裂隙岩体中弹性波传播特性试验及宏细观损伤本构模型研究

以不同加载方式下裂隙岩体中弹性波传播特性试验为基础,首先通过对比试验中弹性波波速、波幅与岩体宏观损伤的关系,给出了采用弹性波波幅来表征的裂隙岩体宏观损伤变量;其次利用统计强度理论定义了岩石的细观损伤变量,并基于连续损伤理论建立了宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型;最后结合试验数据对该模型进行了验证与分析。研究表明:完整岩体中细观裂隙的起裂和扩展对岩体中传播弹性波的波幅和波速的影响较小,而裂隙岩体中宏观裂隙的张开和闭合对弹性波波幅和波速的影响较大。裂隙岩体在外力作用下时,弹性波波速和波幅的变化规律类似,相较于弹性波波速,弹性波波幅对裂隙岩体宏观损伤的变化表现的更敏感,可用来定义裂隙岩体的宏观损伤变量。不同加载方式下裂隙岩体的损伤特性与宏、细观裂隙以及其所处的应力状态相关,基于宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型可以较好地反映不同加载方式下裂隙岩体的损伤力学特性。在三轴压缩试验中,宏观裂隙对岩体轴向压应力方向上损伤的影响主要体现在试验的中后期阶段,在三轴拉压试验中,宏观裂隙对岩体轴向拉应力方向上损伤的影响贯穿于试验全过程中。     

对“基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型”讨论的答复

正在《基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型》~([1])一文中(以下简称原文),我们主要有两个意图:①目前所建立的损伤模型较少有同时考虑裂隙岩体宏细观损伤两种不同维度的损伤变量因子;②裂隙岩体宏观损伤变量在刻画上应尽可能将宏观裂隙几何力学特性同时考虑。鉴于上述想法,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,     

用渗透性随深度变化规律确定大尺度岩体变形模量

采用渗流场-应力场耦合的观点,用表征渗透性的单位吸水量数据,反求了岩体宏观力学参数——岩体变形模量。裂隙岩体的渗透性大小是裂隙宽度的函数,而岩体不同深度的裂隙宽度由应力大小和变形模量决定,因此可以通过裂隙宽度把渗透性参数和岩体力学参数结合起来。以小浪底水库左岸砂泥岩裂隙岩体T41地层为实例研究表明,该方法求得的岩体变形模量符合随着应力增大而增加这一规律,也符合风化岩体变形模量相对较小这一规律,并且数量级与收集到的相近岩体的变形模量一致,因此所求结果是可靠的。     

宏细观缺陷对岩体力学特性及边坡稳定影响研究

岩体是同时含有宏、细观缺陷的天然损伤地质体,如何更好地反映该两类缺陷对岩体力学特性的共同影响是亟待解决的一个重点和难点问题。采用FLAC3D中的弹脆性模型和Null模型分别描述完整岩石和上述两类缺陷的力学行为,用超细单元剖分计算模型的方法模拟岩体破坏,同时提出一个利用岩石孔隙率反映细观缺陷的新方法,研究细观缺陷即岩石孔隙率、裂隙倾角及长度等对裂隙岩体力学特性的影响。利用该方法研究了上述两类缺陷对岩质边坡临界滑面(CFS)及安全系数(FS)的影响。结果表明,宏观缺陷对岩体单轴压缩破坏模式、峰值强度和弹性模量起控制作用,同时控制岩质边坡的破坏模式和安全系数;尽管细观缺陷并不能改变宏观缺陷对岩体力学行为的控制作用,但其对这种控制作用将产生一定影响,宏细观缺陷以不同的作用机制对岩体力学特性产生影响。     

确定流变岩体的参数及地应力的位移反分析法

在隧道设计和施工中,工程师需要确定岩体的力学参数和地应力场。对于软弱地层,我们还将遇到流变问题。具体地说,我们在作工程设计前就需要确定地应力分量、岩体的弹性模量以及反映岩体流变特性的粘滞系数等重要参数。一般而言,这需要在野外作相应的岩体力学试验来确定。     

三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

加载速度对强度和破坏机制的影响

岩体力学实验中,加载速度对岩体力学性质的影响是很重要的。许多岩体力学工作者,利用岩块和模型材料,进行了大量有关室内加载速度对岩体力学性质影响的研究,为室内岩块力学试验和野外原位岩体力学试验选取合理加载速度提供了依据。目前,基本上从应变速率和应力速率两方面去研究加载速度对岩体力学性能的影响。这两方面的研究都认为随着应变速率和应力速率的增加,岩块和岩体的强度、变形模量也相应增加,不同的是峰值强度以后的破坏后效不同。     

单轴压应力下砂岩岩块的变形和破坏研究

一、研究的目的和内容重视宏观的和微观的地质因素的岩体力学试验研究,有助于较真实地解释和确定岩块和岩体的变形、破坏的机理和力学的宏观现象,可以为选择和建立它们的破坏准则和强度理论,进行地壳岩体和工程岩体的稳定性分析评价等提供有用资料. 岩体是由宏观的结构面和结构体所构成,是地质体的一部分.岩体中包含着岩块.岩块和岩体的建造和改造决定了它们的物质组成和结构构造.     

基于RJM断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

裂隙结构的存在对于工程岩体的强度和稳定性具有重要影响,岩石宏观裂隙的产生源自于微破裂的积累。针对岩体裂隙的粗糙特性,通过Matlab建立考虑粗糙度的节理模型（Roughness Joint Model）,采用简化的正弦曲线来表示粗糙节理,并将其导入到颗粒流试验模型中进行单轴压缩试验。对比完整岩体、直线型裂隙岩体、RJM岩体三者破坏的应力-应变曲线,改变裂隙倾角（与水平方向夹角）α,岩桥倾角β,裂隙密度γ,建立不同裂隙分布的断续节理岩体数值试样,开展一系列数值模拟试验。研究结果发现:（1）裂隙的存在明显降低了岩体的抗压强度,RJM模型峰值强度和峰值应变均高于直线型裂隙岩体;（2）岩体抗压强度总体上随裂隙倾角增大而增加,随裂隙密度增加而减小,但随岩桥倾角的改变呈非线性变化,岩桥倾角45°时峰值强度最低,峰值应变最小;（3）裂隙分布会影响岩体的破裂模式,微裂隙的扩展反映了岩体力学性质的各向异性;（4）不同倾角下增加裂隙密度,岩体强度下降程度不同,倾角75°时密度对强度影响最小,30°和60°时影响最大。     

结构面闭合变形法则及岩体弹性变形本构方程

岩体变形是岩体力学作用研究的重要课题之一。这一课题近年来愈来愈多的受到重视,人们已经认识到,岩体变形在低应力水平阶段常存在有裂隙压密成分,致使岩体应力应变曲线呈曲线特征。可是目前在岩体变形研究中仍习惯地采用一次线性关系的虎克法则表征岩体变形本构方程。这是不合适的。可是至今还没有一个合适的方程来取代它。R.E.Goodman曾对这个问题进行过研究。近年来笔者对这个问题从两个方面进行了研究:①结构面闭合变形法则;②岩体变形的本构规律。兹将初步结果提出来共同商讨。     

基于Hoek-Brown准则的冻融循环条件下露天煤矿边坡岩体力学系数修正

在露天矿边坡稳定性计算和评价过程中,边坡稳定性评价结果与岩体力学参数的选取密切相关。而在冻融循环条件下,岩石的物理力学参数随着冻融次数的变化而变化。首先通过室内模拟的方法对粗砂岩和细砂岩进行不同次数的冻融循环试验,然后进行一系列的单轴和三轴压缩试验,得到冻融循环条件下完整粗砂岩和细砂岩的物理力学参数;基于Hoek-Brown强度准则中的爆破扰动参数D,提出冻融循环劣化参数D_f,利用修正的Hoek-Brown准则得到冻融循环条件下岩体力学参数,并分析了边坡岩体的破坏模式。结果表明:随着冻融循环次数的增加,粗砂岩和细砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力降低减小,内摩擦角变化较小;而岩体的单轴抗压强度、整体抗压强度、抗拉强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角均减小,这说明岩体在冻融循环环境中是不断损伤的,质量逐渐变差;随着冻融循环次数不断增加,岩体的抗剪强度劣化在不断加速,边坡的破坏形式主要为剪切破坏。修正的岩体力学参数为露天矿边坡稳定性分析提供更为准确的数据。      

单一预制节理试件各向异性力学特性试验研究

节理岩体具有特殊的不连续结构,从而展现出复杂的各向异性力学特性。为了掌握这一复杂力学特性,从理论上分析了单一节理面的力学效应,并通过常规三轴压缩试验研究了单一预制贯通节理试件的各向异性力学特性。结果表明,节理试件的力学特性分为受节理面控制和岩块控制;与完整试件相比,节理试件的力学参数均有不同程度降低,其中弹性模量、抗压强度、黏聚力随节理倾角呈U型分布,最小值均出现在60°倾角节理试件,而内摩擦角与节理倾角呈线性增大关系;随着围压等级升高,不同倾角节理试件弹性模量和抗压强度的最大值与最小值的比值降低,力学性能差异减小。     

苏南宁镇地区震旦纪至白垩纪的岩石力学性质的系统测试数据浅析

苏南宁镇地区,震旦系至第四系出露完整,研究程度颇深,诸地层的不同特征,以作为华南各地区地层对比之标准而著称。近几年来,随着大规模勘探工作的进行,宁镇地区地层的物性参数、电性参数和力学参数等各种资料,均在不断完善之中。本文试以该区震旦系至白垩系地层的岩石单轴抗压强度等的系统测试数据,对其有关的岩石力学特性进行粗浅地分析。     

Experimental Study on Failure Characteristics of Schist Under Unloading Condition

The mechanical properties of rock under unloading condition have significant differences with those under conventional loading condition. To investigate the failure characteristics of schist under complex stress state, uniaxial and trixial compression and unloading confining pressure tests have been carried out on samples in the paper. The results show that the rock samples failed in coupling mode of shear and tension under uniaxial compression, and failed in shear mode under conventional trixial compression. However, the failure modes of the samples can be classified as shear, multiple fracturing, and multiple extension, and the strength of schist is closely related with the failure mode under unloading confining condition. For the unloading condition, the peak strengths of schist samples with shear failure mode are close to those under conventional trixial compression, but the peak strengths with multiple fracturing or multiple extension mode are much higher than those under trixial compression. The internal structure characteristics and stress paths were found to have major influences on the failure modes of schist. Therefore, the failure modes must be considered when the strength characteristics of schist are investigated.     

颗粒配比对岩石力学特征影响的数值模拟研究

岩石是矿物颗粒的集合体同时也是一种重要的非均质材料,了解它的力学特征对岩土工程及矿产开采都具有重要的指导作用。作为典型的颗粒材料,颗粒单元体的粒径分布配比必然影响着岩石的宏观力学表现。通过设置不同体积配比下的颗粒材料单元体,利用PCF2D软件模拟了相同颗粒材料单元体不同配比下岩石模型的力学特征。模拟结果表明颗粒单元体配比对岩石的力学特征有明显的影响。在模拟过程中大颗粒的配比显著影响着岩石的抗压强度,大颗粒含量相对越高,抗压强度越大。而细颗粒的配比影响着岩石的抗拉强度,细颗粒含量相对越高,抗拉强度越大,但是过多的细颗粒会降低岩石的抗拉强度。考虑岩石压缩过程中裂缝形态的影响。结果表明均匀分布、5:2:3、7:2:1的颗粒配比形成了贯穿裂缝,而1:2:7和3:2:5的颗粒配比未能形成贯穿裂缝,且细颗粒配比越高,裂缝数目出现高值的概率也越大。      

Numerical analysis of the effect of natural microcracks on the supercritical CO2 fracturing crack network of shale rock based on bonded particle models

The problem of predicting the geometric structure of induced fractures is highly complex and significant in the fracturing stimulation of rock reservoirs. In the traditional continuous fracturing models, the mechanical properties of reservoir rock are input as macroscopic quantities. These models neglect the microcracks and discontinuous characteristics of rock, which are important factors influencing the geometric structure of the induced fractures. In this paper, we simulate supercritical CO₂ fracturing based on the bonded particle model to investigate the effect of original natural microcracks on the induced‐fracture network distribution. The microcracks are simulated explicitly as broken bonds that form and coalesce into macroscopic fractures in the supercritical CO₂ fracturing process. A calculation method for the distribution uniformity index (DUI) is proposed. The influence of the total number and DUI of initial microcracks on the mechanical properties of the rock sample is studied. The DUI of the induced fractures of supercritical CO₂ fracturing and hydraulic fracturing for different DUIs of initial microcracks are compared, holding other conditions constant. The sensitivity of the DUI of the induced fractures to that of initial natural microcracks under different horizontal stress ratios is also probed. The numerical results indicate that the distribution of induced fractures of supercritical CO₂ fracturing is more uniform than that of common hydraulic fracturing when the horizontal stress ratio is small.     

乌鲁木齐地铁隧道互层岩体力学特性及几何特征因子敏感性模拟

为研究地铁隧道中软硬互层岩体力学特性及破坏机制,本文首先在乌鲁木齐泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析互层岩体层厚、层厚比、岩层倾角作用下互层岩体强度响应规律及裂纹变化。分析结果表明：随着互层岩体层厚的增加,其单轴抗压强度在降低,裂纹数量也在降低,裂纹发展速度加快;随着互层岩体层厚比的增加,其单轴抗压强度在不断降低,在层厚比大于1时单轴抗压强度的变化相对稳定,且层厚比小于0.6时裂纹发展趋势较为快速,层厚比大于0.6时裂纹发展趋势较为缓慢;互层岩体岩层倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U字形变化趋势,40°时单轴抗压强度最低,90°时裂纹数量最多,发展趋势最为缓慢;由正交试验分析得出层厚比对单轴抗压强度敏感性最大,并分析得出了最优组合;最优组合为：层厚6 cm、层厚比0.1、岩层倾角0°。     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。     

煤岩强度离散性及三轴压缩试验研究

简述了煤的强度离散性原因。采用超声脉冲穿透法测量煤样波速并进行岩石力学试验,回归分析得出了煤岩试件声速与其力学参数之间的关系式,为尽可能避免因煤样离散性而带来的盲目试验提供了一条技术途径。采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样三轴压缩试验。结果表明,与花岗岩等高强度岩石不同,由于煤的孔隙裂隙发育在围压作用下孔隙裂隙被压密闭合,煤的弹性模量随围压增大而增大,但并非线性关系;煤的轴向破坏应力及残余强度均随围压增大而增大。研究结论对于在破碎煤体中掘进的巷道的锚固机理研究有重要指导意义。     

重金属污染物侵入对岩石力学性能影响的研究

通过抗剪强度试验、风化耐久性强度试验、耐崩解试验、点荷载试验,对受重金属污染的泥岩、页岩、砂岩的力学强度变化特性进行了研究,并根据试验结果绘制了3种岩石抗压强度与重金属含量的关系曲线,采用线性回归法分析了岩石抗压强度与重金属质量比的相关关系。研究结果表明:在岩性、含水量、试验条件等相同的条件下, 3种重金属污染岩石的力学强度都随着重金属污染物含量的增加而减小; 重金属污染的泥岩、砂岩和页岩的单轴抗压强度与重金属质量比关系分别呈幂函数(泥岩、砂岩)、对数函数(页岩)关系,关系分化度为较显著-显著负相关。根据Weibull分布定律与对流-扩散特性建立了重金属污染物侵入与延伸性能方程,并对泥岩试验结果进行了计算,绘制了侵入性能、延伸性能与时间的关系曲线。结果表明: 4种金属元素在泥岩中平均侵入性能与延伸性能的大小顺序为Cd2+ Pb2+ Cu2+ Zn2+,且元素活性越大,侵入能力与延伸能力越强,侵入性能随着时间变化而逐渐减小,延伸性能随时间变化而逐渐增加。