互影响,新增裂隙数量所增加的能量消耗引起的强度特征变化更为显著。     

倾斜煤层矿井突水对防水煤柱稳定性的影响规律分析

针对倾斜煤层防水煤柱合理尺寸留设问题,以道清煤矿淹井事故为原型,采用理论解析分析与数值计算相结合的对比分析方法,研究矿井突水对防水煤柱的稳定性影响,得到在矿山压力作用与水压作用下防水煤柱的极限设计尺寸优化公式,结合道清煤矿生产实际得到防水煤柱尺寸,通过数值模拟分析对比验证防水煤柱尺寸的合理性,并探究了防水煤柱的破裂过程。结果表明,煤体受采动应力影响,应力状态重新分布,煤体由弹性状态转变为塑性状态,产生塑性形变,强度逐渐降低,当压力增大达到其强度极限时,煤体内部出现裂纹,裂纹逐步扩展靠近防水煤柱,形成裂纹带,随着时间的累积,防水煤柱的强度逐渐降低,塑性变形区逐步向弹性核区移动,矿井涌水后,煤体裂隙导通充满大量孔隙水,在水压作用下,新生裂纹及原生裂纹进一步扩展,裂纹的张开度不断增大,最终形成导水裂纹带,使得防水煤柱发生严重破坏,煤体的破坏形式以拉剪破坏为主,煤层沿倾向发生相对位移,表现出剪涨变形,煤体出现剪切带。     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究*

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明:饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

考虑岩土体剪胀特性的边坡稳定性分析*

为考虑岩土体剪胀特性对边坡稳定性的影响，基于非关联流动法则，利用等效内摩擦角的概念对原抗剪强度参数进行修正，以修正后的等效参数c*，φ*探讨剪胀角对岩土体强度的影响，结合传统强度折减法以及基于临界曲线的双系数折减法，求解基于修正后等效参数计算的边坡安全系数，并给出安全系数的取值方法。结果表明:采用等效参数来考虑剪胀角的影响是可行的；随剪胀角的增大安全系数增大，且增长速度变缓，剪胀角在0~25°范围内对安全系数的影响显著，在实际工程计算中需要考虑剪胀角对边坡稳定性的影响；基于临界曲线的双系数折减法可较为直观地体现出剪胀角的影响程度，在研究剪胀角对边坡稳定性的影响时可采用此方法进行分析。     

3D Voronoi等效晶质模型在岩石破坏细观研究中的应用

基于3D Voronoi图提出一种能够反映岩石矿物晶粒结构的三维精细化建模方法,分析了晶粒排列均匀化程度及大小等微观结构的变化对模型宏观力学性质的影响程度,并进行了晶粒结构优化设计。通过模拟粉砂质板岩单轴压缩和巴西劈裂的破坏过程,以及与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石的破坏机理。研究结果表明:通过裂纹生长速率大致可以表征室内试验中弹性变形、非弹性变形和峰值后宏观破坏阶段;岩样在单轴压缩和巴西劈裂破坏过程中以拉伸断裂为主,在宏观上表现为脆性断裂;岩样宏观断裂呈现沿晶和穿晶断裂的组合形态,弹性变形阶段裂纹的萌生和扩展以沿晶断裂为主,而穿晶断裂的扩展和贯通往往导致局部失稳,表现为非弹性变形阶段。     

综合拉底、扩漏和出矿全过程的底部结构安全性颗粒流模拟技术研究

为探明自然崩落法从拉底崩落至出矿全过程中底部结构节理连续扩展过程与破坏过程规律，采用PFC2D软件，结合RocLab软件反演节理岩体参数，建立229 m×129 m的岩体扩大模型，对拉底崩落至出矿过程进行连续综合计算。研究结果表明:模拟结果及破坏现象与现场监测结果相近，建模与细观参数反演方法适用于该类岩体工程研究；裂纹扩展贯通导致岩体失稳破坏，破坏过程与裂纹扩展具有相对应的阶段特征，裂纹扩展分为崩落前稳定扩展期，崩落与聚矿槽开挖过程加速扩展期和后续持续扩展期；结构破坏分为蕴育过程，扰动失稳过程和宏观破坏过程；较大范围的宏观破坏主要在出矿阶段。该模拟方法与结果可为底部结构维护以及节理岩体长期稳定性研究提供参考。     

单一闭合裂纹在单轴压缩下对岩体破裂过程的影响

基于断裂力学理论研究了无限大薄板内单一闭合裂纹的破裂规律,从II型断裂准则出发,详细推导了单轴压缩下裂纹破裂强度的解析表达式,且定量的分析了裂纹倾角、长度和摩擦系数对岩体破裂过程的影响,运用数值软件RFPA2D对其进行验证,二者具有较好的一致性。研究结果表明,单轴压缩下,含闭合裂纹岩体的强度是由裂纹强度决定的,且随裂纹倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势,裂纹长度越大,摩擦系数越小岩体强度就越小。