冻融循环作用下岩桥变形破裂及能量转化特征研究*

为研究寒区锁固型岩质边坡的破坏机制,对岩桥试件开展冻融循环试验和单轴压缩试验。以数字图像相关方法为观测手段获得加载过程中的全局应变场,分析冻融循环作用对岩桥变形破裂演化特征的影响。引入能量特征指标,探究冻融岩桥加载过程中的能量耗散和释放规律。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件抗压强度和弹性模量逐渐劣化;冻融循环作用未改变最终破坏模式,均表现为剪切裂纹贯穿中部岩桥造成的失稳破坏。冻融循环作用促进应变集中带的出现和扩展,加剧裂隙周边的应变集中程度。随着冻融循环次数的增加,试件储能极限和应变能峰后转化率逐渐降低,说明冻融循环作用减缓能量耗散和释放;试件最终破坏与能量转化密切相关,储能极限和应变能峰后转化率越大,试件脆性破坏越显著。     

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。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

矿岩-充填体组合试件能量传递规律研究

为探讨矿岩-充填体组合试件的动态力学特征，使用取自云南玉溪大红山铜矿的含铜矿岩和分级尾砂制作矿岩和配比分别为1∶4、1∶10的充填体组合试件，利用分离式霍普金森冲击杆分别在0.20 MPa、0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa和0.30 MPa的冲击气压下对矿岩-充填体组合试件进行动态冲击试验，研究组合试件的能量传递规律和破坏模式。结果表明：当试件开始发生破坏时，宏观裂隙首先出现在试件边缘，并随着冲击气压增加而扩展，直到裂隙使充填体试件完全贯通，最终试件会完全破碎；组合试件的破坏模式主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏3种；充填体试件的波阻抗变化反映了试件在冲击过程中的损伤演化规律；试件的吸收能密度随入射能量增加线性增加；在冲击气压为0.20 MPa时，矿岩和配比为1∶10的充填体组合试件较早发生剪切破坏；当冲击气压为0.24～0.30 MPa时，矿岩和配比为1∶4的充填体组合试件虽然发生破坏，但仍具有一定吸能特性，并且相较于完整状态下变化不大，而在此冲击气压下，配比为1∶10的充填体粉末占比达到约80%,这表明灰砂比较高的充填体部分具有更稳固的...     

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。     

爆破和降雨作用下诱发含后缘裂缝岩质边坡失稳机制研究

为了探讨爆破和降雨对边坡失稳的影响,基于边坡实际结构,提出了将滑面分为后缘张拉裂缝段、中部锁固段、下部剪切滑动段。利用断裂力学理论,分析了爆破和降雨双重工况下的裂缝起裂扩展判据。基于格里菲斯（Griffith）能量准则,推导了边坡滑动块断裂后沿底滑面的剧动距离。通过实例验证了理论计算的可行性和适用性,研究结果表明:边坡表面裂缝起裂的根本动力为降雨、爆破以及二者的共同作用;在一定外力条件下,裂缝起裂扩展存在最小临界深度;降雨和爆破共同作用时,裂缝扩展临界深度最小;中部锁固段长度为控制边坡失稳的关键因素;降雨并不能使裂缝扩展,预知裂缝深度时,可通过控制爆破药量来控制边坡失稳。     

圆拱形缺陷对砂岩力学特征影响的试验研究

为研究含圆拱形预制缺陷砂岩的力学特征,在板状黄砂岩试样内预制了不同α值的圆拱形缺陷。采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统和数字照相采集系统研究了不同圆拱形缺陷倾角α对黄砂岩力学特征和破坏模式的影响规律。研究结果表明:试样峰值强度、平均模量和割线模量随着α的增大呈先减小后增大再减小趋势,α=30°试样峰值强度和峰值应变均最小,α=75°试样峰值强度和应变均达到最大;预制圆拱形缺陷α对试样起裂应力、起裂位置和破坏模式均具有重要影响,随着α值的增大,试样起裂应力总体呈先减小后增大再减小趋势,当α=30°时,试样的平均起裂应力最小,其值为10.90 MPa;当α=75°时,试样的平均起裂应力最大,其值为18.91 MPa。     

岩桥破坏全过程分形特征研究

为定量研究边坡岩桥破坏全过程特征,对岩桥试件进行单轴压缩试验,采用盒维数法计算加载过程中裂纹扩展路径的破裂分形维数,基于应力-应变曲线和破裂分形维数量化表征岩桥破裂演化特征,论证了试验结果与实际边坡岩桥破坏过程的相似性;而后,对试件碎屑进行筛分试验,引入破碎分形维数定量描述其破碎特征;最后讨论了这2种分形维数之间的关系。结果表明:1)岩桥试件的应力-应变曲线呈现出"峰后回升"特征; 2)破裂演化过程中产生的新生裂纹具有形态上的自相似性,即分形特征,破裂分形维数与应变之间服从双曲线关系; 3)岩桥试件破坏后的碎屑尺寸分布具有分形特征,破碎分形维数变化范围在2. 60～2. 67之间; 4)数据拟合表明,岩桥试件最终破坏状态的破裂分形维数与破碎分形维数之间呈线性正相关关系,这是因为试件的裂纹萌生、扩展和贯通与破碎特征紧密相关,属于因果关系。     

露天矿边坡岩体裂隙测量与卸荷破坏的数值模拟研究*

为探究露天矿不同高度边坡卸荷破坏模式的异同,以辽宁鞍山大孤山铁矿某岩质边坡为背景,利用边坡岩体内优势裂隙组产状、迹长和密度等随机分布参数,构建与边坡结构面具有相似分布规律的二维网络模型,借助PFC数值计算软件,探讨不同开采水平下坡体位移场和裂隙发展的时空演化规律以及边坡的破坏模式。研究结果表明:在边坡开挖过程中,出现的裂隙以张拉裂隙为主;裂隙主要出现在靠近坡面一定范围内,从坡面向里,裂隙数量减小,裂隙初始出现在坡脚区域,而后向坡顶发展;边坡开挖后,水平位移由负变为正,且突然增大,而后呈现阶跃型增长;边坡水平和竖向位移最大值发生在坡脚区域和靠近坡面位置,远离坡面,位移逐渐减小。     

复合顶板综放面覆岩破坏及裂隙演化相似模拟试验

煤层回采过程中,覆岩破坏特征以及裂隙演化规律对于矿井水、瓦斯防治具有重要意义。采用相似模拟试验对某煤矿复合顶板大采高综放工作面覆岩破坏及裂隙演化规律进行研究。研究结果表明:复合顶板大采高综放开采垮落带高度为32.6m,裂隙带高度为64.6m;煤层回采过程中对顶板覆岩支承压力的影响,近煤层大,远煤层小;覆岩采动裂隙倾角以中角度,宽度以中宽度为主,且裂隙数量随着远离煤层而逐渐减少;采动过程中,近距离煤层覆岩为采动裂隙聚集区,覆岩裂隙密度曲线呈现为"波浪"型。     

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。     

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。     

降雨诱发含后缘裂缝岩质边坡失稳机制研究

为探讨降雨诱发边坡失稳机制,以突变理论为基础,综合考虑边坡滑体后缘裂缝静水压力、滑动面水压力和水致弱化的影响,推导了坡体突变失稳的力学判据。研究结果表明:降雨作用下岩质边坡失稳与后缘裂缝充水高度、水致弱化函数、滑体几何-力学参数有关;裂缝与滑动面导通后,坡体发生突变失稳的必要条件为水致弱化段长度远大于弹性段长度;裂缝充水高度d越大,水致弱化函数f(ω)越小,发生失稳可能性越大。     

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。     

穿层爆破中控制孔对裂隙扩展作用机理试验研究

为研究控制孔在穿层爆破中对裂隙扩展的作用机理,在实验室内进行穿层爆破相似模拟试验。研究表明:煤岩体试块上表面产生了贯穿炮孔和控制孔的裂隙,侧面生成了多条不规则的裂隙,试块内部出现了包括沿控制孔方向发展的多个断裂面;炮孔和控制孔连线上产生了较高拉应力,炮孔和控制孔连线方向上拉应变峰值是炮孔45°方向上的拉应变峰值的1.12倍;爆破产生的压缩应力波P和在控制孔处反射生成的反射横波Sr、反射纵波Pr在控制孔附近的煤岩体上产生应力叠加,造成煤岩体损伤,最终形成贯穿裂隙。穿层爆破中控制孔对爆生裂隙的扩展起到导向作用,但由于穿层爆破中煤岩交界面的存在,使得应力波出现复杂的反射、透射、叠加效应,造成煤层内裂隙无序发育,工程现场应予以重视。