平台巴西圆盘研究综述及三维启裂点研究

总结了对平台巴西劈裂试验平台中心角的研究,归纳总结了抗拉强度计算公式的修正系数k。通过建立两种平台角的三维有限元模型探究试样内应力分布状态,通过对受压直径所在平面及过平台末端的竖直平面的受力分析,发现Griffith等效应力分布规律会随平台角的改变而改变,且在两种平台角下等效应力最大值均出现在平台边缘处。结合三维离散元方法模拟试验中裂纹开展过程,发现微裂纹最早集中于平台末端,但随着荷载的增加致使试样破裂的裂纹起始于试样中部。有限元的力学分析与离散元的破裂过程模拟可很好地相互印证。通过与试验现象对比发现,加工精度对裂纹模式有着重要影响,为保证由平台巴西劈裂试验测量岩石抗拉强度的有效性,在试样与试验机之间垫入垫片是较为可行的方法。     

平台巴西圆盘研究综述及三维启裂点研究

总结了对平台巴西劈裂试验平台中心角的研究,归纳总结了抗拉强度计算公式的修正系数k。通过建立两种平台角的三维有限元模型探究试样内应力分布状态,通过对受压直径所在平面及过平台末端的竖直平面的受力分析,发现Griffith等效应力分布规律会随平台角的改变而改变,且在两种平台角下等效应力最大值均出现在平台边缘处。结合三维离散元方法模拟试验中裂纹开展过程,发现微裂纹最早集中于平台末端,但随着荷载的增加致使试样破裂的裂纹起始于试样中部。有限元的力学分析与离散元的破裂过程模拟可很好的相互印证。通过与试验现象对比发现加工精度对裂纹模式有着重要影响,为保证由平台巴西劈裂试验测量岩石抗拉强度的有效性,在试样与试验机之间垫入垫片为较为可行的方法。     

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。     

花岗岩巴西劈裂渐进破坏特征与能量演化研究

既有的巴西劈裂试验与模拟研究多集中在宏观破坏模式与细观演化规律上,对劈裂渐进过程的能量演化特征的分析较少。结合数字图像相关技术(DIC)与声发射实时监测,开展花岗岩的巴西劈裂实验。首先分析实验过程中,岩石破裂模式与破裂尺度的演化规律。在此基础上,采用颗粒流程序(PFC2D)对劈裂试验过程进行数值模拟,分析实验过程中内部裂纹演化过程的能量特征。试验与数值模拟对比结果表明:加载过程中岩样的损伤变化一共经历了4个阶段,即裂隙压密阶段(Ⅰ)、裂纹萌生阶段(Ⅱ)、裂纹扩展阶段(Ⅲ)、峰后破坏阶段(Ⅳ)。试样在裂隙萌生和裂纹扩展阶段以拉张型微破裂为主,裂纹扩展阶段后期产生剪切型破裂,并在加载直径方向形成大尺度裂纹并贯穿整个圆盘形成宏观破坏;试样在裂隙压密和萌生阶段几乎无耗散能,外力所做功几乎都转为岩体内可释放应变能,在破裂扩展后期应变能快速释放,声发射能量在峰值应力附近时达到最大值,峰后破坏阶段试件的可释放应变能快速减小,能量通过形成大量新裂面被耗散掉。     

热处理砂岩不同接触角巴西劈裂数值模拟研究

基于颗粒流程序（particle flow code,PFC）,对不同接触角（2a = 6º～30º）条件下25～1 000 ℃砂岩进行巴西劈裂模拟试验,研究其应力分布和破裂模式,并将巴西劈裂与直接拉伸进行对比。研究表明：（1）巴西劈裂中,面接触加载可以降低端部效应,加载过程中首先在圆盘中部产生拉裂纹,随着荷载的升高,拉裂纹汇集、扩展、贯通。（2）平板点接触巴西劈裂测得的抗拉强度小于直接拉伸强度,其抗拉强度计算公式的修正系数k随温度T的升高线性减小,满足k = −3.303×10⁻⁴T+1.468。随着接触角的增大,不同温度处理后巴西圆盘的抗拉强度均呈现出增大的趋势。（3）在2a≥18º时,巴西圆盘可以保证中心起裂;2a = 18º～24º时,圆盘在不同温度下破裂模式稳定;在接触角过大（2a = 30º）时,圆盘在较低温度（≤600 ℃）下会形成倾斜裂纹。（4）结合修正系数和破裂模式分析,推荐接触角为18º～24º时,修正系数在0.802 6～ 0.856 0之间,可以保证所有温度试样中心起裂且破裂模式稳定。     

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。     

平台中心角对岩石抗拉强度测定影响的数值分析

岩石抗拉强度是岩石的一个重要力学参数,在测试岩石抗拉强度的平台巴西盘劈裂试验中,平台中心角对测试结果会产生重要影响,但测试中对此角度尚无严格规定,从而造成抗拉强度测试结果有很大的离散性。从细观的角度着手,应用数字图像技术对岩石材料内部不同细观介质的空间分布进行精确测量和数值表达,建立与有限元网格之间的相互映射关系,并引入到原有的岩石破坏过程分析系统RFPA中,建立了能反映岩石非均匀性的平台巴西盘数值模型。通过对花岗岩断面图像进行处理,运用数值模型研究了平台中心角对平台巴西盘轴线应力分布、劈裂破坏模式和抗拉强度测定的影响,确定平台中心角的合理值应在20～30?的范围内,这与试验结果相一致,从机制上进一步分析验证了平台中心角的取值范围,为测试中平台中心角的选取提供了理论依据。     

基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究

为了揭示水压致裂法和巴西劈裂法测量岩石抗拉强度的关系,开展了理论和现场试验研究。基于经典的水压致裂法理论,推导了不同围压下钻孔破裂压力和抗拉强度。利用断裂力学理论建立了水压致裂法和巴西劈裂法测得抗拉强度的关系。利用预制切槽方法模拟天然裂纹,对水力裂缝的起裂压力进行了研究。结果表明：围压为最大主应力等于3倍最小主应力测得的抗拉强度大于围压为0测得的抗拉强度;水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度关系与应力场、裂纹长度、断裂韧度3个变量有关;通过在晋城矿区王台铺矿的预制切槽试验,运用断裂力学建立的抗拉强度计算式更为符合现场实际。研究结果可为坚硬难垮落顶板预制切槽的水力压裂设计提供参考。     

巴西圆盘试验问题与三维抗拉强度准则

巴西圆盘抗拉强度公式是基于弹性力学平面问题解析解,利用最大拉应力准则得到的,但结果与直接拉伸试验得到的强度有较大的差异。根据10种岩石（煤）的直接拉伸试验与弧形劈裂试验数据,分析了弧形加载面积对应圆心角对试样3维应力状态的影响规律,并采用三维抗拉强度准则来分析巴西试样,结果表明此准则更适合于巴西圆盘试验。     

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。     

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。     

含裂隙岩体单轴压缩裂纹扩展机制离散元分析

将由室内试验总结得到的岩石微观胶结模型嵌入离散元软件,对Lac du Bonnet花岗岩石进行预制单裂隙单轴压缩试验DEM数值模拟,分析了压缩过程中裂隙试样中应力的分布,并与理论计算结果进行对比分析,同时对各种断裂判据中裂纹起裂角的预测值进行了适用性的对比分析。结果表明,离散元模拟试样破坏形态与试验结果相近;离散元分析得到的应力分布与理论解在定性上相似;当预制角度较小时,侧向应力都处于拉压状态;由于裂隙左右两端压应变的集中造成了裂隙上下面拉应变的产生,造成了裂隙周围特殊的应力分布;当裂隙角度较大时,应力集中现象已不明显,因而,理论值与试验值有偏差;在断裂判据中最大周应力准则和最大能量释放率准则得到的裂纹扩展角与室内试验与DEM结果中的数值较为吻合。     

含裂隙岩体单轴压缩裂纹扩展机制离散元分析EI北大核心CSCD

将由室内试验总结得到的岩石微观胶结模型嵌入离散元软件,对Lac du Bonnet花岗岩石进行预制单裂隙单轴压缩试验DEM数值模拟,分析了压缩过程中裂隙试样中应力的分布,并与理论计算结果进行对比分析,同时对各种断裂判据中裂纹起裂角的预测值进行了适用性的对比分析。结果表明,离散元模拟试样破坏形态与试验结果相近;离散元分析得到的应力分布与理论解在定性上相似;当预制角度较小时,侧向应力都处于拉压状态;由于裂隙左右两端压应变的集中造成了裂隙上下面拉应变的产生,造成了裂隙周围特殊的应力分布;当裂隙角度较大时,应力集中现象已不明显,因而,理论值与试验值有偏差;在断裂判据中最大周应力准则和最大能量释放率准则得到的裂纹扩展角与室内试验与DEM结果中的数值较为吻合。     

模拟岩石破裂过程的块体单元离散弹簧模型

在变形体离散元的基础上建立块体单元离散弹簧模型,并应用于岩石破裂过程的数值模拟研究。该模型以连续介质力学理论为基础,将块体单元离散为具有明确物理意义的弹簧系统,通过对弹簧系统的能量泛函求变分获得各弹簧的刚度系数,进而可以直接利用弹簧刚度求解单元的变形和应力,提高计算效率。以重力作用下的岩质边坡计算为例,通过与传统的有限元进行对比,验证该模型弹性计算结果的正确性。在该基础上,引入Mohr-Coulomb与最大拉应力的复合破坏准则,判断单元的破坏状态及破裂方向。当单元的内部破坏面确定后,则通过块体切割的方式实现单元破坏,并建立单元边界和单元内部的双重破裂机制,实现块体由连续到非连续的破裂过程,进而显示的模拟裂纹的形成和扩展。最后,以巴西圆盘劈裂、单轴压缩破裂以及三点弯曲梁等典型算例验证该方法,结果表明该方法可以较好地模拟拉伸、压剪等应力状态下裂纹的形成和扩展,从而可模拟岩石介质由连续到非连续的破裂过程。     

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。     

花岗岩巴西劈裂试验的矩张量反演研究

为了研究岩石张拉破坏的过程和机制,首先通过模拟计算,验证了加权反演法在进行巴西劈裂试验矩张量求解方面的优越性;其次基于花岗岩的巴西劈裂试验,进行声发射监测、事件定位及矩张量反演,并分析标准反演法和加权反演法对应矩张量结果的差别;使用聚类分析K均值算法对矩张量结果进行分簇研究。研究结果表明：模拟计算中加权反演法可以降低巴西劈裂试验矩张量反演误差;室内花岗岩巴西劈裂试验中,加权反演法较大程度地优化了声发射事件的剪切成分以及压/拉应力轴的分布,使得反演结果更加合理。针对加权反演结果,所有事件可分成3簇,同簇内事件的破裂类型、应力状态、破裂机制、辐射模式等均相近;不同簇中的事件在时空上交叉分布,试验后期在圆盘东?西方向上具有较为明显张拉特性的事件骤增,于圆盘中心附近聚集并占据主导,最终导致试样的宏观破裂。研究结果解释了花岗岩巴西劈裂试验的破裂过程和破裂机制,为岩石力学行为研究提供进一步指导。     

裂隙充填影响巴西圆盘抗拉力学特性试验研究

裂隙是影响岩石力学特性和破裂模式最重要的因素之一,通过试验、数字照相技术和声发射监测对完整和含不同裂隙倾角 单裂隙、不同岩桥与裂隙夹角 双裂隙充填与非充填类岩石材料巴西圆盘的抗拉强度和破裂模式进行研究,探讨了随着 、 的不断变化和裂隙充填与否对试样最终破坏机制的影响。试验结果表明：（1）随着裂隙倾角 不断增大,单裂隙试样的抗拉强度先减小后增大,然后又减小;预制裂隙尖端萌生的翼裂纹贯通造成试样破坏;（2）双裂隙试样的抗拉强度随着 的增大先减小后增大;预制裂隙尖端萌生的翼裂纹和远场裂纹的扩展导致试样破坏;（3）在 、 相同的情况下,充填试样抗拉强度明显要高于非充填试样;预制裂隙充填与否对试样裂纹扩展的时间和裂纹数目影响较大;（4）加载初期,声发射较为平稳;宏观裂纹出现或者抗拉强度跌落时声发射将会变的异常活跃;在 、 相同的情况下充填试样声发射的起伏变化更为剧烈。     

含预制裂纹巴西盘试样破裂模式的数值模拟

利用岩石破裂过程分析系统（RFPA）软件, 进行了岩石含中心裂纹的巴西盘在单轴压缩荷载作用下破裂过程的数值模拟。数值模拟再现了含不同预制裂纹角度时巴西盘试样所表现出不同的破裂模式以及主裂纹的产生、扩展、贯通、次生裂纹的产生等过程,得到的破裂模式结果与有关文献中的实验结果十分吻合。除此以外,数值试验还能够给出在物理实验中不能观察到的应力场信息及岩石的破裂机制。     

深部巷道软弱围岩破裂碎胀过程及锚喷-注浆加固FDEM数值模拟

针对深部巷道软弱围岩的破裂碎胀大变形预测及围岩控制存在的难题,采用了有限元与离散元耦合程序(FDEM)数值模拟方法对上述问题进行了研究。首先阐述了FDEM的基本原理;然后采用单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩模拟试验与室内试验对比,进行了输入参数的标定;最后对深部高地应力条件下的巷道开挖后软弱围岩破裂碎胀大变形进行了模拟,并基于实体建模的方法采用了锚喷(锚杆+喷浆)-注浆对巷道围岩加固进行了模拟。研究结果表明:巷道的大变形主要是由于围岩的破裂、碎胀造成的,浅部以拉伸破坏为主,向深部过渡到剪切破坏;剪切破坏角与单轴压缩试验结果一致,为58°;裸巷的裂纹最大扩展范围为10.6 m、表面最大位移收敛量20.7 cm。采用锚喷和锚喷-注浆加固后能有效地控制围岩的变形,抑制了裂纹的扩展范围(减小到5.8 m、5.1 m),且围岩表面收敛量大幅减小(5.1 cm、4.2 cm)。