巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论EI北大核心CSCD

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,(1)层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;(2)不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;(3)当层理角度0°<β<90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式(1)计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;(4)当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

层状含水页岩的抗拉强度特性试验研究

为分析层理和水对页岩的抗拉强度特性的影响,现场选取龙马溪组黑色页岩制备成4种含水状态含层理页岩,沿与层理呈0°、30°、60°和90°夹角加载进行巴西劈裂圆盘试验,试验过程同步进行声发射测试,并采用离散元软件3DEC对试验结果进行数值模拟验证。结果表明,相比于含层理页岩,同时考虑含水和层理的页岩在巴西劈裂试验中有其独特的破坏模式和力学特性。含层理页岩的巴西劈裂破坏模式和抗拉强度均与层理角度和含水率有关,破坏模式主要受控于层理与荷载的加载方向,水虽不会影响其破坏模式但能够导致次生裂纹的形成。抗拉强度则表现出随层理角度的增加而先减小后增大,随含水率的增加而减小的趋势。并且,在页岩同时受水和层理损伤作用时,受层理损伤程度越大,水对其损伤程度也越高。通过对含层理不同含水率页岩的微观结构分析得到了上述变化规律的内在机制,即页岩层理面处的内部矿物颗粒遇水膨胀,产生膨胀力作用,使页岩内部结构变得松散、破碎,微裂纹逐渐增多、变宽,宏观表现为次生裂纹的增多,矿物颗粒间的黏结力也在水的作用下降低从而使页岩的抗拉强度下降。     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,（1）层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;（2）不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;（3）当层理角度0°＜β＜90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式（1）计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;（4）当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究

页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。     

基于声发射多重分形特征的层状板岩失稳前兆研究

为探究层状板岩失稳前兆,开展了5组不同层理倾角（0°、30°、45°、60°、90°）板岩的单轴压缩试验,分析了其破坏形态、声发射参数及多重分形特征,讨论了多重分形谱宽Δα与损伤演化的关系,得到了基于多重分形的破坏前兆及预警时间。结果表明：当层理倾角由0°增加到90°时,板岩先由张拉劈裂破坏向劈裂剪切破坏转变,接着变为剪切滑移破坏,最终转变为张拉劈裂破坏;振铃计数突增以及低频-高幅信号比例的持续增加可作为板岩失稳前兆,且层状板岩在裂纹贯通阶段低频-高幅信号占比随层理倾角的增大呈先减后增的变化过程;多重分形谱宽?α先突减再突增也可作为不同层状板岩的失稳前兆,且Δα的突增时间提前于损伤突变,Δα预警时间随层理倾角的增大呈先增后减再增的变化过程,层理倾角为30°时预警时间最长。     

冻融循环作用下板岩弹性参数及单轴抗压强度研究

为揭示冻融循环作用对板岩弹性参数及单轴抗压强度的影响,采用DX-40型低温数控箱、DNS100微型控制电子万能试验机进行7种层理倾角(?)、6种冻融循环次数的单轴压缩试验,对其5个弹性参数、单轴抗压强度及破坏类型的变化规律进行分析。试验结果表明:板岩弹性模量、剪切模量和单轴抗压强度随冻融循环次数增加呈指数下降趋势,泊松比随冻融循环次数增加呈线性增加趋势;板岩单轴抗压强度随层理倾角增加呈先减后增的变化趋势;冻融循环作用下板岩破坏类型有3种:当0°≤?≤26.6°时,沿与竖直轴线呈一定角度方向发生剪切破坏;当26.6°≤?≤83.0°时,沿层理面发生剪切破坏;当83.0°≤?≤90°时,沿垂直方向发生劈裂破坏。在Jaeger单弱面理论的基础上,建立了以冻融循环次数和层理倾角为控制变量的板岩单轴抗压强度预测模型,并通过试验数据验证了模型的合理性,表明该模型能较好地描述冻融循环次数和层理倾角对冻融板岩单轴抗压强度的影响。     

考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究

基于不同层理角度的页岩巴西劈裂试验,利用高速摄像系统和声发射系统,对页岩力学特性、裂纹扩展及声发射特征的层理效应进行了深入研究。结果表明：（1）页岩巴西劈裂破坏过程可以分为压密、弹性和破坏3个阶段;（2）页岩抗拉强度、劈裂模量和应力峰值时变形的各向异性特征明显,层理角度 30°时,层理效应最为明显, 90°时影响最小;（3） 0°和 15°时试样的裂纹破坏面基本是沿着层理面, 30°时裂纹面交切层理面,与加载基线面重合, 45°～90°的各试样的断裂面呈不同程度的偏离加载基线面,为弧面或曲面;（4） 30°和 45°为破坏机制转化角,其中 30°为沿着层理面压致性张拉开裂转化为交切层理面开裂的转化角, 45°为交切层理面开裂转化为交切层理面且沿着层理面不同程度的剪切滑移开裂的转化角;（5）声发射活动性和能量释放随层理角度的增加而加强,主要因为受层理角度的影响,其破坏机制不同,这也进一步验证了页岩随层理角度的变化,其破坏机制的各向异性。能率峰值与抗拉强度具有很好的线性关系,表明声发射能率峰值能很好地反映岩石抗拉伸破坏的程度。     

煤中弱面对煤岩抗拉强度影响的力学试验分析

准确测量和计算抗拉强度是进行煤岩物理力学性质研究以及开展煤层气井水力压裂设计的重要前提。首先开展了不同面割理倾角下的煤岩巴西劈裂试验,分析煤岩试样抗拉强度随面割理倾角的变化规律,推导了考虑不同面割理倾角和割理密度影响下的煤岩抗拉强度计算模型,并分析了煤岩层理对抗拉强度计算结果的影响。理论计算和试验结果对比分析表明,割理发育方向对抗拉强度有显著的影响,但层理对强度的影响并不显著。该研究对于进行煤层钻井井壁稳定性评价以及后续的压裂施工设计具有理论指导意义。     

深埋隧道炭质板岩微观结构及单轴压缩试验研究

炭质板岩隧道施工过程中受高地应力、地下水冲刷和施工扰动等因素影响,从细观角度分析其微裂隙变化规律具有重要意义。在实际工程现场选取炭质板岩试样,采用扫描电子显微镜(SEM)进行背散射分析,确定其组成元素;进行X射线衍射仪分析,利用MDI Jade 6软件处理,得到矿物成分及其含量;通过不同含水条件下炭质板岩单轴压缩实验得到不同含水量下的应力应变曲线、各阶段的变形特征及破坏规律。结果表明:炭质板岩中主要有石英、白云母及钠长石,其组成物质完全解理易形成贯穿裂隙;炭质板岩达到最大峰值强度前近于弹性变形。随浸水时间增长,炭质板岩应力应变曲线四阶段逐渐明显,且峰值后应力跌落减缓。主要力学特性表现为:矿物间结构由于水的润滑作用,水楔作用及潜蚀作用遭到破坏。岩石弹性模量、单轴抗压强度显著降低,泊松比、峰值应变略有增大,宏观表现为裂隙角度变缓。     

CO2-水作用对层状页岩拉伸破坏影响的微观损伤研究

CO₂压裂页岩储层时CO₂-水作用损伤页岩微观结构,改变拉伸破坏特征与裂缝扩展模式。为研究CO₂-水影响层状页岩拉伸破坏的微观损伤原因,设计了矿物含量测定、扫描电镜观察与巴西劈裂试验,对CO₂-水作用前后龙马溪与长7段页岩试件的微观损伤、破坏特征与裂缝扩展进行研究。结果表明：CO₂-水对层理的微观损伤作用较基质显著,层理黏土矿物脱水而体积减小,有机质被萃取收缩,纹层内产生沿层理分布的大尺寸(长度为10～30μm,开度为1～5μm)微裂缝,基质碳酸盐、长石等矿物被溶蚀,产生随机分布的小尺寸(长度小于1μm,开度小于0.5μm)微裂纹;CO₂-水作用后页岩抗拉强度降低且各向异性增强,破坏模式变为拉剪混合破坏,垂直层理加载试件的剪切作用更强;CO₂-水作用后层理对裂缝扩展的影响更大,垂直层理加载裂缝延伸被层理限制,裂缝沿层理方向水平扩展,平行加载裂缝扩展轨迹受层理约束,裂缝仅在层理扩展。     

基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究

为了研究页岩横观各向同性性质对劈裂强度及破坏模式的影响,对7组不同倾角下的试样进行了巴西劈裂和声发射测试。研究表明：层理的方向对试样的劈裂强度和最终破坏模式有着重要的影响。随着层面倾角 的增加,页岩试样的劈裂强度逐渐减小。在不同倾角下的破坏模式可分为直线形（ 0°、90°）、月牙形（ 15°）和曲弧形（ 30°、45°、60°、75°）。通过分析不同倾角下圆盘中心点沿层理分解得到的正应力和剪应力,当 0°时,试样的破坏方式为基质的拉伸破坏;当 90°时,试样的破坏方式为层理的拉伸破坏,当15° 75°时,试样的破坏为复合型破坏。观察声发射空间累计定位演化分布情况,直线型的声发射点较均匀地分布在试样中轴线的两侧;曲弧型的声发射点在圆盘的一端较密而另一端较稀疏;月牙型则在试样的中部和一端都累积了部分声发射点;分布特征与宏观破坏方式具有相似性。分形维数D可以较好地反映试样的破坏模式,从倒V形的变化趋势可知,直线形试样D值接近于2,而月牙形和曲弧形试样D值介于2.2～2.7。因此,D值越大,说明裂纹的曲率半径越大;相反D值越小,裂纹越趋于一条直线,破裂形态也就越简单。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,首先开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的粘聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅跟层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ = 0°试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ = 30°试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ = 45°试样主要沿层理面张拉破坏,θ = 60°～90°试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ = 45°～90°试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ = 45°试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明:(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓慢减少再迅速增加,但对岩样耗散能影响不大。     

Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。     

平台巴西劈裂试验确定岩石抗拉强度的理论分析

为了完善平台巴西劈裂试验测定岩石抗拉强度的理论基础,基于二维弹性理论,建立对弦载荷下的平台巴西劈裂力学模型,采用应力场叠加法求得圆盘内的应力近似解析解。该应力理论解与有限元数值解一致,证明理论求解的合理性。在此基础上,对比研究了平台加载角对圆盘内应力大小及应力集中程度的影响,其结果表明：平台加载角越大,圆盘加载处的应力集中程度和压拉应力比都急剧降低,而圆盘内的拉应力值和拉伸区却只有一定程度减小;过大或过小的平台加载角都不利于平台巴西试样发生中心拉伸劈裂破坏,其最优平台加载角在20°~30°之间。最后,依据Griffith强度破坏准则,推得岩石抗拉强度的理论计算公式,其结果与已有抗拉强度经验公式及试验所得抗拉强度相符较好。     

粘性土试样高度对抗拉强度的影响

针对粘性土抗拉强度测试问题,本文设计改装了土样拉伸试验仪,可完成单轴拉伸、巴西劈裂和轴向压裂三种抗拉强度试验。通过不同方法测定土体的抗拉强度,研究了试样高度对各方法强度测量值的影响及其规律。试验结果表明,试样高度对轴向压裂试验测试结果的影响最大,对巴西劈裂试验测试结果影响很小,几乎不影响单轴拉伸试验测试结果。轴向压裂试验中,抗拉强度测试值随试样高度h增大而减小,随衬垫直径增大而增大。巴西劈裂试验中,试样抗拉强度测试值随试样高度增大略有增大。     

基于颗粒离散元模型的不同加载速率下花岗岩数值试验研究

不同加载速率条件下岩石的力学特性,对于其动载下破裂内在机制的研究具有积极的意义。基于颗粒流理论,通过黏结颗粒模型（bonded particle model,简称BPM）虚拟实现不同加载速率0.001～0.500 m/s下花岗岩单轴压缩和巴西劈裂试验,定量分析加载速率对应力-应变、破裂形态、应变能率及声发射的影响。结果表明：单轴抗压强度和抗拉强度及其对应峰值应变随加载速率增加而非线性增长;单轴压缩作用下,随加载速率增加,试样由单一斜截面破坏向多斜截面破坏转变,且主控裂隙带宽度急剧增大,由裂纹数量及水平向高应变率区域变化规律可明显看出,试样破坏程度随着加载速率增加而逐渐加剧;巴西劈裂作用下试样从一条主控裂隙向多条主控裂隙转变,且裂纹向圆盘试样两侧边缘部分延伸,破坏程度加剧;单轴压缩和巴西劈裂作用下,声发射事件及应变能率均随加载速率增加而呈现出非线性增长趋势。     

含横向节理的柱状节理岩体力学特性试验研究

针对柱状节理岩体的构造特性,采用水泥砂浆等材料制作出具有不同柱体倾角且含有横向节理分布的柱状节理岩体模型,并通过单轴压缩试验,研究柱体倾角和横向节理对岩体各向异性力学特性及破坏机制的影响。结果表明：试样峰值强度和变形模量随柱体倾角变化曲线均近似为U形,并体现出典型的各向异性特征;随着柱体倾角的变化,试样单轴压缩破坏模式可分为垂直于柱体轴向的劈裂破坏、沿纵向节理面的剪切滑移破坏、滑移破坏与劈裂破坏同时发生的复合破坏和平行于柱体轴向的劈裂破坏4类;横向节理的存在降低了柱状节理岩体沿柱轴方向的完整性,并影响了劈裂破坏裂纹的分布与扩展,因此,横向节理切割柱体是影响柱状节理岩体承载能力的重要因素。