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组合岩石真三轴加卸荷条件下的破坏机理

中南大学学报（自然科学版） 2021年第8期52卷 2867-2875页

作者：贾蓬杨楠刘冬桥王德超王述红赵永徐雪桐东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

为研究岩层交界面处开挖卸荷诱发岩爆的发生机制,利用RFPA3D并行计算程序对组合岩石开展真三轴加卸载的数值模拟试验,研究不同高度比和不同倾角的组合岩石在真三轴加卸载条件下的破坏演化过程、力学特征以及破坏模式。研究结果表明:岩... 详细信息

为研究岩层交界面处开挖卸荷诱发岩爆的发生机制,利用RFPA3D并行计算程序对组合岩石开展真三轴加卸载的数值模拟试验,研究不同高度比和不同倾角的组合岩石在真三轴加卸载条件下的破坏演化过程、力学特征以及破坏模式。研究结果表明:岩石组合体在真三轴加卸荷下的局部化破坏特征显著,破坏位置与软硬岩石有关。岩石的破坏主要集中在软岩的临空面附近并向硬岩扩展;组合岩石的破坏模式与高度比和组合倾角有关;随软岩高度比增加,由剪张复合型破坏向张剪复合型破坏转变;随倾角增大,岩石剪切滑移破坏显著;组合岩石真三轴加卸载下的峰值强度与软硬岩石高度比和组合倾角有关,受软岩的力学参数影响较大。研究成果可为深入认识岩层交界面处因开挖卸荷诱发的岩石破坏机理提供参考。

关键词：组合岩石高应力岩爆加卸荷真三轴

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加卸荷条件下岩石浆体力学特性的试验研究

加卸荷条件下岩石浆体力学特性的试验研究

作者：彭秋凡安徽理工大学

学位级别：硕士

随着我国矿产资源开发与其他工程的不断发展,将遇到大量的工程开挖问题,如地下煤巷采掘等,这些工程的设计、施工及稳定性控制等都要依据岩体的变形、强度以及破坏等特性。地下工程开挖实际上是一个复杂的加、卸载过程,因此,岩体在开挖... 详细信息

随着我国矿产资源开发与其他工程的不断发展,将遇到大量的工程开挖问题,如地下煤巷采掘等,这些工程的设计、施工及稳定性控制等都要依据岩体的变形、强度以及破坏等特性。地下工程开挖实际上是一个复杂的加、卸载过程,因此,岩体在开挖的过程中处于加荷、卸荷不断变化的应力环境中,岩体与注浆支护后的围岩在加、卸荷不同的应力条件下,将表现出不同的力学特性。本文以祁南煤矿34下采区巷道的注浆支护为研究背景,采用室内试验与理论分析方法,以岩石浆体试件为研究对象,综合考虑其外部应力环境与试件内部特点对其在加卸荷条件下的力学特性及影响因素进行研究。通过系统的单轴压缩与常规三轴压缩试验得出岩石浆体在不同条件下的变形、强度与破坏特征,以及水灰比、粒径对这些力学特性的影响;分别引入峰前与峰后变形性质参数D1、D2对应力应变曲线进行描述。在此基础上对其分别展开三轴卸围压、轴压试验,进一步得出岩石浆体试件在卸荷应力条件下的力学特性及其影响因素;并对三轴与卸围压试验条件下的应力应变曲线进行分析,然后采用分段方法对其不同段的应力-应变关系进行描述。

关键词：岩石浆体加卸荷力学特性影响因素

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加卸荷条件下岩石相似材料力学特性研究

加卸荷条件下岩石相似材料力学特性研究

作者：余洋先昆明理工大学

学位级别：硕士

在矿山深部施工和开采的过程中,由于开挖卸荷的作用使岩石内部高地应力所聚集的能量释放,使开挖的巷道发生失稳破坏,在极端情况下,大量的弹性能以动能的形式瞬间释放,导致岩体爆裂,并伴随着岩块的弹射,产生岩爆。本文通过设计正交试验... 详细信息

在矿山深部施工和开采的过程中,由于开挖卸荷的作用使岩石内部高地应力所聚集的能量释放,使开挖的巷道发生失稳破坏,在极端情况下,大量的弹性能以动能的形式瞬间释放,导致岩体爆裂,并伴随着岩块的弹射,产生岩爆。本文通过设计正交试验、极差分析以及线性和非线性回归等综合手段研制了岩石相似材料,并进行了相似模拟材料真三轴加卸荷试验,以此分析了其强度、变形、破坏等特征;研究了不同三向应力环境下岩石内部裂纹的萌发和扩展过程以及声发射的分布规律。本文取得的研究成果主要如下:(1)通过设计正交试验和极差分析,分析了相似材料混合物各指标因素对相似材料的力学参数的影响程度。结果表明:掺砂率对试件的单轴抗压强度最大;硼砂含量对试件的抗拉强度、弹性模量影响最为显著;其他因素,例如石膏水泥比、掺水率等对相似试件的力学参数也有一定的影响。(2)通过将相似材料的配比作为自变量,相似材料的各力学参数作为因变量,建立相似材料力学参数多元线性回归和投影寻踪非线性拟合预测模型。结果表明:相似材料的配比与力学参数之间存在显著的非线性关系,而投影寻踪回归模型对这种非线性关系的处理能力较线性回归模型强,能够满足对特定相似材料力学参数的制作需要。(3)通过分析在卸荷过程中初始应力水平对岩石应变和强度的影响。结果表明:a)试件的三向应变均会发生不同程度蠕变现象,且蠕变的程度随初始应力水平的增加而增大;b)在卸去最小主应力后,最小主应变会发生剧烈的回撤现象,试件在卸荷面释放了大量前期储存的弹性能;c)灰岩和白云岩相似试件在真三轴加卸荷条件下,试件的峰值强度随三向初始应力水平的增加而增大。(4)通过对加卸荷过程中弹性模量和应力脆性特征的处理分析了不同初始应力水平对岩石弹塑性和脆性的影响,结果表明:a)在三向初始应力加载过程中,弹性模量总体随最大主应力的增加而增大;b)在开挖卸荷后,随着最大主应力的逐步增大,灰岩的延性增加,发生突发性破坏的可能性减小,即岩爆倾向较小;白云岩的脆性增加,发生突发性破坏可能性增大,岩爆发生的机率增大。(5)通过对试件在卸荷与峰值强度时的声发射数量之比、声发射RA值、试件破坏时的宏观形态特征等分析,分别研究了卸荷对灰岩和白云岩两种岩石的损伤程度和破坏形式。结果表明:a)在不同初始应力条件下,随着三向初始应力的增大,卸荷作用对灰岩损伤在增强,对白云岩的损伤作用在减弱;b)对于灰岩的相似试件,随着初始应力的增加,张拉裂纹数量增多,试件破坏以劈裂形式为主。c)白云岩相似试件随着初始应力场的逐步升高,破坏形式具有明显的从劈裂至剪切破坏演化特征,表明初始应力场会对试件拉伸和剪切的极限值有重要的影响。

关键词：岩石相似材料加卸荷真三轴试验力学特征失稳破坏

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加卸荷扰动下黄土包气带孔隙水运移规律研究

加卸荷扰动下黄土包气带孔隙水运移规律研究

作者：毛兴隆长安大学

学位级别：硕士

工程建设中基坑开挖、地基处理、边坡防护以及矿产资源开采活动等都涉及到加卸荷作用下岩土体的变形和渗流耦合问题。在早期非饱和带研究中,通常只考虑非饱和带水气二相中单相的水流运动,有意忽略固体的变形,只考虑液相的运移和变化。... 详细信息

工程建设中基坑开挖、地基处理、边坡防护以及矿产资源开采活动等都涉及到加卸荷作用下岩土体的变形和渗流耦合问题。在早期非饱和带研究中,通常只考虑非饱和带水气二相中单相的水流运动,有意忽略固体的变形,只考虑液相的运移和变化。随着研究的进步和发展,在考虑加卸荷作用下非饱和带的孔隙流体的运移规律研究中,人们开始考虑固相变形对孔隙大小的单向影响,或者渗流引起的孔隙水压力和土体骨架受力的变化,以阐明土体的应力应变和渗流之间双向的影响机理。该议题既是水文地质界学者正在努力的一个重要课题,也是本文研究的主要议题,以期为生产建设提供科学参考。本文选用黄土作为研究对象,开展非饱和土的流固耦合问题研究。从非饱和土变形、液相渗流两方面,分别梳理了其控制方程、本构关系和边界条件,分析了二者的耦合关系,并设置了不同荷载和降水激励下的土体应力场和流场的模拟实验,得出如下结论:1.分析了非饱和黄土流固耦合机制,阐释了流场的状态变量变化对固体骨架物理性质的影响机制和应力场的状态变量变化对液相迁移相关的液-固互态物理性质的影响机制。给出了残余含水率、饱和含水率以及土水特征曲线参数与应力/变形经验关系,以及邓肯-张模型中杨氏模量、体积模量和极限偏应力等物性参数与非饱和黄土含水率的经验关系。2.非饱和黄土的应力应变与荷载的大小直接相关,其中,变形和孔隙比的变化存在滞后性,且与荷载持续时间有关。主应力与埋深呈线性相关关系,变形和孔隙比与埋深呈非线性相关关系。荷载通过影响液-固互态物理性质影响渗流过程,在模拟的荷载范围内和模型试验条件下表现为荷载值越大,压力水头向正压发展速度更快,含水率向饱和含水率发展速度也更快,并且压力水头剖面和含水率剖面的变化存在滞后性。3.荷载减小会引起土体发生回弹变形,主要表现为变形的减小和孔隙比的增大。其对渗流的影响是两方面的,一方面土体内渗流通道的直径增大,阻力减小。另一方面,导致相同初始含水率不同压力下的土体内液相饱和度的减小,非饱和条件下孔隙水的连通性变弱。4.通过分析降水和荷载激励下的固相主应力、变形、孔隙比以及液相压力水头和含水率变化规律可知,主应力与降水强度无关,降水强度增大会弱化土体骨架的物理力学性能,从而导致在相同的荷载条件下土体骨架的变形增大、孔隙比减小。在降水强度增大条件下,土体内压力水头和含水率的变化速率加快的原因还应当包括荷载作用对液固二相互态的物理性质产生的影响。5.当降水强度历时曲线为先增后减型时在降水过程的后期,降水强度较小或停止之后,土体上部的压力水头和含水率降低,这是由于上边界补给水量小于向下排泄水量导致的。渗流状态的改变也通过孔隙水压力的变化影响了应力场,孔隙水压力减小,土体骨架应力随之增大,变形增大。

关键词：非饱和黄土加卸荷应力应变渗流固液耦合数值模拟

加卸荷应力路径下大理岩变形破坏过程声发射特征与本构模型研究

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加卸荷应力路径下大理岩变形破坏过程声发射特征与本构模型研究

作者：任明远青岛理工大学

学位级别：硕士

岩体在形成过程和漫长的地质作用下具有初始损伤，是一种典型的非均质材料。地下工程开挖使岩体处于复杂的加卸荷受力状态下，内部损伤不断累积，微裂隙不断扩展、积聚，并最终贯通，岩体发生宏观破坏。加卸荷路径下岩石破坏机理、破坏... 详细信息

岩体在形成过程和漫长的地质作用下具有初始损伤，是一种典型的非均质材料。地下工程开挖使岩体处于复杂的加卸荷受力状态下，内部损伤不断累积，微裂隙不断扩展、积聚，并最终贯通，岩体发生宏观破坏。加卸荷路径下岩石破坏机理、破坏前兆信息的研究，对岩体工程设计有重要的指导意义。本文开展大理岩加卸荷破坏试验，分析了不同加卸荷应力路径下大理岩变形破坏各阶段应力特征，初步探索了岩石破坏前兆的声发射参数变化，建立了损伤本构模型。论文主要内容如下： (1)基于大理岩常规三轴加荷与卸荷试验结果，分析加卸荷应力路径下大理岩破坏过程各阶段特征应力及剪胀角ψ在变形破坏过程中的变化规律。相同卸荷速率条件下，压密应力对应的环向应变、体积应变随围压的增大而减小，起裂应力及扩容应力随围压增大而增大，加卸荷应力路径下扩容应力对应的环向应变均稳定在(-0.0004±0.0001)范围内。大理岩卸荷破坏的剪胀角在卸围压后先迅速增大，后缓慢降低并保持不变，常规三轴压缩破坏的剪胀角呈单调递增趋势。 (2)采用极点对称模态分解方法(ESMD)对大理岩卸围压破坏的声发射数据进行去噪处理，分析大理岩加卸荷破坏全过程中的声发射变化特征。声发射时频变化呈现波动特征，峰值强度前频率出现突增，临近峰值强度时频率明显降低。声发射分形维数呈现阶段性变化，先增大后减小，在应力达到峰值强度的80%附近出现陡增，破坏时分形维数又出现大幅降低。频率变化特征与分形维的变化规律具有对应关系，声发射频率突然上升且分形维数陡增可认为是岩石破坏前兆。 (3)大理岩加卸荷破坏的初始屈服面和后继屈服面均符合Mogi-Coulomb函数形式，峰值强度前黏聚力c随塑性参数ps的增大而减小，内摩擦角随塑性参数ps的增大而增大。分别采用传统计算模型与考虑黏结弱化-摩擦强化现象模型对某隧洞开挖进行模拟分析，发现传统模型得到的隧道围岩变形、应力与塑性区发展规律偏于保守。利用声发射振铃计数率定义损伤变量，考虑围压对弹性模量的影响，建立考虑围压效应的岩石损伤破坏本构模型，模型对常规三轴和卸荷破坏过程的试验数据拟合较好。

关键词：大理岩加卸荷特征应力声发射本构方程

加卸荷后含铜矽卡岩受冲击扰动时的力学特性及本构模型

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加卸荷后含铜矽卡岩受冲击扰动时的力学特性及本构模型

作者：张攀龙河南理工大学

学位级别：硕士

深部矿岩体爆破开挖时面临着原岩应力、频繁开挖卸荷、爆破扰动的影响,以冬瓜山铜矿井下900m深处出矿进路附近的含铜矽卡岩为研究对象,采用密度、卸载速率、预加轴压、冲击气压不同的方法表征岩石含金属矿物量不同,模拟开挖时卸载速率... 详细信息

深部矿岩体爆破开挖时面临着原岩应力、频繁开挖卸荷、爆破扰动的影响,以冬瓜山铜矿井下900m深处出矿进路附近的含铜矽卡岩为研究对象,采用密度、卸载速率、预加轴压、冲击气压不同的方法表征岩石含金属矿物量不同,模拟开挖时卸载速率、原岩应力及爆破扰动强度不同,利用SHPB加载试验装置开展加卸荷后含铜矽卡岩受冲击扰动时的试验研究。主要结论如下:(1)试验获取的应力-应变曲线具有阶段性特征,两个阶段便可体现一个循环的完整过程,即加卸载阶段仅产生压密变形及弹性变形,冲击加载阶段却先后经历弹性变形、塑性变形及最终宏观破坏历程。(2)导致含铜矽卡岩发生宏观破坏的主要因素为冲击气压,并且以拉伸破坏为主,压剪破坏和摩擦性破坏为辅;推演了加卸载阶段和冲击阶段对应的损伤变量,并且各阶段损伤变量-应变曲线总体呈S型趋势发展,符合含铜矽卡岩各阶段的损伤历程。(3)在一定的合理范围内含铜量、石英砂粒径、水灰比及灰砂比这四种影响因素对提高人工岩样的抗压强度起到决定性作用。(4)基于“应变等效”等原理,分阶段建立了加卸荷后受冲击扰动时含铜矽卡岩的损伤本构模型,并结合试验数据对推导的本构方程展开了验证,结果表明各阶段的理论应力-应变曲线与试验应力-应变曲线具有较好的一致性,说明分阶段建立的损伤本构模型是合理的,用于预判加卸荷后受冲击扰动试验中含铜矽卡岩应力与应变之间的关系。图39幅,表23个,参考文献60篇。

关键词：含铜矽卡岩加卸荷冲击扰动宏观破坏损伤本构模型

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安阳膨胀岩重塑样三轴加卸荷试验研究

中国农村水利水电 2012年第11期 80-83,92页

作者：董艳华程壮赵二平三峡大学水利与环境学院湖北宜昌443002 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 三峡大学土木与建筑学院湖北宜昌443002

对取自河南安阳不同深度处的膨胀岩重塑样进行了三轴加载和卸荷试验。结果表明:加载过程中,随着围压的增大,试样的应力应变曲线形态由应变软化型逐渐向应变硬化型转变,峰值强度以及残余强度随围压的增加呈线性增大。不同卸荷量卸荷时,... 详细信息

对取自河南安阳不同深度处的膨胀岩重塑样进行了三轴加载和卸荷试验。结果表明:加载过程中,随着围压的增大,试样的应力应变曲线形态由应变软化型逐渐向应变硬化型转变,峰值强度以及残余强度随围压的增加呈线性增大。不同卸荷量卸荷时,试样的残余强度与卸荷量呈线性正相关,相关系数在0.9左右;峰值强度和弹性模量Eur与卸荷量呈线性负相关,相关系数在0.95左右。循环加卸荷过程中,试样表现出明显的应变软化性质,试样弹性模量Eur随着循环加卸荷次数的增加而增大,且增加幅度越来越小,最终增加幅度趋近于0,稳定弹性模量Eur比初始弹模增加10%左右。因此,在膨胀岩渠道开挖、蓄水及水位降落时,应该考虑其对膨胀岩渠道稳定性的影响。

关键词：膨胀岩重塑样加卸荷强度弹性模量

不同加卸荷应力路径下大理岩破坏过程的能量演化机制与本构模型研究

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不同加卸荷应力路径下大理岩破坏过程的能量演化机制与本构模型研...

作者：高速青岛理工大学

学位级别：硕士

地下工程开挖是一个极其复杂的加卸荷受力过程，而岩体在加卸荷不同应力路径条件下的变形特征、强度特性及破坏机制存在明显差异。对不同应力路径下岩石变形破坏性质的研究，对补充完善岩石力学理论和指导工程设计、施工有着重要的理论... 详细信息

地下工程开挖是一个极其复杂的加卸荷受力过程，而岩体在加卸荷不同应力路径条件下的变形特征、强度特性及破坏机制存在明显差异。对不同应力路径下岩石变形破坏性质的研究，对补充完善岩石力学理论和指导工程设计、施工有着重要的理论和工程意义。本文开展了不同应力路径条件下的大理岩加卸荷破坏试验研究，从能量变化角度分析了不同应力路径下大理岩的破坏机制，给出了大理岩变性破坏过程的能量非线性演化模型。论文主要取得了下列研究成果：（1）通过完整大理岩岩样加卸荷试验，揭示了加卸荷条件下岩石变形、破坏特征与强度参数变化规律。岩样加荷破坏弹性阶段轴向变形起主导作用，屈服开始后环向变形快速增加;加荷破坏大理岩起裂应力随围压升高向峰值强度逐渐靠近，围压延迟了岩石的破坏;卸荷破坏岩样的峰值强度随着卸荷速率的增加逐渐减小，随着卸荷初始围压的升高逐渐增大，环向变形和体积变形对慢速卸荷比快速卸荷更敏感。（2）根据广义塑性力学理论，利用试验数据构建了大理岩加卸荷变形过程的屈服面，保证了屈服函数的唯一性和准确性。大理岩加荷破坏过程的剪切屈服面为直线形式，卸荷破坏剪切屈服面分为卸荷前的直线形式和卸围压过程的二次抛物线形式，加荷破坏体积屈服面分为压缩和剪胀两段直线形式，卸荷破坏体积屈服面分为卸荷前的直线形式和卸荷后的二次抛物线形式。（3）根据大理岩变形破坏过程的能量演化曲线，可以将大理岩卸荷破坏分为四个阶段：压密阶段、弹性阶段、裂纹扩展阶段和峰后破坏阶段。到达屈服点前，岩样吸收的能量大部分以弹性能形式存储于岩样内部;屈服点后到峰前的非线性变形阶段，弹性能增速缓慢，而耗散能的增速变大;到达峰值强度时，岩样内部存储的弹性能达到储能极限，弹性能瞬间释放，耗散能快速升高。常规三轴的储能极限高于单轴压缩，而峰前卸围压的储能极限低于常规三轴压缩;随着卸荷速率增快，大理岩吸收总能量变化率、弹性能变化率和耗散能变化率都呈减小趋势;卸荷速率越快，卸荷破坏需要的能量增量越小，在较小的能量增加下就会发生破坏;岩石破坏的驱动能量（存储的可释放弹性能）主要是在卸荷之前的加荷过程积聚的，加荷过程存储的能量对岩石卸荷破坏起到决定作用。（4）根据大理岩变形破坏过程的能量演化特征，结合生态学的竞争机制，构建了大理岩破坏过程的能量积聚演化模型。根据能量模型中的能量迭代增长因子与轴向应变的变化关系，提出了不同应力路径下岩石破坏的起裂预警应变值，单轴压缩为峰值应变的77%左右，常规三轴为峰值应变的72%6%之间，卸荷试验为峰值应变的72%1%之间。

关键词：加卸荷屈服函数能量特征能量演化模型

基于颗粒流裂隙岩体加卸荷宏细观力学特性研究

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基于颗粒流裂隙岩体加卸荷宏细观力学特性研究

作者：冯明明安徽理工大学

学位级别：硕士

工程的建设首先要进行开挖,开挖实际上是一个复杂的加、卸载过程。近年来对岩体加卸荷宏观力学特性、变形特征、本构方程以及破裂机理已采用多种方法进行了大量的研究,取得了令人满意的结果。但从细观角度研究岩体加卸荷的破裂机理方面... 详细信息

工程的建设首先要进行开挖,开挖实际上是一个复杂的加、卸载过程。近年来对岩体加卸荷宏观力学特性、变形特征、本构方程以及破裂机理已采用多种方法进行了大量的研究,取得了令人满意的结果。但从细观角度研究岩体加卸荷的破裂机理方面才刚刚起步。因此、本文先通过相似材料(砂浆)模拟脆性砂岩,以室内单轴压缩试验标定PFC2D细观参数为基础,通过自编FISH函数完成数值模型的预制裂隙,通过自编程序实现试样加卸载数值模拟试验。在宏观上对模拟的力学特性、变形特征等展开分析,在细观上从微裂纹扩展、细观力场、位移场、能量场等展开分析,并从破裂时间、破裂模式、破裂机理等方面对模拟加卸载试验进行了一定的对比分析。为认识加卸荷条件下的岩体失稳破裂宏细观机理提供一定的依据。通过本文的以上研究工作,得到了一些有益的结论,主要取得以下初步研究成果。***细观与宏观联系方面:在外力作用下促使试件内部颗粒运动、颗粒运动致使颗粒间接触力大于平行粘结强度,平行粘结断裂产生微裂纹,微裂纹产生扩展又使得应力随应变发生变化。具体来说,当微裂纹数目曲线发生一次较显著的上升时,应力-应变曲线就对应一次较显著的跌落;2.基于PFC能量方面:不同应力路径、不同倾角裂隙试样的细观能量消耗规律基本相似,但量值上有明显的区别,显然双轴压缩时试件吸收的能量(边界功)最多,也造成双轴压缩时相应的其他能量也较多。笔者通过对不同应力路径和不同倾角裂隙之间能量对比发现,总应变能-应变曲线与应力-应变曲线保持高度的吻合性,由于摩擦能主要有颗粒间断裂后滑动产生的,故摩擦能与裂纹数目保持高度的吻合性;3.基于PFC模拟卸荷破裂机理方面:通过对比双轴压缩时和卸荷时剪切裂纹与张拉裂纹的比值发现,突然卸荷时试件内剪切裂纹与张拉裂纹比值极具下降到某值,即突然产生大量张拉裂纹,发生拉伸破坏、之后剪切裂纹与张拉裂纹比值稳定于某值,即试件发生拉剪组合破坏。

关键词：颗粒流裂隙岩体加卸荷微裂纹扩展能量场细观力链颗粒位移场