岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。     

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。     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

裂纹扩展和连接过程的近场动力学数值模拟

利用传统应变能密度与近场动力学的应变能密度相等以及近场动力学的基本方程,推导了以状态为基础的近场动力学基本方程。引入损伤理论,对以状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了近场动力学数值分析程序。利用近场动力学理论对经典的带孔单侧拉伸板破裂过程及双向拉伸状态下岩石裂纹扩展和连接过程进行了数值模拟,并与RFPA2D数值结果进行了对比分析。结果表明,以状态为基础的近场动力学理论不仅突破了以键为基础的近场动力学理论恒定泊松比的限制,而且不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其他的数值模拟方法具有很大的优势,同时也给裂纹的扩展和连接的数值模拟提供了更好的思路。     

PFC2D模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状

二维颗粒流数值模拟（PFC2D）是目前研究裂隙岩石裂纹扩展特征的重要手段。在大量已有相关研究文献的基础上做了以下分析和总结:从颗粒接触本构模型、细观参数的标定和裂隙模拟方法3个方面对当前PFC2D的主要模拟方法进行了总结;根据PFC2D模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状,重点对单裂隙、断续双裂隙岩石在不同加载方式下的裂纹扩展特征进行了深入总结。在此基础上,指出当前研究中存在如下不足:裂隙岩石的PFC2D模型未考虑断裂韧度是否符合实际、平行黏结模型模拟结果与室内试验结果存在差异、模拟裂隙与真实裂隙存在差异。结合研究中存在的不足,提出了相应的解决办法并进行展望,以期有助于裂隙岩石PFC2D模拟方法的发展。     

岩石破坏非连续变形分析弹脆性本构模型的二次开发

岩石非连续变形分析方法DDARF成功实现了模拟岩体裂纹萌生、扩展、贯通、破碎的全过程,但算法只考虑了岩体的线弹性本构模型,没有分析岩体的非线性应力-应变关系。为更符合真实岩体工程,同时扩展岩石非线性本构模型的应用范围,分别采用摩尔-库仑强度准则和最大拉应力强度准则对岩体进行剪切和拉伸破坏判断;对理想弹脆性本构模型进行算法分析,并在VC++平台下程序实现;对“自定义”的岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型与室内单轴压缩试验进行比较分析;将岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下洞室开挖,并与线弹性本构模型进行对比。结果表明,非连续变形分析方法中自定义岩体弹脆性本构模型是可行的,它能够反映岩体变形的非线性特征,与室内试验吻合度较好;非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下工程,能更安全且真实地分析洞室围岩的稳定性,进而更好地指导地下洞室的防护措施。     

透明类岩石内置三维裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机制是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于无法观察真实岩体内部裂纹扩展过程且CT扫描实时性不足等原因,自行研制了一种各项性质与岩石接近的透明类岩石材料,以观察研究其内部三维裂纹的扩展贯通机制。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,可更方便地观察岩体内部裂纹萌生、扩展不同阶段的形状。然后制作了一批内置单裂隙和双裂隙的试件,在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩试验,详细观察研究了单裂隙和双裂隙试件在不同岩桥角和裂隙间距情况下的裂纹扩展贯通模式以及裂隙数量和间距对试件抗压强度的影响,并从理论方面对翼形裂纹的扩展过程进行了解释。试验表明,在不同的岩桥角和裂隙间距下,次生裂纹将呈现不同的扩展贯通模式,试验中观察到的次生裂纹有张拉翼裂纹、与翼裂纹反向生长的反翼裂纹和拉剪作用下的花瓣状裂纹等,试件最终破坏是各种形式的裂纹汇合贯通的结果。裂隙的存在极大地降低了试件的抗压强度,且随着裂隙数目增加,试件峰值强度呈降低趋势,同时裂隙间距也对试件的峰值强度产生一定的影响。试验成果对分析真实岩体的破坏失稳机制有着重要的参考价值。     

单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的CT扫描试验

由于精选后的陶瓷材料与岩石性质相似,因此选择陶瓷作为基本材料制作中部含2条圆币状裂隙的试件,进行单轴压缩荷载作用下的CT实时扫描试验,研究试件内双裂隙的扩展和损伤演化规律。采用3种不同区域划分方案,通过CT数、CT方差和CT图像的对比,分析上、下裂隙及岩桥区域不同的扩展状况。分析表明,上裂隙区域一直以压密为主,扩展很小,对试件破坏影响较小;下裂隙区域扩展剧烈,最终形成了宏观裂纹,对试件的破坏影响较大;当上下裂隙之间的中心距离等于4倍的裂隙半径时,裂隙的扩展过程将与裂隙自身参数有关,几乎看不出裂隙之间的相互作用。     

断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究

利用岩石力学伺服试验机,对尺寸为80 mm×160 mm×30 mm的断续三裂隙砂岩试样进行了单轴压缩试验,研究了岩桥倾角? 2对断续三裂隙砂岩（? = 30°和? 1 = 60°）强度破坏和裂纹扩展特征的影响规律。与完整砂岩试样相比,断续三裂隙砂岩试样应力-应变曲线显示了较多的应力跌落,其峰值强度也呈显著降低趋势,但降低程度与? 2密切相关,随着? 2从75°增加到90°,峰值强度从82.04 MPa 降低到77.82 MPa,而当? 2从90°增加到120°,其峰值强度无明显变化。完整砂岩试样呈现轴向劈裂脆性破坏,而断续三裂隙砂岩试样是由许多从裂隙尖端产生的裂纹扩展与汇合,导致了其失稳破坏。通过照相量测技术,探讨了? 2对断续三裂隙砂岩试样裂纹扩展特征的影响：? 2为75°、90°和105°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和②、③之间均出现了贯通,而裂隙①、②之间无任何贯通;? 2为120°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和①、②之间均出现了贯通,而②、③之间无任何贯通。最后给出了断续三裂隙砂岩试样宏观变形特性与裂纹扩展过程之间的关系。     

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。     

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。     

粗粒土的离心模型试验与数值模拟

岩土工程数值计算中粗粒土常采用邓肯-张本构模型,为了验证该模型在轴向加载、卸载、侧向加载等复杂应力路径条件下的适用性,进行了粗粒土的三轴试验获取其力学特性及本构模型参数;根据相似性原理制作了堆石坝的离心模型试样,并采用与三轴试验同样级配与粒径的粗粒土进行复杂应力路径的堆石坝离心模型试验,试验中通过改变离心加速度模拟加载、卸载,利用上游蓄水模拟坝体的侧向加载;采用ABAQUS对离心模型试验进行三维数值模拟,并研究了模型箱侧壁摩擦系数与土体的初始应力对数值结果的影响。通过比较离心模型试验与数值模拟成果,表明土体的初始弹性模量对计算结果影响较大,初始应力应选择自重作用下的应力场;邓肯-张本构模型能较好地描述堆石坝的加载应力路径,而模拟卸载应力路径有一定的差异,需要改进邓肯-张本构模型中卸载模量的确定方法。     

淤泥土应力-应变矢量增量的真三轴试验研究

保持大主应力、中主就力不变,增大小主应力是实际工程中可能存在的一种应力路径,土石坝蓄水和土方回填等就类似这种加荷方式。就该应力路径对宁波淤泥土进行了真三轴试验,针对真三轴试验结果,对弹塑性本构关系中涉及到的应力矢量增量与庆变矢量增量的方向变化规律进行了特定条件下的研究。结果表明,在这种应力路径下排水剪切,应变知音一增量与应力矢量增量的方向不仅不一致,而且与π平面上相应的径向应力路径的偏角也不一致,这种应力路径下的现象和结果是岩土塑性力学和计算土力学中极少考虑的。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义     

非均质黏土地基中平面应变隧道最小支护压力数值模拟

土体由于沉积而具有天然的非均质性,但关于非均质地基中隧道开挖面稳定性的研究却很稀少,在实际盾构隧道工程中均按均质地基对待。但这一简化并没有考虑非均质性对保持开挖面稳定所需最小支护压力的有利作用,以及对破坏模式的影响。故文中采用基于tresca准则的弹塑性有限元法来研究黏聚力随深度线性变化的纯黏土地基中平面应变隧道的开挖面稳定性,模拟了土体失稳渐进破坏的全过程。最终验证了无量纲化的有效性,得到了各种工况时保持土体稳定的最小支护压力值,并发现了黏聚力线性变化斜率对深埋隧道破坏模式的影响,可为理论分析和工程实践提供依据。     

隧道突涌水机制与渗透破坏灾变过程模拟研究

针对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳两种典型突涌水灾害,阐述了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制,以及高渗透压作用下充填体"变强度-变渗透性-变黏度"的渗透破坏机制。针对渗透破坏突涌水的变黏度机制,采用DEM-CFD耦合计算方法,开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究,分析了流体黏度对平均接触力、流量(流速)、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹以及临界水力梯度的影响规律。结果表明,低黏度条件下的临界水力梯度比高黏度条件下的要小,换言之,低黏度条件下充填体更容易发生渗透破坏;平均接触力对水力梯度临界值的响应最为敏感,而流量难以准确反映该信息。从渗透破坏突涌水的变黏度机制这单一角度出发(不考虑渗透性增大的影响),随着黏性介质流入水体,流体黏度会增大,但流动速度会降低,两者共同作用下反而阻碍了渗透破坏过程的发展。最后,采用DEM-CFD计算方法,对工程尺度突涌水过程进行了模拟,再现了突涌水优势通道的形成与扩展过程,并指出了实现突涌水灾变机制模拟所需解决的参数选取与定量分析难题。     

通化八宝矿煤层冲击倾向性实验与数值模拟

为防治通化矿业(集团)公司八宝矿冲击地压的发生,对其可能发生冲击地压的-412区1号、-213区4号和6号煤层试样进行了力学性质与动态破坏特性的试验研究,并结合了冲击倾向性数值模拟研究,分析了矿区水平应力、垂直应力、最大主应力大小及分布规律,得出结论:(1)应力较大值多出现在地质构造复杂地带,凡遇褶曲和断层带,特别是断层上、下盘处,而且强度相对较大,即冲击倾向性相对较强。(2)水平应力约为自重应力的2倍,垂直应力约为自重应力的2.7倍,最大主应力略小于自重应力,最大应力值远远小于极限强度。(3)实验研究与数值模拟结论较好吻合,与通化八宝矿未发生冲击地压的实际一致。