三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射（AE）特征等。研究表明,(1) 三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2) 开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3) 试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95 %以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。     

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。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称"孔-隙"）赋存条件下的裂纹扩展规律，利用RFPA软件，对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析，获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线，同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生，含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生；翼裂纹贯穿试件的同时，在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹，并产生分叉，非均质系数影响次生裂纹走向；压载前期试样以拉破坏为主，压载后期以拉-剪组合破坏为主，次生裂纹的产生与剪切破坏有关；声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大，后期迅速增大，预制裂纹倾角越小，非均质系数越大，声发射累计能量越大；不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段，孔-隙的存在降低了试样的峰值强度，影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。      

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。     

隐晶质玄武岩破裂演化及破坏特征试验研究

隐晶质玄武岩是白鹤滩水电站超大规模地下厂房洞室群中广泛揭露出的主要围岩类别之一,且普遍赋存隐微裂隙,开挖过程中展现出特殊的力学响应特征。综合采用CT扫描、高速摄像、声发射、扫描电镜等手段,分析了隐晶质玄武岩的变形破坏特征、裂纹扩展及声发射演化规律等,并探讨了其细观破坏机制。结果表明:完整试样应力-应变曲线光滑,加载至峰值强度时瞬间爆裂,声发射信号异常集中,碎裂破坏;含隐微裂隙试样应力-应变曲线呈锯齿状,出现多次表面剥落,整个过程声发射信号非常活跃,以劈裂破坏为主;含宏观裂隙试样应力-应变曲线呈双峰或多峰状,峰前原生裂隙局部滑移,第1次峰值时宏观破裂面形成,声发射信号集中于峰值应力跌落瞬间,以剪切破坏为主。隐晶质玄武岩细观破坏机制主要为矿物颗粒沿晶断裂和穿晶断裂。研究成果为准确认识并科学掌握白鹤滩地下厂房洞室群围岩的力学响应及其破裂演化特征奠定了坚实基础,也可为硬脆岩体高应力破坏的认识和灾害控制提供参考和借鉴。     

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。     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。     

考虑统计损伤模型的非均质节理岩体拉剪破坏机制研究

拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。     

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。     

基于裂隙扩展的多级岩质边坡开挖卸荷破坏路径分析

开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明：裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂-下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。     

不同连通率断续节理岩体直剪破坏特征

在边坡稳定性评价中,不同形态、连通率及排列方式的岩桥起决定性作用。本文通过开展室内直剪实验并结合声发射特征参数的研究,揭示了不同连通率岩桥和不同法向应力状态下断续节理岩体的破坏规律。结果表明:在直剪条件下,随法向应力及连通率的变化,岩体破坏面呈现“一”、“X”、“锯齿”、“Z”以及复合型破坏,破坏面起伏度较小,且贯通破坏无时间先后性。法向压力一定时,随着断续岩桥连通率的提高,声发射事件累计计数峰值呈线性增长,计数峰值不断趋于增长。在岩桥连通率一定的情况下,随法向应力的增大,声发射事件计数峰值与累计计数在中等法向应力下最大。对断续节理岩桥变形破坏特征的研究,有利于分析节理岩体的力学特性,有助于边坡工程的稳定性评价与预测。     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

不同倾角节理组和锚固效应对岩体特性的影响

首先采用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)分析方法对双裂隙岩块进行单轴和双轴压缩模拟试验,研究了裂隙角度和侧向应力大小对岩块特性的影响,得到了裂隙岩块在这两种加载试验中的破坏过程、应力-应变曲线以及岩块中裂隙的起裂应力和岩块的峰值强度。在双轴压缩模拟试验中绘制了裂隙角度为45°的岩块在不同侧向压力下的强度包络线。其次,采用DDARF分析方法模拟劈裂试验中含裂隙试块的锚固效果,得到了4种不同锚固角度试块的轴向荷载–位移变化曲线和裂隙扩展规律。模拟结果与前人的类似条件下的试验结果相符良好。随后又将双裂隙试块双轴压缩模拟试验中得到的参数运用到一个地下洞室的工程实例中,用等效力学特性的方法分析对比了完整岩体和节理岩体洞室开挖完成后的破损状态的差异。最后运用DDARF分析方法研究了随机生成4组节理岩体的地下洞室的稳定性,得到了洞室节理围岩的裂隙扩展过程。同时通过对关键点位移的监测分析了锚杆的锚固效应。     

Numerical simulation on excavation-induced damage of rock under quasi-static unloading and dynamic disturbance

During the excavation of underground opening, the rock may experience a complex loading path that includes the highly confined compression before excavation, unloading of confining stress and further disturbance of dynamic loading after excavation. By using Rock Failure Process Analysis for Dynamics (RFPA-Dynamics), the failure of rock sequentially subjected to this complex loading path is numerically simulated, in order to examine the rock failure mechanism induced by excavation. The RFPA-Dynamics is firstly used to reproduce the failure of rock under confined compression, followed by unloading of confining pressure, and it is validated against with the existing experimental observation. Then, the failure characteristics of rock specimen sequentially subjected to the quasi-static triaxial loading, unloading of confining pressure and dynamic disturbance are numerically simulated, where the effect of magnitude of axial loading and confining pressure, and duration and amplitude of the dynamic disturbance on the final failure patterns of rock are examined. The numerical results indicate that the arc-shaped spalling damage zone is prone to develop with the increase in the axial pressure and lateral pressure coefficient. As for the effect of dynamic disturbance, the contribution of duration and amplitude of dynamic disturbance on the energy input are similar, where the area of damage zone increases with the energy input into the rock specimen. In this regard, the area of the damage zone is influenced by both the magnitude of in situ stress and waveform of dynamic disturbance. This study denotes that it is of great significance to trace the complex loading path induced by excavation in order to capture the rock failure mechanism induced by underground excavation.     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

Evolution of Rock Cracks Under Unloading Condition

Underground excavation normally causes instability of the mother rock due to the release and redistribution of stress within the affected zone. For gaining deep insight into the characteristics and mechanism of rock crack evolution during underground excavation, laboratory tests are carried out on 36 man-made rock specimens with single or double cracks under two different unloading conditions. The results show that the strength of rock and the evolution of cracks are clearly influenced by both the inclination angle of individual cracks with reference to the unloading direction and the combination geometry of cracks. The peak strength of rock with a single crack becomes smaller with the inclination angle. Crack propagation progresses intermittently, as evidenced by a sudden increase in deformation and repeated fluctuation of measured stress. The rock with a single crack is found to fail in three modes, i.e., shear, tension–shear, and splitting, while the rock bridge between two cracks is normally failed in shear, tension–shear, and tension. The failure mode in which a crack rock or rock bridge behaves is found to be determined by the inclination angle of the original crack, initial stress state, and unloading condition. Another observation is that the secondary cracks are relatively easily created under high initial stress and quick unloading.