非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

直剪条件下非贯通节理岩体岩桥力学性质弱化机制及贯通模型初步研究

通过非贯通节理岩体直剪试验的力学特点和理论分析,修正了Lajtai岩桥张拉破坏理论。通过非贯通节理岩体直剪试验中岩桥的应力状态,提出岩桥内部的张拉破坏使岩桥力学性质发生弱化,并进一步分析研究了力学性质可能弱化的区域。分析非贯通节理岩体扩展贯通过程,提出了非贯通节理岩体的贯通破坏模式。通过非贯通节理岩体直剪试验初步验证了修正的岩桥张拉破坏理论和贯通破坏模式。     

非贯通节理花岗岩剪切断裂力学特性及声发射特征研究

为探究节理岩体在压剪复合作用下的断裂力学行为与破坏机制,采用完整及非贯通节理花岗岩开展了剪切试验,从宏观力学特性、声发射信号特征、颗粒流细观演化规律等多角度进行解析,并提出了一种利用声发射信号特征及其关键信息点预判花岗岩剪切破坏的方法。研究结果表明：节理破坏了岩石完整性,降低了岩石的剪切刚度和峰值剪切强度;此外,节理的存在会影响裂纹的扩展路径和破坏模式,且这种影响会随着法向应力的增加而削弱。法向应力和节理对声发射特征点影响显著,声发射信号的缓慢增长及b值的持续下降可作为岩石剪切破坏的前兆特征;利用声发射信号特征及其关键信息点可以有效预判花岗岩的剪切失稳破坏过程。该研究成果为节理岩体剪切破坏机制分析及其稳定性预测提供了一定参考。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

灰岩层面拉剪力学特性及层面起伏效应研究

为了研究岩石不连续面的拉剪力学行为,采用自主研制的拉剪装置开展天然灰岩层面在法向拉应力作用下的直剪试验,分析了剪切应力-位移曲线、层面断裂形态及强度特征。拉剪应力作用下断裂面无摩擦粉碎区和局部崩裂。随法向拉应力的增加,剪切强度呈非线性减小。进一步,采用PFC模拟研究了锯齿状层面起伏特征对其拉剪破裂及强度特性的影响。随法向拉应力的增大,剪切裂纹减少而拉伸裂纹增多。当起伏角较小时,裂纹沿锯齿层面产生;当起伏角较大时,裂纹在锯齿面和锯齿内均有发生。可将锯齿状层面破坏分为沿锯齿面拉伸-剪切破裂、沿锯齿面拉伸-拉剪破裂和锯齿面-锯齿混合破裂3种模式,并具体分析了各模式的损伤演化。随起伏角增大,锯齿状层面的剪切强度先减小后增大,在起伏角为30°时达到最小值;随法向拉应力的增大,剪切强度近似线性减小,可采用Mohr-Coulomb准则进行描述,其摩擦角和黏聚力随起伏角的增加而减小。剪切强度、摩擦角和黏聚力随起伏角的变化规律主要受破裂模式的控制。随着层面黏结强度的增加,从锯齿面破裂逐渐转变为锯齿面-锯齿混合破裂。当层面黏结强度达到一定值以后,拉剪强度不再增加,主要受锯齿的岩石强度控制。     

高应力卸荷条件下大理岩破裂面细微观形态特征及其与卸荷岩体强度的相关性研究

岩石的破裂性质及破裂面的起伏粗糙特征对岩石的破裂机制及破裂面的参数取值具有重要的理论和应用意义。采用高精度的三维激光扫描和扫描电镜技术,结合分形理论,揭示高应力条件下大理岩卸荷破裂性质及破裂面的细微观形态特征,阐述主破裂面粗糙度分形维与卸荷岩体强度间的相关规律。在高应力卸荷条件下,大理岩岩样随着卸荷速率的递增宏观破裂性质由剪切、拉剪复合向张拉劈裂发展。初始围压越高卸荷速率越快,主破裂面越起伏粗糙,而初始围压越高卸荷速率越慢,主破裂面越平坦光滑。随卸荷速率的增大,微观上大理岩逐渐由穿晶剪切断裂、沿晶面张裂+穿晶剪切的复合断裂、沿晶面张裂或劈裂的变化特征。卸荷岩体的内摩擦角随破裂面粗糙程度分形维D的增大而增大,而黏聚力随D的增大而减小。     

冲击作用下的压头破岩机制研究

与静态岩石破碎过程相比,冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应,应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法,针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响,黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度,然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律,结果显示：在弹性情况下,压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区,接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近,而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式,先出现赫兹裂缝,然后是径向裂缝和侧向裂缝,拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时,岩石的破坏形式呈现多元化,剪切破坏比重加大,表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩,砾石和基质的非均匀性不可忽略,冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来,对于岩石类准脆性材料,应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。     

非贯通非共面凝灰岩节理岩体各向异性及其能量特征分析

通过预制平行非贯穿节理试件进行单轴压缩试验,系统研究在节理倾角和节理间距组合形式下,对岩石试件的应力-应变曲线、峰值强度、变形参数、能量特征等的影响。试验研究发现:(1)平行节理岩体强度和变形曲线随节理倾角都呈现U型,当节理倾角为60°时,岩石单轴抗压强度取得最小值,表现出强烈的各向异性,随着节理间距的增大,岩石的单轴抗压强度逐渐增大;(2)试件破坏模式主要与节理倾角有关,在倾角为30°、45°时为张拉破坏或者张剪破坏特征,在倾角为60°时表现出剪切破坏特征,倾角为75°时为张剪破坏;(3)岩石在变形各阶段中吸收能量与耗散能成非线性增长,弹性应变能呈现先增加后减小,能量曲线随节理间距成指数增加关系。 更多还原     

节理倾角对黄土力学特性影响试验研究

黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

预制节理岩体试件强度及破坏模式的试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、载荷应变率、试件长径比、节理充填物厚度及类型等7种工况下的预制节理岩体在单轴压缩下的峰值强度及破坏模式进行了研究。结果表明：节理岩体的破坏模式及峰值强度与节理构造形态密切相关。贯通节理岩体将产生沿节理面的剪切破坏或穿切节理面破坏,且与第1种破坏模式对应的岩体峰值强度更低。非贯通节理岩体的强度介于完整岩体和贯通节理岩体之间。随着平行节理组数的增加,岩体峰值强度逐渐下降。随着载荷应变率的增加,岩体峰值强度逐渐增大,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。试件长径比基本没有改变其破坏模式,完整试件仍主要是以张拉破坏为主,而节理试件仍以剪切破坏为主。随着长径比增加,试件峰值强度逐渐增大。随着节理充填物厚度增加,试件峰值强度降低。不同节理填充物对试件峰值强度也有一定影响。     

Failure Characteristics of Complicated Random Jointed Rock Mass Under Compressive-Shear Loading

Most natural rock masses contain a large number of random joints and fissures, and most of the rock masses at the rock engineering are commonly in both compression and shear stress environment. However, the research on the failure characteristics of complex random jointed rock mass under compressive-shear loading is still limited. To address this gap, this paper uses the particle flow code 2D to establish a discrete fractured rock mass model and carry out a series of numerical tests with different compressive-shear angles (α) and different joint geometric parameters. The effects of compressive-shear angle and joint geometric parameters on the strength and failure characteristics of fractured rock masses are studied. The results indicate that with the increase of α, the peak strength of the specimen decreases gradually, and the failure mode changes from the composite shear failure mode (Mode-I) to a plane shear failure mode (Mode-II) and then to intact shear failure mode (Mode-III). Specifically, the three failure modes occur in the specimens with α?=?15°, 30° or 45°, 60°, respectively. The existence of joints affects stress distribution on rock mass during the loading process. Furthermore, the stress at the joint tip is relatively concentrated, while on both sides of the joint is smaller. Three kinds of crack coalescence patterns are observed: tensile, shear, and tensile-shear mixed coalescence. The inclination angle of the rock bridge between adjacent joints affects the specific type of coalescence.

     

柱状节理玄武岩隧洞破坏模式及其力学机制模拟

柱状节理岩体由于其内部赋存大量的隐节理面,开挖卸荷后极易出现隐节理面开裂松弛等特征,导致其破坏模式异于一般岩体。其破坏模式主要受到异常发育的节理面和较高地应力的共同作用影响。由于柱状节理岩体节理面发育,岩体结构控制型破坏占主要部分,包括单临空面节理面滑移（塌方）、多临空面节理面滑移（塌方）、与错动带、断层等弱面相组合的坍塌等破坏模式;应力控制型破坏主要为河谷侧顶拱喷层开裂;应力-结构面型破坏主要为岩性交界处的节理岩体塌落等。柱状节理岩体表层主要发生柱内竖直隐节理面和柱间节理面的拉破坏,而围岩内部的柱状节理主要发生柱间节理面的剪切破坏。因此,现场柱状节理的支护也应主要包括两个方面：以喷射混凝土钢纤维来阻止柱状节理岩体表层的张性开裂,以系统锚杆来控制柱状节理岩体内部的剪切破坏。     

锚固的贯通节理岩体剪切破坏特性分析

为了研究节理对锚固岩体力学特征和失稳损伤演化的影响,采用对锚固贯通节理岩体进行室内剪切试验和PFC2D数值模拟的方法,研究不同节理倾角下锚固贯通节理岩体剪切性能的作用机制和破坏模式,研究结果表明:（1）随着节理倾角变化,贯通节理岩体呈现出不同的破坏形式,锚固贯通节理岩体的抗剪强度与剪切位移曲线并不是呈线性增长,而是呈"双驼峰"趋势。（2）锚固体系在剪切试验的过程中,节理面颗粒的接触方位角会发生一定程度的改变,主要集中在锚杆和节理倾角附近。（3）锚固体系在剪切试验的过程中,会因为颗粒间黏结键的断裂生成裂纹,裂纹数生成的越少,其抗剪强度越高,裂纹分为张拉裂纹和剪切裂纹,并且张拉裂纹的数量要远远大于剪切裂纹的数量。研究结论可用于实际工程破坏模式的预测和岩体工程稳定性评价。     

非贯通单节理岩体裂纹扩展方向研究

裂纹扩展方向的确定对分析岩桥破坏机制和岩体抗剪强度参数具有重要意义。首先以断裂力学观点推导了复杂应力条件下裂纹尖端应力分布函数的表达式,以节理岩体尖端的扩展裂纹可分为张拉裂纹和剪切裂纹为前提,基于Griffith破坏判据,提出了张拉裂纹扩展方向(张裂角)的计算公式;基于Mohr-Coulomb判据,提出了剪裂纹扩展方向(剪裂角)的计算公式。通过新判据与试验和其他判据的结果对比表明,该判据能准确判断张拉裂纹扩展方向,而剪裂角的扩展方向有待进一步试验验证。分析表明:在单向拉应力作用下,张裂纹扩展方向均有偏向于最大主应力方向的趋势,张裂纹与最大主应力夹角小于15°;双向拉应力作用下,随着微裂纹倾角变大,张裂纹有远离最大主应力方向的趋势;单轴压缩作用下,张裂角随裂纹倾角的增加而减小,而两者的和为先减小后增加。