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。     

单轴压缩条件下裂隙岩样冻融损伤破坏模式分析

以寒区裂隙岩体为研究对象,采用水泥砂浆类岩石材料制作具有不同几何特征的裂隙岩样,对预制的不同裂隙岩样进行冻融循环试验和单轴压缩试验,研究裂隙长度、裂隙倾角、裂隙数目以及冻融循环次数对试件贯通模式的影响。试验表明：裂隙岩体的几何特征以及冻融循环作用对岩体损伤破坏模式有较大影响。随着冻融循环次数的增加,岩样破裂面的破裂程度越来越严重,破坏模式也越来越复杂;裂隙倾角为30°的裂隙岩样,主要发生拉伸破坏,而裂隙倾角为60°的裂隙岩样,则表现为拉剪贯通,且双裂隙岩样岩桥间多出现压剪裂纹,对于裂隙倾角为90°的岩样,裂隙数目以及裂隙长度对其影响不大,均为劈裂破坏,且破坏面不一定为裂隙面;预制裂隙长度越大,越容易产生除了主拉裂纹以外的支裂纹（压裂纹）。研究结果可为寒区岩体工程建设及运营提供科学的参考。     

水力耦合作用下含三维裂隙类岩石材料的破裂力学行为及声发射特征

水力耦合作用下裂隙岩体的破裂力学行为及声发射特征是关系到地下工程安全建设与灾变预测预警的关键问题。利用水泥砂浆材料及声发射技术开展了室内压缩破裂试验,研究了无水及水力耦合条件下含三维裂隙试件的破裂模式、力学特性、声发射特征以及水压和裂隙倾角的影响,分析了声发射信号主频特征随岩体破裂状态的变化规律。试验结果表明:随裂隙倾角增大,试件破裂模式经历了张拉为主-拉剪复合-剪切为主的转变过程;水压增大增强了试件张拉破裂模式,而剪切破裂模式在一定程度上被削弱;随水压升高,起裂应力、损伤应力和峰值强度均持续降低,水压对起裂应力及峰值强度的影响程度存在阈值(4 MPa);试件破裂过程中声发射撞击率变化呈现明显阶段性特征,从而为起裂和损伤应力判定提供了依据;试件不同破裂状态下的声发射信号呈现不同主频特征,相对高、中、低频波的主频值域区间具有非连续性,低频和高频信号占比与试件破裂状态存在对应关系,因此可为岩体破裂状态的预测预警提供参考信息。     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

基于数字图像相关方法的裂隙砂岩应变场演化规律及前兆识别

目前数字图像相关方法在岩石力学领域的应用主要集中于获取变形场云图,缺乏结合一些指标对变形数据进行定量分析。采用数字图像相关方法对裂隙砂岩试件压缩加载过程进行非接触式、实时变形测量,结合方差量化描述应变场分异特征;而后对应变场方差变化曲线进行有限差分求导,量化描述应变场分异速率,分析应变场演化规律及前兆特征。研究结果表明:裂隙砂岩试件的变形破裂过程可划分为压密、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹快速扩展及破坏等4个阶段。加载过程中裂隙砂岩试件的裂纹萌生和扩展行为,在应变场上表现为应变局部化带的产生与发展,进而导致应变场方差和分异速率发生变化。应变场方差-轴向应变曲线表现出阶段性特征,可划分为稳定分异、加速分异以及加加速分异等3个阶段。应变场分异速率-轴向应变曲线在张拉裂纹起裂时均出现第一个尖峰,可作为裂隙岩体失稳破坏前的前兆信号,对应的前兆应力与峰值应力之比为0.80～0.96。研究成果对工程岩体失稳预测具有较好的理论参考价值。     

张开穿透型单裂隙岩体三轴卸荷蠕变特性试验

高应力条件下较多岩体工程在开挖卸荷过程中表现出显著的时效变形特征。为研究裂隙岩体在卸荷状态下的蠕变特征,以锦屏I级水电站大理岩为原样制备模型试样,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：试件在破坏时对应应力差最小的是倾角为30°裂隙试样,其次为倾角为60°裂隙试样,倾角为90°裂隙试样最大。从破坏形式来看,完整试件与倾角为90°裂隙试件均呈整体剪切破坏模式,倾角为30°和60°裂隙试件均从裂纹尖端扩展至破坏。变形特征方面,均可采用Burgers模型对各裂隙试样不含加速蠕变阶段的蠕变曲线进行拟合,试样在不同裂隙类型和应力水平下的变形特点则通过参数数值加以区分。该结论与Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理中有关损伤材料和无损材料间相关关系的基本观点一致。基于此,提出了裂隙岩体损伤蠕变模型,该模型建立了完整岩石与裂隙岩体间的相关关系,对裂隙岩体时效变形特征的进一步研究具有较好的参考价值。     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在、微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。     

含交叉裂隙岩体相似材料试件力学性能单轴压缩试验

以相似材料制作含交叉裂隙岩体试件,考虑主裂隙与加载方向之间角度变化及主、次裂隙之间角度变化制作20组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究交叉裂隙对岩体破坏模式及力学特性的影响。研究表明,主裂隙与加载方向呈0°及90°时,试件破坏主要为沿次裂隙扩展的剪切型破坏;当主裂隙与加载方向呈30°及45°时,试件破坏主要是沿主裂隙扩展所致的剪切型破坏;主裂隙角度一致情况下,大部分含交叉裂隙岩体破坏强度高于含单向裂隙岩体,含交叉裂隙岩体试件应力-应变曲线峰后下降斜率比含单向裂隙岩体大;主裂隙角度一致情况下,当次裂隙与主裂隙呈45°夹角左右时,岩体试件强度较低,当次裂隙与主裂隙呈30°及90°夹角左右时,岩体试件强度较高。     

考虑裂隙水压力的岩体压剪裂纹扩展规律研究

在库水位大幅度升、降变化时,容易导致岩体内增量裂隙压力的集中,使断裂面上有效应力降低,裂纹面尖端的应力强度因子增加。当达到临界强度因子时,可能使岩体内裂纹、裂隙贯通、扩展,形成连续的复式破坏面,从而使边坡稳定性降低,造成边坡的失稳。基于此,从断裂力学角度分析了裂隙水压力对裂纹强度因子的影响,对考虑裂隙水压力作用的Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹扩展规律进行了研究,结果表明：Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹的裂纹扩展角的变化,不仅与裂纹的闭合程度、斜裂纹倾角、双向应力大小有关,还与裂隙水压力的大小、裂纹面的摩擦系数有关;并且在相同情况下,未闭合裂纹的扩展角要大于闭合裂纹的扩展角;对于闭合裂纹,裂纹面摩擦系数越小,扩展角越大;最后,推导了基于摩尔-库仑准则考虑裂隙水压力的岩体断裂韧度KIc、KIIc和压剪状态下Ⅰ、Ⅱ型复合断裂判据。研究成果为分析水岩作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了重要的参考。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先埘破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α埘岩石的应应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σed、峰值强度矿σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表嘶裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,顶制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂办式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩休的轴向应力-横向应变向应变典线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

基于RJM断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

裂隙结构的存在对于工程岩体的强度和稳定性具有重要影响,岩石宏观裂隙的产生源自于微破裂的积累。针对岩体裂隙的粗糙特性,通过Matlab建立考虑粗糙度的节理模型（Roughness Joint Model）,采用简化的正弦曲线来表示粗糙节理,并将其导入到颗粒流试验模型中进行单轴压缩试验。对比完整岩体、直线型裂隙岩体、RJM岩体三者破坏的应力-应变曲线,改变裂隙倾角（与水平方向夹角）α,岩桥倾角β,裂隙密度γ,建立不同裂隙分布的断续节理岩体数值试样,开展一系列数值模拟试验。研究结果发现:（1）裂隙的存在明显降低了岩体的抗压强度,RJM模型峰值强度和峰值应变均高于直线型裂隙岩体;（2）岩体抗压强度总体上随裂隙倾角增大而增加,随裂隙密度增加而减小,但随岩桥倾角的改变呈非线性变化,岩桥倾角45°时峰值强度最低,峰值应变最小;（3）裂隙分布会影响岩体的破裂模式,微裂隙的扩展反映了岩体力学性质的各向异性;（4）不同倾角下增加裂隙密度,岩体强度下降程度不同,倾角75°时密度对强度影响最小,30°和60°时影响最大。     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

An experimental study on deformation and failure mechanical behavior of granite containing a single fissure under different confining pressures

Fissures in natural rocks play an important role in determining the strength, deformability and failure behavior of rock mass. However in the past, triaxial compression experiments have rarely been conducted for rock materials containing three-dimensional (3-D) fissures and the failure mechanical behavior of fissured rocks is not well known due to the difficulty of conducting triaxial experiments on fissured rocks. Therefore in this research, conventional triaxial compression experiments were performed to study the strength, deformability and failure behavior of granite specimens with one preexisting open fissure. Thirty-one specimens were prepared to perform conventional triaxial compression tests for intact and fissured granite. First, based on the experimental results, the effects of the confining pressure and the fissure angle on the elastic modulus and the peak axial strain of granite specimens are analyzed. Second, the influence of the confining pressure on the crack damage threshold and the peak strength of granite with respect to various fissure angles are evaluated. For the same fissure angle, the crack damage threshold and the peak strength of granite both increase with the confining pressure, which is in good agreement with the linear Mohr–Coulomb criterion. With increasing fissure angle, the cohesion of granite first increases and later decreases, but the internal friction angle is not obviously dependent on the fissure angle. Third, nine crack types are identified to analyze the failure characteristics of granite specimens containing a single fissure under conventional triaxial compression. Finally, a series of X-ray microcomputed tomography (CT) observations were conducted to analyze the internal damage mechanism of granite specimens with respect to various fissure angles. Reconstructed 3-D CT images indicate obvious effects of confining pressure and fissure angle on the crack system of granite specimens. The study helps to elucidate the fundamental nature of rock failure under conventional triaxial compression.     

冻融作用下含裂隙岩石力学特性及损伤演化规律试验研究

实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:（1）孔隙裂隙压密阶段;（2）预制裂隙张开阶段;（3）主干裂隙扩展延伸阶段;（4）断裂破坏阶段。冻融作用对（1）、（3）阶段影响最为明显,冻融后（1）阶段明显增长,而（3）阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。     

岩桥直剪细观破坏特征与剪胀效应研究

节理岩体的剪切贯通机制影响着边坡的稳定性。为揭示锁固段型非贯通节理岩体在不同连通率和法向应力下的破坏特征,在室内直剪试验中结合高速摄影与AE特征参数分析其剪切全过程及剪胀效应。结果表明:节理岩体直剪试验中,法向应力的增大及节理连通率的下降会致使峰值剪切应力及峰值剪切位移增大;节理连通率与法向应力对其破坏特征具显著影响,表现为节理连通率较高且法向应力较小时呈直接剪断的特性,节理连通率降低后呈拉剪复合破坏,出现剪胀现象,而法向应力的增大使得剪胀效应呈波动现象;AE特征与岩桥贯通过程一致,事件数峰值随节理连通率的降低及法向应力的增大而增大且位于峰后。试验得到的岩桥细观破坏特征与剪胀效应对研究锁固段型岩质边坡的贯通破坏机制具指导意义。     

基于DIC的3D打印交叉节理试件破裂机制研究

为研究交叉节理的存在对岩体破裂机制的影响,采用3D打印技术制备了可模拟岩体交叉结构面的节理模型,通过相似材料浇筑形成含预制交叉节理的试件,并基于数字图像相关技术（DIC）分析了单轴压缩下试件裂纹起裂、扩展及破坏模式。研究结果表明：采用3D打印技术制作的闭合节理模型,可以有效替代传统的切割、插缝等方法形成的张开型节理裂隙。基于此展开的试验结果表明,交叉节理存在会显著降低试件强度,且随着交叉角度的增大,试件强度先升高后降低,在45o和60o之间达到最大值,峰值应变与强度呈现相反的变化规律;裂纹扩展过程可分为微裂隙闭合阶段、微破裂发展阶段、主节理起裂扩展阶段和次节理迅速延伸阶段,这与应力?应变曲线各阶段一一对应。研究还发现,在交叉节理岩体中,次节理对破裂的影响主要体现在峰后阶段,结合最大畸变能理论表明,其对主节理尖端应力分布影响较小,主节理对岩体的破坏起绝对控制作用,这对岩体工程有一定的指导意义。