单轴压缩下岩石材料尺寸效应的数值模拟

考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D,对端面有摩擦和无摩擦两种条件下同直径不同长度的岩样,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对模拟结果寻求了试验验证。结果表明,岩石强度的长度效应是由于岩样端面摩擦效应所致,而并非根源于材料本身的非均质性。     

单轴压缩下含层理加锚岩石力学特性研究

为分析锚固方式和层理对加锚岩石力学特性影响规律,采用相似材料预制含层理岩石,室内钻取0°和90°层理标准试件,以45号钢加工而成的螺杆模拟锚杆,分别对试件进行端部锚固和全长锚固,从而得到不加锚杆、端部锚固、全长锚固3种试件,而后在MTS815岩石力学试验系统上对试件进行单轴压缩试验分析其变形、强度特征。结果表明:锚杆可提高岩石的强度,且层理方向和锚固方式影响其对强度的提高幅度。层理相同的加锚试件,全长锚固下岩石的抗压强度提高幅度大于端部锚固岩石;同一锚固方式下,90°层理加锚试件的单轴抗压强度提高幅度大于0°层理加锚试件。锚固方式不同,加锚试件的破坏形式亦有所差别。根据锚固方式不同,可将破坏形式分为剪切拉伸和剪切错断2种。锚固方式对加锚试件锚杆失效模式无影响,二者均表现为岩体与灌浆界面滑脱,但全长锚固与端部锚固所不同的是,全长锚固锚杆与岩石粘结长度更大,粘结强度更高,失效时可带出更多、更厚的岩石碎屑。     

气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与单轴压缩力学行为研究

为了研究初始孔隙对气孔杏仁状玄武岩力学行为的影响规律,提出了一种考虑计算孔隙率、体积参数、形状参数、角度参数和构造参数的气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建方法,基于建立的随机模型开展了五因素五水平的单轴压缩正交数值模拟,分析不同模型的应力-应变曲线、破坏模式和破坏特征。结果表明：计算孔隙率、角度参数和构造参数对于岩石的单轴抗压强度和弹性模量有较大影响,岩石的单轴抗压强度和弹性模量均与计算孔隙率、角度参数呈负相关,与构造参数呈正相关,与其余因素相关性较弱;随着模型孔隙率的增加,气孔杏仁状玄武岩应力-应变曲线中塑性应变占比随之增加,破坏模式由单剪切破坏面、多剪切破坏面转为局部粉碎状破坏,岩石由脆性破坏逐渐转为延性破坏,5%和12.5%可近似作为强脆性―脆性―延性转换的临界孔隙率;建立的损伤统计本构方程能够根据初始孔隙特征较好地预测气孔杏仁状玄武岩的力学行为,对于玄武岩地层中多孔岩石力学性质的确定具有重要意义。     

单轴压缩下含层理加锚岩石力学特性研究EI北大核心CSCD

为分析锚固方式和层理对加锚岩石力学特性影响规律,采用相似材料预制含层理岩石,室内钻取0°和90°层理标准试件,以45号钢加工而成的螺杆模拟锚杆,分别对试件进行端部锚固和全长锚固,从而得到不加锚杆、端部锚固、全长锚固3种试件,而后在MTS815岩石力学试验系统上对试件进行单轴压缩试验分析其变形、强度特征。结果表明:锚杆可提高岩石的强度,且层理方向和锚固方式影响其对强度的提高幅度。层理相同的加锚试件,全长锚固下岩石的抗压强度提高幅度大于端部锚固岩石;同一锚固方式下,90°层理加锚试件的单轴抗压强度提高幅度大于0°层理加锚试件。锚固方式不同,加锚试件的破坏形式亦有所差别。根据锚固方式不同,可将破坏形式分为剪切拉伸和剪切错断2种。锚固方式对加锚试件锚杆失效模式无影响,二者均表现为岩体与灌浆界面滑脱,但全长锚固与端部锚固所不同的是,全长锚固锚杆与岩石粘结长度更大,粘结强度更高,失效时可带出更多、更厚的岩石碎屑。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的RFPA2D数值模拟软件,用2种不同的岩石材料来组成7个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件,通过单轴加载数值模拟试验,模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程,分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系,讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析（RFPA2D）系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。     

孔洞数量及孔径对大理岩力学特性影响的试验研究

为分析孔洞数量及孔径对大理岩力学特性的影响,对含不同孔洞数量及孔径的大理岩进行单轴压缩试验,并对破坏前后的试件进行CT扫描,研究其损伤裂纹空间分布特征。试验结果表明,孔洞数量及孔径对试件的强度参数、破坏形式及损伤程度等均有较大的影响,主要具体表现为(1)随着孔洞数量及孔径的增加,试件的弹性模量、峰值强度、起裂应力和起裂应力水平逐渐减小;(2)随着孔洞数量及孔径的增加,试件在破坏过程中的拉剪裂纹增多、远场裂纹减小,且在破坏后的破坏形式逐渐由拉剪破坏过渡到剪拉破坏,破坏后的损伤程度逐渐增加;(3)单轴压缩条件下的含孔试件,其破坏过程在试件的前后方向表现为由一方向另一方逐渐破坏,在试件的上下方向表现为由圆孔所在平面向上下两端逐渐破坏;(4)单轴压缩条件下的含孔岩样损伤分布在试件的前后方向上表现为由一方向另一方的逐渐减小,上下方向上则表现为由圆孔向上下两端逐渐减小,需注意的是由于损伤的叠加效应多孔试件在其上下方的最大损伤面并非位于圆孔处而是位于两圆孔的中间处。     

细观非均匀性对脆性岩石材料宏观破坏形式的影响

岩石材料的宏观力学特征是材料内部细观力学特性的综合反映。对于脆性岩石材料,其内部的非均匀性对材料的宏观破坏形式有着重要的影响。应用演化细胞自动机方法（ECA）对岩石的非均匀性进行了初步的探讨。该方法以位移、力、应力和应变等矢量和张量作为系统的基本变量,定量计算了反映岩石破坏过程中应力集中以及应力重新分布的过程。在宏观上则认为脆性岩石材料是一种非均匀性材料,并假定脆性岩石材料的非均匀性符合Weibull分布,坡度参数m是Weibull分布中的反映分布非均匀程度的重要参数。通过对符合Weibull分布中不同坡度参数的脆性岩石材料进行数值模拟试验,发现由Weibull分布中的坡度参数表示的非均匀性是影响脆性岩石材料破坏方式的重要因素,材料的坡度参数越小,材料越不均匀,其破坏形式则越具有随机性;材料的坡度参数越大,材料越趋于均匀,其破坏形式越具有规则性,即趋于弹性材料的破坏形式,这与试验结果是吻合的。     

单轴压缩试验下粗糙离散节理网络模型建立及力学特性

针对岩体中随机结构面存在粗糙特性的特点,开展了粗糙离散节理网络(roughness discrete fractures network,RDFN)模型研究。采用数字图像处理技术,开发了生成RDFN模型的算法,并基于Matlab方法建立了与颗粒流离散元PFC方法的接口。采用颗粒流PFC方法研究粗糙度对RDFN模型单轴压缩下的弹性、强度和破坏模式的影响规律,并与直线型DFN模型进行对比。结果表明,RDFN模型的弹性模量低于DFN模型,而峰值强度较高,残余强度较低;DFN模型中微裂纹沿节理方向贯通,局部存在基岩内部裂纹扩展;RDFN模型由破坏模式相对复杂,达到峰值强度后基岩发生显著破坏。     

Failure characteristics of brittle rock containing two rectangular holes under uniaxial compression and coupled static-dynamic loads

Acta Geotechnica - To deeply understand the failure characteristics of defective rock under actual stress condition, impact tests were conducted on prismatic granite containing two rectangular...     

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

自然岩体内部断续结构面的产状差异导致裂隙间岩桥破裂贯通成为一个复杂的三维岩石力学问题。为了探究裂隙的走向差异与尺寸效应对岩体力学行为的影响,开展了不同裂隙延伸尺寸下含走向异面断续裂隙类岩石材料的单轴压缩试验,结合CT扫描技术,分析了岩石走向差异角和尺寸效应对裂隙岩体破坏模式、岩桥贯通机制及力学特性的影响。研究表明：试样岩桥以外的端部主要由翼裂纹或反翼裂纹沿着荷载的方向扩展而引起破裂,岩桥区域的破裂模式受裂隙延伸尺寸和走向差异角综合影响,裂隙延伸尺寸的增加会使岩桥区域受拉因素变多,走向差异角在很大程度上减小岩桥的贯通率,并使岩桥区域贯通面的翘曲程度增大。随着裂隙延伸方向尺寸的增大,试样的峰值强度和弹性模量会随之减小然后趋于平缓,但是当裂隙增加了走向差异角后,峰值强度与弹性模量的变化规律更加复杂。走向差异角与裂隙延伸共同造成试样的整体三维不对称性,进一步影响了试样的峰值强度、弹性模量以及塑性。研究成果可为岩桥控制型复杂裂隙岩体工程的破坏机制和稳定性评价提供理论支撑。     

Numerical simulation of the fracture process in cutting heterogeneous brittle material

The process of cutting homogeneous soft material has been investigated extensively. However, there are not so many studies on cutting heterogeneous brittle material. In this paper, R‐T^2D (Rock and Tool interaction), based on the rock failure process analysis model, is developed to simulate the fracture process in cutting heterogeneous brittle material. The simulated results reproduce the process involved in the fragmentation of rock or rock‐like material under mechanical tools: the build‐up of the stress field, the formation of the crushed zone, surface chipping, and the formation of the crater and subsurface cracks. Due to the inclusion of heterogeneity in the model, some new features in cutting brittle material are revealed. Firstly, macroscopic cracks sprout at the two edges of the cutter in a tensile mode. Then with the tensile cracks releasing the confining pressure, the rock in the initially high confining pressure zone is compressed into failure and the crushed zone gradually comes into being. The cracked zone near the crushed zone is always available, which makes the boundary of the crushed zone vague. Some cracks propagate to form chipping cracks and some dip into the rock to form subsurface cracks. The chipping cracks are mainly driven to propagate in a tensile mode or a mixed tensile and shear mode, following curvilinear paths, and finally intersect with the free surface to form chips. According to the simulated results, some qualitative and quantitative analyses are performed. It is found that the back rake angle of the cutter has an important effect on the cutting efficiency. Although the quantitative analysis needs more research work, it is not difficult to see the promise that the numerical method holds. It can be utilized to improve our understanding of tool–rock interaction and rock failure mechanisms under the action of mechanical tools, which, in turn, will be useful in assisting the design of fragmentation equipment and fragmentation operations. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

脆性基多孔材料孔洞的尺寸效应及其破坏模式研究

运用材料真实破坏过程分析系统RFPA2D,对含多孔的脆性材料进行单轴加载情况下的破坏机制以及孔洞的尺寸效应研究。其中的数值模型具有同样的尺寸（高 宽= 65 mm 100 mm）、同样的孔洞分布类型、同样的孔隙率（20 %）、不同的孔洞直径。数值计算的结果显示,各种孔径的模型具有近似的抗压强度,并且可以观察到没有裂纹局部化的拉破坏模式。结果表明,含孔脆性材料的近似脆性行为并没有引起材料的尺寸效应。     

单轴压缩条件下含三叉裂隙类岩石试样力学特性的细观研究

三叉裂隙是自然界普遍存在的一种岩体缺陷形式,其对岩体的力学特性有重要影响。对含预制三叉裂隙的水泥砂浆试样进行室内单轴压缩试验,配合使用摄像机拍摄裂纹的起裂、扩展、贯通过程,通过数字图像技术处理获取试样的应变场云图,并结合PFC2D程序研究不同?、? 条件下试样的强度特征、裂纹模式和裂纹演化扩展规律。研究表明：三叉裂隙对试样单轴抗压强度有明显的削弱作用。当? 恒定为120°时,试样在? = 30°时达到最大抗压强度;当? 恒定为90°时,随?增大,试样抗压强度呈先减小后增大的趋势,且当? = 45°时达到最大抗压强度。试样产生的裂纹可分为3类,分别是张拉型裂纹(Ⅰ型裂纹)、剪切型裂纹(Ⅱ型裂纹)、混合型裂纹(Ⅲ型裂纹)。这3类裂纹通常从裂隙尖端开始产生,并且Ⅰ型裂纹沿加载方向扩展,通常未扩展至试样边界;Ⅱ型和Ⅲ型裂纹通常与加载方向呈一定角度扩展至试样边界。通过对裂纹的几何形态和组成宏观裂纹的微裂纹成分的分析,得知导致含三叉裂隙试样在单轴压缩条件下失效的是张拉破坏。数字图像技术得到的应变云图表明,当载荷达到一定阶段,裂隙尖端出现应力集中,微破裂开始发育并聚集成微破裂区,微破裂区扩大产生宏观裂纹。通过对主应变和剪应变云图分析,发现导致试样失效的是张拉破坏,剪应变在裂纹扩展过程中的影响较小。     

水压和应力耦合下脆性岩石蠕变与破坏时效机制研究

基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验,研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。研究结果表明,(1) 孔隙水压可以增强大理岩的时效变形能力,有水压时的稳态蠕变率大于无水压状态时的稳态蠕变率。(2) 裂纹扩容失稳应力强度比可以作为硬脆性岩石是否发生失稳蠕变的门限值,且当应力强度比到达这一门限值时,岩石的失稳概率随着时间发展而陡增。(3) 体积蠕变量大于侧向和轴向的蠕变量值,显示脆性岩石扩容蠕变效应特征显著。(4) 不同时刻的等时曲线具有明显的相似性,在发生加速蠕变之前,等时曲线基本呈线性特征;而在发生加速蠕变时,等时曲线呈显著非线性特征。