含不同倾角单裂隙类岩石单轴强度及蠕变速率的研究

为了研究裂隙类岩石材料在单轴压缩和蠕变条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过预埋铁片的方法制作出含不同倾角的单裂隙类岩石试件,建立贯通裂隙类岩石单轴压缩强度模型,分析破坏形式。研究表明,预制裂隙倾角对类岩石试件峰值强度的影响显著,裂纹倾角越小,单轴抗压强度越低,即倾角为0°时单轴抗压强度为6.98MPa,90°时为10.85MPa,呈单调递增的趋势。建立裂隙面模型,分析类岩石试件的破坏形式,大致为两类:一类是通过预制裂隙拉剪破坏;另一类是通过裂隙的拉伸破坏。蠕变速率随着裂隙倾角的增大先增大后减小,在90°时的蠕变速率最低,在30°时蠕变速率最高。     

单轴压缩荷载下“十字形”交叉裂隙类岩石试件的破坏模式与力学特性试验研究

通过在类岩石材料中预制特定裂隙的方法,来模拟含"十字形"交叉裂隙的岩体,并对其在单轴压缩情况下的力学特性与破坏模式进行了试验研究。研究表明:(1)交叉裂隙试件中,次裂隙倾角对主裂隙倾角为45°时试件的抗压强度与起裂应力的影响最大,而对主裂隙倾角为90°时的影响最小。(2)单裂隙试件的抗压强度与起裂应力小于完整试件。交叉裂隙试件相对于单裂隙试件而言,当主裂隙倾角为0°和45°时,其抗压强度与起裂应力减小;当主裂隙倾角为90°时,其抗压强度与起裂应力增大。(3)在单裂隙试件中,当裂隙倾角为0°、45°和90°时,试件分别发生拉剪复合型破坏、剪切破坏和张拉破坏;相对于单裂隙试件而言,交叉裂隙试件破坏时产生的裂纹相对较多,破坏模式大多为拉剪复合型破坏,同时,在破坏过程中交叉裂隙试件发生复合其他破坏模式或直接导致试件破坏的滑移。上述结果对岩体工程的开挖和建设具有一定的参考价值。     

透明类岩石预制裂隙不同赋存方式起裂扩展研究

岩体受压情况下内部裂纹扩展生长将对岩体稳定性产生重要影响,由于无法直接观察真实岩体内部裂纹起裂扩展过程,研制了一种各项性质与真实岩体接近的透明类岩石材料,在其内部预制裂纹并在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上开展单轴压缩力学试验,观察研究其内部裂纹的起裂扩展机理.该方法克服了真实岩石不透明的特点,可以清晰观察到类岩石试件内部的裂纹起裂扩展各阶段的形状及扩展规律.试验中详细观察研究了次生裂纹的起裂扩展规律以及双裂隙试件在不同裂隙间距下的裂纹扩展贯通模式.试验结果表明预制裂隙倾角对次生裂纹的起裂方式将产生一定的影响,双裂隙试件在不同裂隙间距下次生裂纹将呈现不同的扩展贯通模式,实验中观察到了多种形式的裂纹.研究结果同时表明裂隙的存在极大的降低了试件的抗压强度且随着裂隙间距增加试件峰值强度呈降低趋势同时裂隙倾角也对试件的起裂应力产生一定的影响.试验成果对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值.     

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

含预制裂缝大理岩试样单轴压缩实验研究

采用RMT-150B岩石力学伺服试验机对含预制裂缝的大理岩试样进行单轴压缩试验,分析了预制裂缝参数(裂缝倾角α=15°、30°、45°、60°、75°和裂缝位置l=25mm、 37.5mm、 50mm)对大理岩强度和破坏特性的影响。结果表明,应力-应变曲线随着预制裂缝倾角的增加,逐渐接近完整试样,受裂缝位置因素的影响相对较小;试样的峰值强度随预制裂缝倾角的增大,先小幅度增加,后发生减小,再剧烈增加,预制裂缝倾角很大程度地影响试样的破坏形式,并造成试样的强度差异;预制裂缝的扩展方向为偏离预制裂缝断面法线方向20°～90°范围;相比预制裂缝的位置因素,预制裂缝的倾角因素对岩石特性的影响更加显著。     

受压裂纹周边应力极值线及起裂特征研究

通过理论解析并结合数值模拟试验,研究了裂纹倾角对受压裂纹近周第一主应力场和剪应力场的影响。为了能够反映原生裂纹周边的次生裂纹特征,根据原生裂纹近周应力场提出了可描述裂隙岩体中次生裂纹起始位置、起始方向、发展方向的应力极值线的概念。从理论上对应力极值线进行了定义,并通过典型的数值试验分析了应力极值线随裂纹倾角变化的特征与演变过程,进一步从应力极值线角度描述了受压原生裂纹的次生张性裂纹和次生剪切裂纹的特征。研究结果表明:随裂纹倾角增大第一主应力极值线与原生裂纹相交点从裂纹中部向裂纹端部移动,但剪切应力极值线与裂纹相交点始终位于裂纹端部;第一主应力极值线在与原生裂纹相交处垂直于原生裂纹,但最终方向与压力方向平行;剪应力极值线始终与原生裂纹大致共面。研究结果对认识裂隙岩体试样破坏模式、解释张性次生裂纹和剪切次生裂纹的起裂及发展机理有一定的借鉴意义。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷，得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌，引入分形几何定量计算断口面粗糙度；结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理，分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大；不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化；从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响，对于层理倾角为0°的试样，强度由岩石基质控制，但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响；对于层理倾角为22.5°的试样，强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制；对于层理倾角为45°～67.5°的试样，强度与裂纹走向受层理弱面控制；而对于层理倾角为90°的试样，动态抗压强度受岩石基质的影响较大，在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹，导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

双交叉裂隙岩桥相互作用与破坏行为试验研究

双交叉裂隙是工程岩体中构成断续交叉裂隙的基本单元。裂隙几何参数的变化，会带来裂隙之间岩桥组合形态的改变，并形成岩桥相互作用，对双交叉裂隙的起裂、扩展、贯通及断裂产生直接影响。本文以光敏树脂3D打印技术制备不同次裂隙长度的双交叉裂隙试样，并低温处置使其脆化；开展单轴压缩试验以获得试样的力学性能，利用DIC (Digital Image Correlation,数字图像相关技术)分析试样的变形行为，采用高速摄像机捕捉裂纹萌生和裂隙扩展过程。结果表明，随次裂隙长度的增加，双交叉裂隙试样的峰值强度呈先增大后减小的趋势；试样压缩破坏过程中，最短岩桥(主导岩桥)的两端最先形成应力集中，主导着初始裂纹的形成；尖端裂纹的扩展路径主要受到剪切路径的影响，而剪切路径随加载进程动态变化，由外侧向主导岩桥位置逐步靠拢，控制着次生裂纹的扩展角度。     

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。     

边切斜裂缝岩石单轴压缩缝尖起裂机理试验研究

为研究岩石在压剪荷载作用下的断裂特性，在岩石试样侧边切斜裂缝，预制角度分别为30°、45°、60°的初始裂纹，利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行单轴压缩断裂试验。试验结果表明：边切斜裂缝岩石单轴压缩试样表现为明显脆性，其峰值荷载随初始裂纹角度的增大而增大，大角度初始裂纹具有更高的安全性；试样从预制裂纹尖端开始起裂，并产生向荷载作用方向扩展的翼型裂纹或反翼裂纹，缝尖裂纹扩展初期先受到压剪应力作用，随着裂纹逐渐扩展过程转变为拉应力作用，试样的最终破坏由张拉裂纹主导破坏，初始裂纹角度为45°、60°时伴随部分剪切破坏；裂纹起裂角度随初始裂纹角度的增大而呈现增大趋势，且在初始裂纹角度为60°时，同时出现了反翼裂纹与翼裂纹，起裂模式及角度的控制因素为沿扩展路径方向上法向应力值的相对大小。     

不同方位裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为研究裂隙岩体爆炸动载荷作用下裂纹扩展规律,实验采用有机玻璃模型,以炮孔和裂隙相对位置为变量,通过单发雷管加载模型进行相似物理实验。结果表明,当预制裂隙右端圆弧顶点到炮孔中心连线与模型中间穿过炮孔中心的横虚线的夹角θ为0°和90°时,爆生裂纹数量相对较多,45°时爆生裂纹数量最少,但平均长度最长;每组模型总裂纹平均长度在裂隙右端半圆弧顶点到炮孔中心距离L为40mm时达到最大值;0°组各模型最长裂纹均分布在炮孔右侧,而45°和90°组则多分布于炮孔下侧;固定区域内爆生裂纹密度大多小于不定区域内裂纹密度;所有模型预制裂隙两端都能形成翼裂纹,同组模型同端扩展路径相似;L为20~30mm时两端翼裂纹扩展方向一致,L为40~60mm时两端翼裂纹扩展方向多相反;爆生裂纹扩展机制随角度θ变化而有所不同。研究结果可为裂隙岩体爆破设计及爆破参数优化等提供理论依据。     

“丁”字形交叉裂隙类岩体的力学特性研究

岩体的力学性能受赋存在其中的裂隙的影响较大。本文以实际岩体工程中的节理岩体为背景,通过按一定比例配制而成的石膏砂浆材料来制作类岩石试件,采用在类岩石试件中预埋金属条抽出的方法来模拟不同倾角的"丁"字形交叉裂隙,研究室内单轴压缩条件下,"丁"字形交叉裂隙试件的力学特性。研究发现:(1)主裂隙倾角对试件的峰值应力有决定性作用,次裂隙则在一定程度上影响试件的峰值应力;(2)相对于仅有主裂隙的情况,次裂隙的存在,增大试件的弹性模量,但却减小试件的峰值应变和起裂应力;(3)次裂隙对裂隙试件裂纹起裂位置及其扩展方向的影响可归为三类:次裂隙对裂隙试件的裂纹起裂位置及其扩展方向的影响较小;次裂隙使裂隙试件的翼裂纹沿着主(次)裂隙的一端及其次(主)裂隙的两端开始起裂及扩展;次裂隙的存在引起了主裂隙两端次生裂纹的产生。     

含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展演化规律研究

岩体内部存在大量不同尺寸裂隙，形成不同结构形式的裂隙岩体，裂隙的存在会降低岩体的力学性能，对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析，基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响，采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出，岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大；随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势，其中裂隙倾角为30°时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。     

基于数字图像处理的含缺陷混凝土破裂过程研究

混凝土破坏规律受其缺陷的影响,为了从细观尺度研究含缺陷混凝土破坏规律,基于数字图像处理技术表征混凝土骨料形状、大小及空间分布,运用RFPA2D-DIP软件构建混凝土真实细观模型并进行单轴压缩试验,研究了含不同缺陷混凝土的破坏规律。试验结果表明:相比完整试件,含缺陷试件强度更低,破坏过程应力跌落次数更多,其初始裂纹在预制裂隙及孔洞两端萌生,缺陷与新裂纹的贯通最终导致试件破坏;混凝土中同时存在孔洞和裂隙时,孔洞与裂隙相互影响并形成应力集中的岩桥区域,当孔洞直径不变时,随着裂隙长度增加,试件峰值强度下降,在同一裂隙长度下,随着孔洞直径增大,混凝土峰值强度降低。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

沉积方向对密砂固结排水剪切强度的影响研究

基于砂土颗粒的毛细效应制备具有不同沉积方向的密砂试样,通过三轴固结排水剪切试验研究沉积方向对试样强度和体变特性的影响,建立沉积方向和峰值强度的拟合公式。研究结论表明,在0°～90°范围内,沉积方向对峰值强度和变形的影响比较显著,对残余强度的影响较弱。当沉积方向与破坏面方向(45°+φ/2)接近时,试样更容易达到破坏状态,所对应的峰值强度更低。拟合公式能够反映沉积方向和峰值强度的关系,围压对该关系有显著的影响,同时,公式能够预测最不利沉积方向的大小。     

正交和[±45]层板中裂纹的非自相似扩展

本文分析了正交铺设和[±45]铺设的复合材料层板断裂试验时观察到的主裂纹扩展方向与初始裂纹方向有时不一致的物理现象。本文计算了[O_4/90]和[±45]层板裂纹前缘的应力场,得出分别在θ=90°和θ=30°-45°存在较高的横向拉应力和剪应力。但上述层板在该方向的横向拉伸强度或剪切强度都已显著降低,从而导致纵向劈裂型或偏轴剪切型的低应力破坏。设计者在将大部分纤维铺设在0°方向的同时,应将1/3左右的纤维铺设在90°或45°方向以避免裂纹的非自相似扩展造成的低应力破坏。     

含预制裂纹L形梁柱试件动态断裂过程

针对含预制裂纹L形梁柱试件,为研究预制裂纹动态扩展的力学特征及其对梁柱试件破坏模式的影响,采用数字动态焦散线实验系统,对距节点核心区不同距离l处含有预制裂纹的试件进行落锤冲击实验,得到预制裂纹的扩展轨迹、速度、动态应力强度因子的变化规律。结果表明,l值增大,扩展裂纹在梁下边缘的贯通点与预制裂纹的夹角逐渐增大,曲裂程度变大。裂纹扩展速度随着l的增大振荡性增强,裂纹扩展平均速度逐渐降低。l值为2 mm时,裂尖表现为Ⅰ型断裂,l值增大,裂尖受到剪应力作用增强,Ⅰ型动态应力强度因子减小,Ⅱ型动态应力强度因子增大,断裂逐渐转变为Ⅰ-Ⅱ复合型。     

多组贯穿闭合裂隙岩体变形模型研究

根据等效岩体理论,并考虑闭合裂隙面摩擦效应,建立了含多组贯穿闭合裂隙岩体的数学模型,给出了岩体轴向应变、等效弹性模量与等效泊松比的表达式,系统地研究了岩块性质和裂隙参数对等效弹性模量与等效泊松比的影响。结果表明:岩块弹性模量对等效弹性模量与等效泊松比的影响随弹性模量增大而逐渐减弱,等效泊松比与岩块泊松比近似呈正比例关系;当裂隙角度小于50°时,裂隙几何参数对等效弹性模量影响较大,对等效泊松比影响较小,随着角度增大,影响逐渐减弱;岩体变形受裂隙组数影响较大,由于闭合裂隙面的摩擦效应及多组裂隙间的制约作用,含两组及三组裂隙时岩体变形较小,只含一组裂隙时岩体变形最大,无裂隙岩体变形几乎可以忽略。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。