冻融循环下含裂隙类岩石冻胀力的力学模型及实验研究

以水泥砂浆类岩石材料为研究对象,结合弹性力学、断裂力学和流体力学相关理论,推导出体积膨胀机制作用下多孔岩石冻胀力计算的理论模型,得出冻胀力和体积模量之间呈正相关的增长方式;对经过冻融循环的含裂隙试件进行单轴压缩实验,分析冻胀力对不同角度裂隙试件的影响,发现冻胀力对0°试件的峰值强度影响最明显,随着裂隙倾角的增加,冻胀力对裂隙试件的峰值强度的影响逐渐减弱。该研究为岩体裂隙中冻胀力的求解提供了一个确切的模型,并通过实验验证了冻胀力模型的可行性,为以后研究裂隙中冻胀力的大小提供了理论依据。     

SHPB加载下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

 为研究裂隙倾角对类岩石试样的强度与变形特性、裂纹扩展规律及破坏过程的变化趋势的影响,对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行霍普金森杆（SHPB）加载试验。研究发现,SHPB加载作用下类岩石试样的应变阶段分段不明显,基本不存在应变软化阶段以及残余强度段。SHPB加载作用下,类岩石试样的峰值强度的变化趋势与静载荷作用下基本相同。随着预制裂隙倾角变化呈先变大后减小的V字形变化。在裂隙倾角为45°时,试样的峰值强度最小,0°和90°试样的峰值强度与完整试样极其接近。且SHPB加载作用下的类岩石试样的强度增加比较缓慢,峰值强度基本都小于相同条件下静载荷的峰值强度。随着预制裂隙倾角的增大,起裂角逐渐减小。当预制裂隙倾角较小时（0°,15°）,起裂角接近90°。与静载荷作用下的变化趋势是一致的。SHPB加载过程与静载荷不同,类岩石试样从开始加载至完全破坏总时间为约为2 s,速度极快。     

单轴压缩作用下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行单轴静载态压缩试验,研究裂隙倾角对于试样强度、破坏模式、破坏过程及裂纹起裂和扩展规律的影响。研究发现,含有预制裂隙的类岩石试样与完整试样的应力-应变曲线相似,可分为压密段、线弹性段、裂纹稳定扩展段、应变软化段和残余强度段。含裂隙岩石的峰值抗压强度随裂隙倾角的逐渐增大呈V字形变化,裂隙倾角45°时,岩石的峰值抗压强度最低,裂隙倾角0°和90°时,岩石的峰值抗压强度最高。裂纹的起裂角随裂隙倾角的增加而逐渐减小,裂纹的起裂速度和稳定扩展速度随裂隙倾角的增大逐渐增大。裂纹随载荷的逐渐增加,从预制裂隙尖端开始起裂,在初始加载阶段,由于岩石还具有一定的强度,裂隙扩展不明显,达到一定的载荷时,裂隙迅速而稳定扩展,直至完全破坏。     

双轴加载下成组裂隙参数对类岩石试件力学性质的影响规律

煤矿深部地层岩巷围岩裂隙分布复杂,裂隙参数对岩体力学性能影响较大。为研究深部地层裂隙岩体在掘进扰动条件下的破坏规律与力学性能,制备不同裂隙倾角和长度的成组裂隙类岩石试件,开展模拟煤矿深部巷道掘进扰动的双轴加载试验,研究类岩石试件力学特性及其影响因素。研究结果表明：成组裂隙试件强度受预制裂隙的倾角影响明显,当预制裂隙倾角为30°～45°时,试件的起裂应力和峰值应力为最小值,当裂隙倾角为90°时,试件的起裂应力和峰值应力最大。在双轴固定比例加载的条件下,裂隙倾角和长度均会对试件的强度产生影响,其中裂隙倾角对试件强度的影响最为明显,裂隙长度的影响较小。     

样本单元法及层状含裂隙岩体力学参数的确定

基于大量野外调查和室内研究,对层状岩体的岩性组合特征,软弱夹层、裂隙的分布规律以及岩体结构特征进行分析、研究、分区分类并建立相应的样本单元。提出了用数值分析方法模拟现场大型试验的“样本单元法”,根据岩块力学参数来获得含裂隙岩体的力学参数。     

锚固裂隙岩体力学特性试验研究

通过对立方体红砂岩试样预置30°,45°和60°裂隙的试验,研究了不同锚固状况下含单裂隙岩样力学特性及其注浆与加锚控制效应.结果表明:注浆加固条件下的岩样峰值强度,裂隙倾角为45°时最小,30°时最大;加锚加固条件下的岩样峰值强度,裂隙倾角为60°时最小,30°时最大.     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

加载速率对含预制锯齿状结构面类岩石试件力学性质的影响研究

采用RMT-150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对含预制锯齿状结构面类岩石试件进行了单轴压缩试验,包括4级不同的加载速率,定量地分析了加载速率对峰值强度及加载速率对应变等物理力学性态的影响。结果表明,在静态加载速率下,含预制锯齿状结构面类岩石试件的峰值强度与加载速率呈非线性正相关,峰值强度以及对应的应变值与加载速率呈非线性负相关,破坏形式为沿结构面滑动剪切啃断式破坏,锯齿啃断面积基本随应变速率增大而增加。     

含裂隙类岩石试样单轴抗压强度特征及裂纹演化规律

通过研究含复杂裂隙岩体性质,甄别岩体中关键裂隙,进而简化裂隙网络.基于3D打印技术制备含裂隙类岩石试样,利用数字图像相关(DIC)技术和颗粒流软件PFC研究了试样应变场变化、试样内局部应力分布状态和破裂模式.研究结果表明:1)相较于完整试样,含水平裂隙试样的峰值强度降低了20.9%,含垂直裂隙试样的峰值强度仅降低3%左右,水平裂隙对试样的劣化效果更显著;2)水平裂隙中部拉应力远超垂直裂隙端部应力,因此含水平裂隙试样更易且更早产生拉伸裂纹,导致含水平裂隙试样强度低于含垂直裂隙试样强度;3)当十字交叉裂隙中垂直裂隙长度为水平裂隙长度的1~2倍时,十字交叉裂隙中的水平裂隙是控制试样裂纹演化及强度特征的关键裂隙,因此十字交叉裂隙可简化为水平裂隙.     

裂隙倾角对泥质白云岩强度影响试验研究

地下岩体中普遍存在的裂隙是影响岩体拉压性能的重要因素之一。依托贵阳轨道交通工程,采集泥质白云岩,开展劈裂试验和单轴压缩试验,分析了不同裂隙角度对泥质白云岩拉、压性能的影响。结果表明:(1)劈裂试验中,泥质白云岩抗拉强度为3～7 MPa,平均值为5. 03 MPa,抗拉强度随裂隙角度的增大呈下降趋势,劈裂模量为0. 1～2. 84 GPa,整体呈幂函数下降趋势;(2)泥质白云岩的抗压强度较高,分布在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87. 25 MPa;随裂隙角度的增大,试样抗压强度呈先减小后增大趋势;通过理论推导,得出岩体中最易破裂裂隙角度为22. 5°～45°,与试验结果相符;弹性模量随裂隙倾角整体呈上升趋势;(3)通过对泥质白云岩拉压强度对比,得出泥质白云岩抗压强度平均值与抗拉强度平均值之比为18. 97。     

地应力及岩石抗拉强度对双孔爆破的影响

为研究地应力和岩石抗拉强度对爆破效果的影响,本文利用颗粒流程序（PFC2D）开展数值模拟实验,用单孔爆破实验效果验证了模型的合理性。考虑炮孔间的相互影响,从裂纹形态、应力场及能量场三个角度来分析双孔爆破实验结果。结果表明:（1）双孔爆破在地应力为40~60 MPa时裂纹才会受到明显的抑制作用,当地应力小于40 MPa时,随着地应力的提高,平行于炮孔方向的裂纹受到的抑制作用较小,而垂直于炮孔连线方向的裂纹受到抑制作用较大。（2）地应力在0~5 MPa时,摩擦能和动能衰减最严重;地应力在20~40 MPa时,岩体内部应变能峰值最高。（3）抗拉强度每增长10 MPa,裂纹数量会减少约80%,同时,岩石抗拉强度对能量场的影响也较严重。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响

为了探求初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统,研究特定应力条件下裂隙长度、无偏置双裂隙的水平间距和竖直间距对裂隙演化的影响。通过大量的数值试验,再现裂隙的发展演化过程,获得了特定条件下裂隙发展演化的一般规律,并对岩块破坏形态进行了描述。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。     

层状岩体破坏性质试验研究

层状岩体由于其明显的各向异性特点,以及复杂的破坏机制,严重影响了地下工程的安全施工。通过对层状岩石试件进行全应力-应变三轴加载试验来研究层理对其强度特性和变形特征的影响;同时利用弹性小变形理论对复合层状岩体的变形及弹性模量进行了推导计算。试验研究结果表明,由于层理面之间存在不规整现象,水平层理的存在使得岩石强度以及整体弹性模量有所降低,使得在试件破坏时岩层的整体变形量增大。     

岩石与砂浆界面裂缝断裂准则的研究

用杂交元法计算了双材料界面裂缝试件的应力强度因子，采用梁型试件研究了岩石与砂浆界面裂缝的断裂准则．得到了岩石与砂浆界面裂缝临界断裂曲线方程；发现在一定的受力及强度条件下，界面裂缝沿交界面扩展     

复杂地层岩石力学参数实时求取方法——以塔里木盆地巴楚隆起为例

非常规油气、干热岩、超深井等领域的钻完井工程对岩石力学服务的及时性与准确性提出了迫切需求,基于矿物及干酪根等岩石骨架组成成分具有固定的岩石物理及岩石力学特性,通过低成本、低风险、高实时性、高采样率的岩石成分录井技术开展岩石力学参数求取方法研究,以偶极子阵列声波计算岩石力学参数的模型作正演,确定通过矿物计算岩石力学参数的可行性,然后以组成矿物的元素成分直接构建岩石力学参数,并对两种方法进行对比。653个复杂岩性数据点,正演法计算的杨氏弹性模量、泊松比的平均相对误差分别为16.3%、9.8%;直接法计算的杨氏弹性模量、泊松比的平均相对误差分别为10.0%、6.8%。结果表明,通过元素直接构建的岩石力学参数具有更高的精度,在岩性相对简单的地区应用效果更好。     

地下储油岩库围岩力学参数的正交设计

在相同岩性的现场库区内,岩体的物理力学参数随取样位置(深度)的变化具有不同的变化水平,即使在稳定岩层区不同深度岩性参数也有一定的差异。为了在储油岩库设计方案的数值模拟试验中充分体现这些实际特点,根据大量的岩石室内试验结果,采用正交设计试验方法,以岩石的弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角共5个参数作为主要影响因素,选取储油洞库围岩塑性区面积(包括拉破坏区面积)和洞周最大位移值作为试验指标进行了正交试验,通过对正交试验结果进行直观分析,研究了地下储油岩库围岩力学参数的确定方法,给出了参数的最优组合,为解决同类问题建立了计算方法和分析思路。     

水泥土工作机理试验研究

通过室内试验研究了不同水泥掺量、养护龄期对水泥土抗压强度的影响。试验结果表明：随着水泥掺量的增加,水泥土的抗压强度呈增长趋势;随着龄期的增长,水泥土的抗压强度也增大。同时还获得了水泥土材料的应力——应变全过程曲线,并对其进行了分析。     

基于岩体波速的强度参数预测与边坡稳定性评价

为有效利用岩体波速信息快速确定边坡稳定性问题,首先根据国标BQ法(岩体分级标准)提供的岩土体物理力学参数表,建立了由岩体波速估算强度参数的数学关系式,并根据工程实验数据验证了强度参数预测公式的适用性;然后通过数值模拟实验,构建了基于岩体波速的新型岩质边坡稳定性图表;研究发现坡角和坡高等坡形参数对坡体稳定性的影响几乎与岩体质量无关,进而提出坡形影响因子来量化坡形对边坡稳定性的影响程度。分析了标准坡形条件下(坡高25 m,坡角45°),波速与边坡安全系数的关系,发现安全系数随岩体波速的增大而增大,近似呈"S"形变化趋势,通过回归分析建立了标准坡形条件下波速与安全系数的关系式,最终结合坡形影响因子提出一种基于岩体波速预测边坡稳定性的方法,并且通过算例验证了该方法的可行性。