含预制裂纹脆性岩石破坏数值模拟研究

岩石是经过变形、遭受过破坏的地质体。在外界荷载条件下岩石内部缺陷引起的渐进性破坏,这个过程与材料本身存在的缺陷有着密切的关系。应用数值模拟方法对含有预制裂纹的脆性岩石的破坏规律进行了初步的研究,分析了裂纹的存在对岩石破坏的影响机制。研究发现,在对带有预制裂纹的岩石试件进行加载试验过程中,预制裂纹的存在成为了影响岩石破裂方式的主要因素。与之相比,由材料非均质性所造成的影响便成了次要因素,而对于含有双预制裂纹的岩石试件裂纹的间距是影响岩石破坏型式的重要因素。     

岩石三维破坏数值模型及形状效应的模拟研究

应用RFPA3D分别模拟了理想光滑端部加载和限制性加载端部情况下不同形状的岩石在单轴压缩下的破坏过程。模拟结果表明,试样形状对岩石的抗压强度、变形特征以及破坏模式有很大影响。岩石试样的强度随着长宽比的增加而减小,当长宽比超过2.5以后单轴压缩强度趋于稳定。理想端部下,长宽比较大的试样主要是剪切破坏模式;而长宽比较小时,主要是因为拉伸引起破坏。端部效应是引起试样拉伸破坏的一个重要因素,但是即使采用光滑端部,试样的形状效应依然存在。长宽比的逐渐增加使岩石逐渐由延性破坏向脆性破坏转变。     

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。     

岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。     

分形节理岩体强度与变形尺度效应的试验研究

根据强度与变形尺度效应的研究需要,试验研究了脆性岩石相似模拟材料的配比,提出了预置材料产生模拟节理的方法,解决了随机分布节理试件的制作问题。采用分形分布节理模拟材料试件,研究了脆性岩体轴向抗压强度与变形的尺度效应,获得的规律与实际岩体尺度效应规律一致,并发现岩体变形的尺度效应并非完全由节理闭合和剪切破坏引起,在节理剪切破坏之前,主要是由节理的剪切变形增大引起的。     

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。     

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。     

基于灰色理论的脆性岩石抗压强度尺寸效应试验研究

采用相同直径不同高度的圆柱形白色大理岩及灰岩试样进行单轴压缩试验研究,验证了脆性岩石抗压强度在一定范围内随高径比的增大而减小的规律。依据岩石单轴压缩试验结果,基于灰色预测GM（1,1）模型建立了脆性岩石的单轴抗压强度与试件高径比之间的非线形关系式,该经验公式对脆性岩石具有统一的形式,同时通过式中参数a值反映了由于岩性、试验条件等不同而引起的强度差异。利用该关系式可以很方便地在相关岩土工程中为相似岩石估算其强度值提供参考、借鉴。     

动载作用下岩石类材料破坏模式及能量特性

对岩石类材料的破坏模式和能量特性进行分析研究,利用ANSYS/LS_DYNA数值模拟软件模拟SHPB冲击的整个过程。通过对试验和数值模拟所得测试曲线进行对比确定模型的有效性,进而分析试件中有效应力的传播过程,提出试件张应变破坏、轴向劈裂拉伸破坏、压碎破坏的3种破坏模式;通过对数值模拟所得试件的内能-时间历程分析表明,试件的内能具有显著的应变率效应,在应变率较低时,可以划分为2个阶段,而在应变率较高时,可以划分为4个阶段。     

延脆性变化对隧道掘进机刀具破岩过程及其破坏模式影响的颗粒元模拟分析

在全断面岩石掘进机（TBM）刀具破岩的颗粒元模拟中颗粒参数的选取至关重要,其中颗粒间平行黏结切向、法向强度是关键控制性参数之一,它们之间的比值关系直接决定所模拟试样的延脆性质,影响刀具破岩过程及其破岩效果。为探讨延脆性对刀具破岩模式的影响,（1）建立9种采用不同平行黏结强度比值的数值模型,分别进行单轴压缩及巴西劈裂模拟,研究不同延脆性试样的力学行为及破坏模式的变化。（2）对9种模型进行双刀破岩,并监控其裂缝的发展情况及刀具的受力状况。（3）为减小随机性对模拟结果的影响,通过改变随机数,每种模型重复模拟5次,综合分析5次的计算结果。模拟分析发现,随着切向和法向黏结强度比值( )的增大,试样的脆性增加,破坏模式逐渐从剪切破坏转变为脆性张拉破坏,刀具破岩压碎区范围减小,张拉裂缝更容易在刀具间贯通延伸从而切割出块体更大的岩渣;随着试样脆性的增加,归一化比能减小,刀具破岩的效率增加;平行黏结强度比值相同的条件下采用不同随机数种子生成的模型中,试样的具体破坏情况有一定的差别,但总体破坏模式相似。     

Failure patterns of geomaterials with block-in-matrix texture: experimental and numerical evaluation

In nature, due to complex geological process, some geomaterials with block-in-matrix texture exist that characterized by a heterogeneous structure including rock blocks embedded in a small-grained matrix. In literature, these materials also referred as bimrock (block-in-matrix rock). Typical examples of these complex materials are conglomerates, breccias, glacial till, coarse-grained alluviums, and mélanges formations. When dealing with these complex media in engineering, it is important to understand the process by which the geomaterials fail under common loading conditions. In this paper, artificial bimrock specimens were prepared for different percentage of rock block proportions. The failure mechanism under uniaxial compression and indirect tension loading were studied. In order to compare the failure modes with homogeneous specimens, a numerical simulation of laboratory tests including uniaxial compression and Brazilian test was conducted on a typical bimrock and a homogenous specimen. The results showed different features of failure pattern for bimrocks with high proportions of rock blocks in comparison with homogeneous specimens. According to the experimental results, three main features were observed including a continuous tortuous failure surface, multiple localized shear failure surfaces, and detachment of rock blocks from the periphery of specimens.     

矿物粒径对花岗岩单轴压缩特性影响的试验与模拟研究

高放废物深部地质处置目前受到世界各国的高度重视。花岗岩是我国高放废物地质处置工程的候选围岩,深入了解处置库花岗岩的强度及破坏特性对于处置系统的设计及性能评价具有十分重要的意义。作为矿物颗粒的集合体,花岗岩是一种由石英、长石和黑云母等矿物组成的非均质岩石,矿物粒径对其宏观力学特性影响明显。以我国高放地质处置库预选区阿拉善花岗岩为例,选取矿物粒径差异明显的似斑状花岗岩和中粒花岗岩两类岩石,采用单轴压缩试验与数值模拟相结合的方式研究了矿物粒径对岩石力学特性的影响。单轴压缩试验在MTS815岩石力学试验系统进行,数值模拟采用基于离散元的颗粒流程序PFC2D完成。数值模拟过程中,以试件表面图像为基础,采用数字图像处理技术获取岩石内部矿物组分的实际空间分布,从而建立了精确反映花岗岩内部矿物种类及其空间位置的数值模型。利用该模型对花岗岩的单轴压缩试验进行了数值模拟,并与试验结果对比,论证了模型的可靠性。试验及模拟结果表明,阿拉善花岗岩破坏形式为脆性张拉破坏,裂纹大多平行于轴压方向,数字图像数值分析方法可真实地反映材料细观结构。矿物粒径对材料力学特性的影响主要表现为:细粒、等粒结构的岩石强度高,粗粒、不等粒结构的岩石强度低。研究成果可为掌握矿物粒径对岩石强度及变形特性的影响提供依据。     

Numerical modeling of rock failure under dynamic loading with polygonal elements

Polygonal finite elements are gaining an increasing attention in the computational mechanics literature, but their application in rock mechanics is very rare. This paper deals with numerical modeling of rock failure under dynamic loading based on polygonal finite elements. For this end, a damage-viscoplastic constitutive model for rock based on the Mohr-Coulomb criterion with the Rankine criterion as a tensile cutoff is employed and implemented with the polygonal finite element method. Moreover, the mineral mesostructure or rock is described by randomly mapping groups of polygonal elements representing the constituent minerals into a global mesh and assigning these groups with the corresponding mineral material properties. The performance of the polygonal elements is compared with that of the linear and quadratic triangular and bilinear quadrilateral elements in numerical simulations of controlled shear band formation under uniaxial compression and lateral splitting failure in the dogbone tension test. Numerical simulations of uniaxial tension and compression tests as well as dynamic Brazilian disc test under increasing loading rates demonstrate that the present approach predicts the correct failure modes as well as the dynamic increase in strength of rock.     

Influence of inclination angles and confining pressures on mechanical behavior of rock materials containing a preexisting crack

To deeply understand the cracking mechanical behavior of brittle rock materials, numerical simulations of a rock specimen containing a single preexisting crack were carried out by the expanded distinct element method (EDEM). Based on the analysis of crack tips and a comparison between stress- and strain-based methods, the strain strength criterion was adopted in the numerical models to simulate the crack initiation and propagation processes under uniaxial and biaxial compression. The simulation results indicated that the crack inclination angle and confining pressure had a great influence on the tensile and shear properties, peak strength, and failure behaviors, which also showed a good agreement with the experimental results. If the specimen was under uniaxial compression, it was found that the initiation stress and peak strength first decreased and then increased with an increasing inclination angle α. Regardless of the size of α, tensile cracks initiated prior to shear cracks. If α was small (such as α ≤ 30°), the tensile cracks dominated the specimen failure, the wing cracks propagated towards the direction of uniaxial compression, and the propagation of shear cracks was inhibited by the high concentration of tensile stress. In contrast, if α was large (such as α ≥ 45°), mixed cracks dominated the specimen failure, and the external loading favored the further propagation of shear cracks. Analyzing the numerical results of the specimen with a 45° inclination angle under biaxial compression, it was revealed that lateral confinement had a significant influence on the initiation sequence and the mechanical properties of new cracks.     

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。     

残余强度特性对岩石宏观破坏的影响

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统 ,数值模拟了单轴压缩试验下试样破裂失稳的过程 ,主要研究了残余强度特性对岩石类非均质材料弹 脆 塑性的影响。对大量不同残余强度岩石试样的数值模拟结果显示 :残余强度是影响岩石弹 脆 塑性的重要方面 ,残余强度越高 ,岩石越容易表现为塑性 ,岩石试样所承受的峰值载荷也越高     

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。     

单轴压缩下绿砂岩长期强度的尺寸效应研究

岩石的蠕变特性是影响岩体工程稳定性的重要因素,而岩石的长期强度是确定岩体工程长期稳定的一个重要指标。由于岩石材料的非均质性,其长期强度具有明显的尺寸效应。为了研究岩石长期强度的尺寸效应,首先,在幂函数模型基础上,基于损伤力学理论,建立了能够描述岩石蠕变全过程的非线性蠕变损伤模型;然后,把运用该模型计算得到的单轴压缩蠕变数值模拟结果与室内单轴压缩蠕变试验结果进行对比,验证了模型的正确性;最后,采用所提出的模型对7个不同尺寸的岩样进行了单轴压缩蠕变数值模拟,并对岩石长期强度尺寸效应进行了分析。数值模拟结果表明：随着试样尺寸的逐渐增大,岩石长期强度值逐渐减小,当试样尺寸增大到一定程度时,岩石长期强度稳定在一个特定值附近。     

层状盐岩力学和变形特性数值试验研究

对含泥岩夹层层状盐岩力学和变形特性进行有限元分析。首先,用数值试验方法预测含泥岩夹层层状盐岩体宏观等效弹性力学参数,然后,建立层状盐岩复合体细观有限元模型,研究其在单轴和三轴压缩荷载下盐岩、泥岩以及界面细观应力应变场分布特征、应力集中问题,并将上述研究与已有的理论和试验成果进行对比。结果表明,运用细观有限元方法预测层状盐岩宏观弹性力学参数是一种直观有效的方法;泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致在层状盐岩的泥岩夹层中以及界面边缘处存在较为明显的应力集中和差异变形。单轴压缩时,泥岩体由于侧向变形能力差会受到横向拉伸应力作用而盐岩层则相应的受到横向压应力作用,三轴压缩时因围压和偏应力大小不同层状盐岩细观应力应变场分布特征则更为复杂;此方法能更为直观的分析层状盐岩的变形和破损特征,这一分析结果对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库硐室稳定性分析提供了理论基础。