层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,首先开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的粘聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅跟层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ = 0°试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ = 30°试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ = 45°试样主要沿层理面张拉破坏,θ = 60°～90°试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ = 45°～90°试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ = 45°试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

三点弯曲条件下薄层状岩体单层厚度对裂纹扩展路径的影响

为了揭示薄层状岩体单层厚度对裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS软件进行数值模拟,对含预制裂纹的不同单层厚度的层状岩体进行三点弯曲数值试验,岩体试样长度和宽度一定（512 mm×128 mm）,分5种不同的单层厚度建模,单层厚度分别为:64 mm、32 mm、16 mm、8 mm、4 mm。提取破裂过程中的声发射信息及主裂纹路径参数,对比分析不同层理厚度时,岩体的峰值载荷、声发射事件数、累计声发射事件数、主裂纹长度等对单层厚度的变化规律。研究结果表明:（1）薄层状岩体的强度与单层厚度有一定关系,单层厚度越大,岩体的抗弯强度越小,并且这种变化是非线性的。（2）在不同层厚条件下,层理面均表现出了阻止裂纹向上扩展的效果。同时,裂纹在层状岩体中的扩展是不连续的,裂尖沿层理面发生了水平迁移,整体呈现阶梯状。（3）在三点弯曲条件下,随着单层厚度的减小,岩体破裂时的裂纹总长度先增大后减小。（4）裂纹在岩体层面扩展时破裂类型多为滑移与拉张破裂的组合,而在非层理面的岩体内部扩展时,以拉张破裂为主。（5）薄层状岩体在三点弯曲条件下,声发射事件在岩体的压密阶段几乎没有出现,直至接近峰值载荷时才大量涌现。到了载荷快速下降时,单位时间的声发射事件数也达到最大。研究结果将对预测层状岩石的裂缝演化提供依据。     

考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究

基于不同层理角度的页岩巴西劈裂试验,利用高速摄像系统和声发射系统,对页岩力学特性、裂纹扩展及声发射特征的层理效应进行了深入研究。结果表明：（1）页岩巴西劈裂破坏过程可以分为压密、弹性和破坏3个阶段;（2）页岩抗拉强度、劈裂模量和应力峰值时变形的各向异性特征明显,层理角度 30°时,层理效应最为明显, 90°时影响最小;（3） 0°和 15°时试样的裂纹破坏面基本是沿着层理面, 30°时裂纹面交切层理面,与加载基线面重合, 45°～90°的各试样的断裂面呈不同程度的偏离加载基线面,为弧面或曲面;（4） 30°和 45°为破坏机制转化角,其中 30°为沿着层理面压致性张拉开裂转化为交切层理面开裂的转化角, 45°为交切层理面开裂转化为交切层理面且沿着层理面不同程度的剪切滑移开裂的转化角;（5）声发射活动性和能量释放随层理角度的增加而加强,主要因为受层理角度的影响,其破坏机制不同,这也进一步验证了页岩随层理角度的变化,其破坏机制的各向异性。能率峰值与抗拉强度具有很好的线性关系,表明声发射能率峰值能很好地反映岩石抗拉伸破坏的程度。     

层状岩石不排气三轴压缩力学特性试验研究

为研究地下隧洞开挖过程中围压和孔隙气压对层状千枚岩力学特性及变形参数的影响,以氩气作为渗透介质,开展层状千枚岩不排气三轴压缩试验,分析层状千枚岩在不同围压和孔压下应力-应变关系、峰值强度、变形特性及破坏形式随层理倾角的演化特征。引入基于层理倾角的各向异性度公式,探讨围压和孔压对层状千枚岩各向异性的影响。结果表明：不排气条件下,当孔压减小或围压增大时,层状千枚岩峰值强度逐渐增大;岩石峰值强度σ_c、弹性模量及变形模量随层理倾角的增大呈“U”型变化;层理倾角在30°～60°之间,层状千枚岩存在层理弱面,破坏形式主要为沿层理面剪切滑移破坏;层状千枚岩在平行层理方向受围压、孔压影响较大,呈现明显各向异性特征。     

白莲洞遗址危岩体形成机理及破坏模式

以广西柳州白莲洞遗址崖体为研究对象,经地质调查发现,白莲洞遗址崖体存在共计47处不稳定岩体,崖体岩性主要为厚层灰岩,岩溶发育且该厚层灰岩岩体节理裂隙十分发育,存在着诸多危岩体。通过野外地质调查与室内理论分析表明:白莲洞遗址崖体陡峭,灰岩厚层,层理面、构造裂隙、岩溶裂隙和卸荷裂隙发育,在持续暴雨、地震的强有力触发下导致山体松弛,变形加剧,形成了以柱状、楔形体状、块状为主的特大型危岩体,且多处于高位-特高位,从而表现出倾倒、滑移和少量坠落及其复合型的多种破坏模式;其变形破坏绝非突发,厚层块状构造、岩溶发育、坚硬灰岩夹白云岩透镜体及发育的节理裂隙是其形成的主要先天基础因素;降水的渗入、岩溶裂隙水的溶蚀及强烈的根劈作用为其主要触发因素。      

各向异性砂岩冻融力学特性研究

针对新疆天山公路岩质边坡的砂岩, 开展了单/三轴压缩试验和不同次数的冻融循环试验, 探讨了岩样强度和变形参数的各向异性随围压和冻融循环次数的变化规律, 分析了层理角度及冻融作用对岩样破坏模式的影响。结果表明： 岩样的弹性模量、 黏聚力、 内摩擦角和峰值强度均随着层理角度的增加呈现先减小后增加的U型发展态势, 在60°时达到最小值, 在0°或90°时其值最大; 岩样的强度以及变形参数随着冻融循环次数的增加逐渐减小, 随着围压的增加而增大; 不同层理角度岩样强度及力学参数的差异性随着围压的增加逐渐较小, 相应的岩样各向异性特性逐渐减弱; 随着冻融循环次数的增加, 岩样内部的裂纹不断扩展导致岩样各向异性程度逐渐增强; 不同层理角度岩样的破坏模式可归纳为穿越基质和层理面的竖向劈裂张拉破坏、 穿越基质和层理弱面的剪切破坏、 拉-剪混合破坏、 沿层理弱面的剪切滑移破坏、 沿层理弱面的竖向劈裂破坏等5种模式。研究成果可为寒区岩体工程相关研究提供参考和依据。     

加锚岩石抗弯特性试验研究

采用煤层顶板岩石作为加锚基体,用钢丝模拟锚杆,薄钢片模拟钢带,对加锚体进行了三点弯试验,并与常规试件进行对比分析。结果表明,因岩石抗压与抗拉性能的差异,试件在弯曲过程中,下表面拉应变的增长速度大于上表面压应变的增长速度,裂纹最先在下表面产生并逐渐向上发展。加锚试件,因锚杆改善了锚固区域岩石的力学性能,且钢带与锚杆共同承担了一定的拉应力,锚固试件抗弯能力有所增强。试件截面应力状态可以结合破坏过程分为3个阶段,第1阶段为弹性阶段;第2阶段为裂纹产生与扩展阶段,岩石承载能力逐渐劣化,拉应力逐渐向钢带转移,岩石裂纹发展受限,试件抗弯能力有较大提升;第3阶段为破坏阶段,锚杆失黏,挠度持续增加而试件承载能力趋于稳定。     

缓倾斜层状岩体单轴压缩力学行为的颗粒流数值模拟

针对不同层理面强度的缓倾斜层状岩体在单轴压缩试验中产生不同破坏形式的问题,以室内原岩单轴压缩试验结果为依据,采用颗粒流程序建立了缓倾斜层状岩体单轴压缩数值模型,研究了不同层理面强度条件下的缓倾斜层状岩体强度及破坏形式变化特征,并分析了不同工况时缓倾斜层状岩体微裂纹发育及演化规律和细观颗粒的位移演化规律,研究表明:当层理面强度远小于层理面间完整岩体强度时,层理面在一定程度上降低了层状岩体的整体强度,宏观破断面为沿层理面和贯穿层理面的折线型破断面;当层理面强度与层理面间完整岩体强度相近时,宏观破断面主要为光滑单斜面;当层理面强度远大于层理面间完整岩体强度时,层状岩体的强度由层理面间完整岩体的强度决定,宏观破断面主要为X型共轭破坏面。     

层状页岩力学特性及其破坏模式研究

采用MTS815型岩石力学试验机进行了页岩层理面不同角度取芯的力学试验,获得了其力学参数及破坏模式特征。试验表明：层理面不同角度试样力学性质存在较大差异性,平行层理面试样其抗压强度最高,与层理面夹角为30°时抗压强度最低,弹性模量随取芯角度的增加逐渐降低。单轴压缩,夹角为0°时破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂,夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏,夹角为60°时为大角度剪切破坏并贯穿60°弱层理面,夹角为90°时主要为层状拉张破坏。三轴压缩,夹角为0°时试样有多条破裂面,呈劈裂与剪切破坏共同作用;夹角为30°时,沿层理面剪切破坏;夹角为60°时,呈现剪切破坏,剪切破裂面与水平面夹角在45°~50°之间;夹角为90°时,以剪切破坏为主,有多条平行开裂层面。页岩层理面表现出明显的弱面特征,研究结果为水力压裂施工设计提供了技术参数。     

沉积结构面及其对岩体力学性质的影响

基于沉积结构面的成因类型,通过理论分析和实验研究,分析了沉积结构面的变形与破坏特征,研究了沉积结构面力学特征及其力学效应,提出了弱面型层理、层系或层系组界面和岩层面以及不整合面均为沉积构造弱面,这些弱面对沉积岩体力学性质产生重要的影响。分析了沉积岩体沿层面方向和垂直层面方向岩体力学性质的差异性。研究表明,垂直层面方向的纵波速度和弹性模量要比平行层面方向低;平行层面方向的抗拉强度要大于垂直层面方向;而平行层面方向的抗压强度与凝聚力小于垂直层面方向。沉积岩体易于产生垂直于结构面方向的张性破坏和沿结构面方向的剪切破坏,在采动影响下顶板岩体易于沿岩层层面产生离层破坏现象,这进一步揭示了沉积结构面变形与破坏机制。      

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

结构面对程潮铁矿西区地表变形的影响分析

以程潮铁矿西区为例,通过对现场结构面和裂缝分布特征的调查,以及结合地表变形监测数据的分析,揭示了矿区结构面对地表变形的影响。研究结果表明,在矿区较大的水平应力条件下,岩体结构面改变了地表拉伸变形分布和破坏形态,加剧了岩体变形,在ⅰ区(剖面Ⅲ以东区域),目前最外侧裂缝以内的岩体沿着NNW结构面发生倾倒滑移破坏,地表变形以快速变形为主,而最外侧裂缝以外的岩体沿着NNW结构面发生弯曲变形,地表变形以线性稳定增长为主,进入了倾倒破坏阶段,该区域的岩体主要发生水平位移;在ⅱ区(剖面Ⅲ以西区域),岩体在开采沉陷引起的南北向应力作用下,分离成平行的块体,地表变形以快速变形为主,在局部区域,产生的一部分平行块体在近东西向的应力作用下,沿着NNW结构面产生倾倒破坏。所得成果对类似金属矿山的地表征地及安全高效生产具有实际指导意义。     

炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究

页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。     

基于PIV技术的贯通单裂隙岩体压-剪破坏特征试验

基于PIV技术,采用相似材料预制贯通单裂隙岩体试件并开展压-剪试验,探究了裂隙开度对贯通单裂隙试件的强度、变形及破坏过程的影响。结果表明:(1)试件发生初始断裂时不同裂隙开度试验组应力均明显下降,且随着开度的增大裂隙岩体胶结部位塑性变形增强,岩体试件的特征应力值减小;(2)裂隙开度影响到裂隙和胶结部位变形在试件总变形中所占比例,进而影响裂隙试件的轴向峰值应变和横向峰值应变,开度越大裂隙试件的轴向峰值应变与横向峰值应变越小;(3)随着开度增大试件初始断裂部位由中下部向中上部转移,同时试件逐渐由拉伸剪切复合破坏转变为单一的剪切破坏;(4)需达到位移阈值k试件表面才能产生裂隙,而预制裂隙开度增大会降低试件的位移阈值k。其结果为研究深部矿井裂隙沟通造成的突水溃砂机理奠定了一定的基础。     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

开挖卸荷对砂岩力学特性影响试验研究

卸荷作用广泛存在于人类的工程活动和地质作用过程中,岩体在卸荷条件下的力学特性研究一直是工程界探讨的热点问题之一。根据实际边坡工程开挖后应力变化状态确定试验方案,进行了砂岩三轴卸荷破坏试验,研究了卸荷状态下岩体的应力应变特征、破坏特征及力学参数变化规律,并与加载破坏试验数据进行了对比分析。试验结果表明,卸荷破坏时岩样变形模量随着卸荷量的增加可降低5%～42%左右,二者之间的关系可用指数函数拟合;卸荷破坏时岩体的峰值应变随围压线性增长,残余应变与围压无明显关系;相比于加载破坏,卸荷破坏时岩体凝聚力c值降低了4%左右,内摩擦角? 增加了12%左右;卸荷速率对岩样强度和变形参数有较大影响;卸荷条件下岩体破坏具有沿卸荷方向强烈扩容特征,主要表现为张剪破坏,并伴随有环向裂纹,初始围压越高,卸荷程度越强烈,岩体的破碎程度越高。     

冻融循环条件下含软弱夹层隧道围岩力学性质及破坏特征

川藏铁路沿线隧道围岩中常存在大量软弱夹层,且岩体受严寒气候影响较大。为研究夹层倾角和冻融循环对隧道围岩力学性质的影响,室内制备了不同软弱夹层倾角、不同冻融循环次数条件下的互层岩体,并对含软弱夹层岩体展开了单轴压缩试验。研究发现:（1）含软弱夹层岩体的硬岩部分变形较小,而软岩夹层部分的破坏更加剧烈。夹层倾角较小时（β=0°、30°）岩体破坏后裂纹与夹层倾角接近平行,当夹层倾角较大时岩体破裂面与夹层呈X型交叉状;冻融循环次数越多,岩体的破坏程度越强烈。（2）随着夹层倾角的增大,岩体的单轴抗压强度和弹性模量先减小后增大;当夹层倾角β=45°时,抗压强度和弹性模量最小,抗压强度较含水平软弱夹层岩体降低35.27%,弹性模量降低34.84%。（3）冻融循环劣化了夹层岩体的力学性质,岩体承载能力随着冻融循环次数的增加而减弱,但塑性变形能力有所增强。在冻融循环作用的影响下,岩体抗压强度、弹性模量呈负指数型递减,峰值点应变则呈线性增大。