基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术（DIC）观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明：随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2 =0.828 6θ1 +12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。     

锚固的贯通节理岩体剪切破坏特性分析

为了研究节理对锚固岩体力学特征和失稳损伤演化的影响,采用对锚固贯通节理岩体进行室内剪切试验和PFC2D数值模拟的方法,研究不同节理倾角下锚固贯通节理岩体剪切性能的作用机制和破坏模式,研究结果表明:（1）随着节理倾角变化,贯通节理岩体呈现出不同的破坏形式,锚固贯通节理岩体的抗剪强度与剪切位移曲线并不是呈线性增长,而是呈"双驼峰"趋势。（2）锚固体系在剪切试验的过程中,节理面颗粒的接触方位角会发生一定程度的改变,主要集中在锚杆和节理倾角附近。（3）锚固体系在剪切试验的过程中,会因为颗粒间黏结键的断裂生成裂纹,裂纹数生成的越少,其抗剪强度越高,裂纹分为张拉裂纹和剪切裂纹,并且张拉裂纹的数量要远远大于剪切裂纹的数量。研究结论可用于实际工程破坏模式的预测和岩体工程稳定性评价。     

节理倾角对黄土力学特性影响试验研究

黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。     

静动载下共面非贯通裂隙贯通机制分析

共面非贯通裂隙的贯通机制对于确定外载下岩质边坡的滑动面位置及滑动面综合抗剪强度至关重要。采用预制共面非贯通裂隙石膏模型试样单轴静动载对比试验,对不同裂隙倾角共面排列裂隙的扩展、贯通过程进行了观测,研究显示：共面非贯通裂隙不同倾角下的贯通模式存在较大差异,裂隙倾角为0o～35o时以裂隙面发生闭合变形为主;45o～65o时裂隙间较易出现剪切型破坏模式;75o～90o预制裂隙面较难产生滑动,裂隙试样主要产生劈裂形式的破坏。动载下预制裂隙试样裂尖翼裂纹及次生共面裂纹起裂后易朝原起裂方向快速发展;易在两预制裂隙内端部产生直接贯通,这与静载下岩桥处的贯通常通过分支裂纹拐折扩展、相连不同。含共面非贯通裂隙试样在裂隙倾角为35o左右时强度呈现最小值,这与贯通性裂隙试样裂隙倾角为60o左右呈现最小值相差较大,这是因为裂隙面摩擦强度没来得及发挥作用所致。因此,含非贯通节理裂隙岩体的综合抗剪强度公式应引入强度发挥系数,以充分考虑岩桥胶结强度与裂隙面摩擦强度不能同步发挥作用的破坏本质。     

非贯通非共面凝灰岩节理岩体各向异性及其能量特征分析

通过预制平行非贯穿节理试件进行单轴压缩试验,系统研究在节理倾角和节理间距组合形式下,对岩石试件的应力-应变曲线、峰值强度、变形参数、能量特征等的影响。试验研究发现:(1)平行节理岩体强度和变形曲线随节理倾角都呈现U型,当节理倾角为60°时,岩石单轴抗压强度取得最小值,表现出强烈的各向异性,随着节理间距的增大,岩石的单轴抗压强度逐渐增大;(2)试件破坏模式主要与节理倾角有关,在倾角为30°、45°时为张拉破坏或者张剪破坏特征,在倾角为60°时表现出剪切破坏特征,倾角为75°时为张剪破坏;(3)岩石在变形各阶段中吸收能量与耗散能成非线性增长,弹性应变能呈现先增加后减小,能量曲线随节理间距成指数增加关系。 更多还原     

含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征分析

天然岩体中常含有多组相互交叉的贯通节理,它们的存在极大地削弱了岩体的力学性质。为了研究含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征,基于弹塑性数值流形方法,对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟。结果表明：岩体强度随节理倾角的变化曲线呈现出多波峰、多波谷特点,岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数形式。根据节理状态,两组节理岩体的破坏模式可以分为3种：岩块破坏、沿一组节理滑移和沿两组节理滑移。两组节理均会影响岩体强度,一组起主要作用,另一组起次要作用,并且节理组之间存在相互影响。通过对数值计算结果进行回归分析,基于一组节理岩体强度预测模型,量化节理组之间的相互影响,提出适用于含两组交叉贯通节理岩体的强度预测模型。模型形式简单,使用方便,可为实际工程中正确评估岩体强度提供指导性意见。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

动载下节理岩体破坏过程的数值试验研究

节理岩体是工程中最常见的一类岩体,其在地震、爆炸等动载下的力学响应及破坏过程对相关工程安全性的影响至关重要。采用基于有限元应力分析和统计损伤理论开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载下节理岩体的动态破坏过程进行了模拟,重点讨论了节理条数、节理贯通度、节理倾角及应力波峰值对岩体动态破坏过程的影响规律。计算结果表明,断续节理岩体动态破坏过程及破坏强度与节理构造形态、应力波峰值密切相关。相同动载下,随着节理条数的增加,岩体破坏程度以及应力波能量损失增强,但当节理条数数超过一定值后,岩体破坏程度及应力波能量损失逐渐趋于稳定;节理贯通度较小时,岩体破坏程度较低且破坏单元自上而下均匀分布。随着节理贯通度的增加,岩体破坏增强,且破坏主要出现于节理上部岩体;节理倾角较小时,节理上部岩体破坏严重,易形成次生贯通裂纹。随着节理倾角增加,破坏范围逐渐变大,不易形成次生贯通裂纹;倾角为45°～60°时,岩体破坏效果最佳;动载荷的峰值越大,试样的破坏越严重。当峰值达到一定值时,节理附近发育出多条裂隙并向上下方不断发展而导致岩体完全破坏。在不同节理贯通度工况下与岩石霍布金森压杆（SHPB）试验结果进行比较,结论吻合,证明该数值模拟的合可行性和结论的可靠性。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。      

共面闭合断续节理岩体直剪强度特性研究

介绍了节理面和岩桥各自的抗剪强度机制,引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导了共面闭合断续节理岩体的直剪强度公式。模型试验发现,剪切破坏面以拉剪复合破坏为主,同时岩块中伴随大量的拉张微裂隙。试样的强度和变形具有明显的阶段性,全应力应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段。对比发现,理论计算结果与试验值吻合较好。     

Failure Characteristics of Complicated Random Jointed Rock Mass Under Compressive-Shear Loading

Most natural rock masses contain a large number of random joints and fissures, and most of the rock masses at the rock engineering are commonly in both compression and shear stress environment. However, the research on the failure characteristics of complex random jointed rock mass under compressive-shear loading is still limited. To address this gap, this paper uses the particle flow code 2D to establish a discrete fractured rock mass model and carry out a series of numerical tests with different compressive-shear angles (α) and different joint geometric parameters. The effects of compressive-shear angle and joint geometric parameters on the strength and failure characteristics of fractured rock masses are studied. The results indicate that with the increase of α, the peak strength of the specimen decreases gradually, and the failure mode changes from the composite shear failure mode (Mode-I) to a plane shear failure mode (Mode-II) and then to intact shear failure mode (Mode-III). Specifically, the three failure modes occur in the specimens with α?=?15°, 30° or 45°, 60°, respectively. The existence of joints affects stress distribution on rock mass during the loading process. Furthermore, the stress at the joint tip is relatively concentrated, while on both sides of the joint is smaller. Three kinds of crack coalescence patterns are observed: tensile, shear, and tensile-shear mixed coalescence. The inclination angle of the rock bridge between adjacent joints affects the specific type of coalescence.

     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

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。     

含横向节理的柱状节理岩体力学特性试验研究

针对柱状节理岩体的构造特性,采用水泥砂浆等材料制作出具有不同柱体倾角且含有横向节理分布的柱状节理岩体模型,并通过单轴压缩试验,研究柱体倾角和横向节理对岩体各向异性力学特性及破坏机制的影响。结果表明：试样峰值强度和变形模量随柱体倾角变化曲线均近似为U形,并体现出典型的各向异性特征;随着柱体倾角的变化,试样单轴压缩破坏模式可分为垂直于柱体轴向的劈裂破坏、沿纵向节理面的剪切滑移破坏、滑移破坏与劈裂破坏同时发生的复合破坏和平行于柱体轴向的劈裂破坏4类;横向节理的存在降低了柱状节理岩体沿柱轴方向的完整性,并影响了劈裂破坏裂纹的分布与扩展,因此,横向节理切割柱体是影响柱状节理岩体承载能力的重要因素。     

节理岩体动态破坏的SHPB相似材料试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理条数、载荷应变率、节理充填物厚度、节理充填物类型及试件长径比等7种工况下的节理岩体动态强度及破坏模式进行了分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验研究。结果表明：节理岩体动态破坏模式及强度与节理构造形态密切相关。对于单节理岩体,其强度及破坏特征在很大程度上受节理倾角控制,节理倾角0°、90°试件动强度分别为完整试件的90%和71%,且其破坏形式均为张拉破坏;倾角60°试件动强度几乎为0;倾角30°、45°试件的动强度分别为完整试件的50%和18%,且其破坏以剪切破坏为主,兼有张拉破坏。中心1/4、1/2、4/5及全贯通节理试件的峰值强度分别为完整试件的95%、74% 、28%和17%,即随节理贯通度增加,试件动强度逐渐降低。含1~3条节理的试件动强度分别为完整试件的54%、23%和10%,即随节理条数增加,试件动强度随之有较大幅度降低,但节理条数的增加并没有改变其破坏模式。随着节理充填物厚度增加及节理充填物强度降低,试件强度依次递减,但破坏模式并没有改变。完整试件和节理试件的动强度均随着载荷应变率的增加而变大,且前者对载荷应变率的敏感性要远远高于后者,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。两类试件的动强度均随着试件长径比的增加先增大后减小,即存在一个最佳长径比。     

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。     

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。     

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。