自由边界形状与近边界裂纹相互作用模型研究

大量的研究表明, 岩爆发生条件与岩石的力学性能有关。岩体中微裂纹的形成、扩展和汇合对岩体的力学性能产生显著影响,可以导致材料的逐渐劣化直至破坏。对于单轴压缩的岩石试件,其破坏型式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。基于断裂力学机制,对单轴压缩荷载下3种不同边界形状,即直边、凸形、凹形情况下近边界原生斜裂纹的扩展进行了理论研究,并运用FLAC数值模拟技术,建立了基于Interface界面单元的裂纹扩展数值模型。近直边界及凸形边界情况的裂纹扩展使用梁渐近模型来解析薄片岩层的屈曲断裂问题,对于近凹形边界情况给予简化,提出了裂纹－圆－椭圆相互作用的修正模型并进行理论分析。研究结果表明,基于Interface界面单元的裂纹扩展的数值模型正确,解析解与数值解吻合较好,相应的梁渐近模型及裂纹-圆-椭圆模型可以合理地分析应力调整过程中裂纹的扩展和裂纹与不同洞室表面形状的相互作用问题,为岩爆工程及理论研究提出了新的理论依据。     

抛掷型岩爆震源体能量动态释放机制与几何尺度特征

为了进一步理解岩爆的机制并解释岩爆发生的过程,通过对抛掷型岩爆能量来源、去处及大小的分析,提出了抛掷型岩爆的震源两体模型。抛掷型岩爆本质上是释能体-岩爆体相互作用下岩石裂纹动态扩展和能量快速释放的过程。从岩爆体张拉断裂机制出发,采用脆性内聚裂纹阵列扩展动力学模型分析了裂纹间距与应变率对岩爆体能量释放速率的影响。据此得出释能体对岩爆体的作用可归结为应变率效应,释能体能量释放速率越大,对岩爆体的动态加载速率就越大,使得岩爆体能量释放速率加快。岩爆体破裂能量释放速率越大,作用于释能体的动态卸载速率就越大,又使得释能体的能量释放速率增大,两体相互作用形成的动态加、卸载效应构成了岩爆能量释放的正反馈机制。基于上述理论推导得出岩爆震源体的几何尺度是岩爆体的几倍到几十倍,理论结果与现场实际监测分析基本吻合。     

基于断裂力学的岩爆破坏形迹两级预测方法研究

根据常规的岩爆判据,可以确定岩爆的大致分布区域,但难以得到岩爆的破坏形迹（Damaged Shape of Rockburst,DSR）,为此根据岩爆的特点,推导了裂纹失稳扩展的临界长度和临界应力条件,提出了计算DSR的两级预测方法：通过裂纹失稳扩展时的临界应力,对DSR进行一级预测;在一级预测的DSR范围内加入预设裂纹,进行DSR的二级预测。针对断裂数值模拟方法的缺点,建立了基于扩展有限元（XFEM）模拟裂纹动态扩展的思路,依托ABAQUS平台,建立了XFEM二次开发的分析框架,编制了扩展有限元分析程序,进行了相关的实例验证;结合依托工程嘎隆拉隧道,从岩爆的机制、裂纹的数值仿真等方面开展研究,研究成果对高地应力地下工程的岩爆预测具有一定的参考意义。     

公路隧道通风竖井岩爆机制颗粒流模拟研究

根据工程地质资料分析,岩爆是秦岭公路隧道2号通风竖井施工过程中的主要难题。岩爆机制是指岩爆发生的物理过程,与岩石的颗粒大小、颗粒胶结和粒间孔隙等结构特征密切相关。根据颗粒流基本理论和竖井混合片麻岩的基本力学特性,进行混合片麻岩细观颗粒参数标定研究。颗粒大小不是一个自由参数,通过颗粒流模拟的相似比分析,采用强度折减方法进行竖井岩爆机制的颗粒流模拟。研究表明,岩爆孕育的细观机制为平行于开挖面的微裂纹萌生-微裂纹扩展、聚合-宏观裂纹的形成,为压致张剪断裂破坏,主要是由张拉裂纹扩展、聚合引起的,是一个渐近破坏过程。研究成果为竖井岩爆稳定性分析提供初步依据。     

岩石结构特征对岩爆的影响研究

岩爆是道及地下工程中常见的地质灾害，正确评价岩爆的烈度具有重要意义。以地岩爆烈度的研究侧重于岩爆岩石力学，而忽略了岩石结构特征的影响，从工程地质角度探讨了岩石原颗粒排列及颗粒的连接对岩爆裂度的影响，从断裂撂学角度分析了微裂隙的扩展规律及其对岩爆烈度影响的规律。     

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

锦屏大理岩真三轴岩爆试验的渐进破坏过程研究

为了查明高储能岩体快速卸荷变形破坏机制,设计了锦屏大理岩岩爆试验,对岩爆试件的宏观破坏特征、声发射过程等进行研究。根据以往真三轴岩爆试验特征进行了全程和非全程试验,记录其过程及声发射特征。对比分析两者的宏观破坏特征,解释了岩爆试验的渐进破坏过程。试验结果表明：在大理岩岩爆试验中,岩石试件的宏观破坏是由表及里的;张性裂纹的出现要早于剪切裂纹,剪切裂纹搭接相邻的张性裂纹（或临空面）形成圈闭,圈闭内的岩石碎块出现剥离或以一定初速度弹射;剪切面上岩粉的存在意味着剪切裂纹萌生扩展过程伴随着大量弹性应变能的释放;与其他的岩爆分类和机制相比,岩爆渐进破坏观点能够较好地解释岩爆机制。     

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。     

压缩单裂纹圆孔板(SCDC)岩石动态断裂全过程研究

用大直径分离式霍普金森压杆冲击砂岩的压缩单裂纹圆孔板,成功地监测到Ⅰ型动态断裂的全过程。实验中由裂纹扩展计分别纪录了动态起裂、扩展、止裂、和再起裂时刻,采用分形裂纹扩展模型分析曲折裂纹的扩展速度,最后用实验-数值-解析法确定砂岩的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度以及二次动态起裂韧度。动态断裂全过程的实验结果表明:裂纹扩展路径为不规则曲线,此时裂纹动态扩展速度表征的普适函数值会比假设裂纹路径为直线时小;利用分形模型得到更加接近真实的动态扩展韧度;砂岩的动态起裂韧度大于动态止裂韧度;由于初次动态起裂时的裂纹实为人工切槽,而二次动态起裂时为天然形成的裂纹因而非常尖锐,初次动态起裂韧度略大于二次动态起裂韧度。     

岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型

引述了若干国际权威学者关于岩爆的机制和定义的论述,在此基础上,依据岩爆发生的不同机制,将岩爆分为断层滑移或者剪切断裂所导致的断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型岩爆,并结合事故案例,分析了应变型和滑移型两类岩爆及冲击地压的发生机制和特点。在机制分析的基础上,介绍了岩（煤）柱应变型岩爆和围岩应变型岩爆以及断裂滑移型岩爆定量预测的研究成果,其中,包括作者利用非欧几何模型研究非协调变形影响后对应变型岩爆进行了定量预测和数值模拟的新研究成果。     

岩石细观统计渗流模型研究(Ⅰ): 理论模型

渗流模型是岩石流固耦合研究的一个关键问题。岩石在裂纹开始产生至裂纹充分贯通前，其渗透性质受内部孔隙和不断演化的微裂纹的共同控制。目前，岩石的渗流模型一般只是针对单纯的裂隙（或裂隙网络）或孔隙建立的，因此，不能很好地描述岩石裂纹扩展演化过程中的渗透性质和现象。针对这一问题，提出了岩石细观统计渗流模型，该模型将岩石裂纹演化过程中的渗透性视为一个非线性动态过程，同时，考虑了裂纹扩展演化和孔隙渗流的共同作用。因此，该模型可用于分析岩石裂纹扩展过程中的渗透性演化。     

压剪应力作用下多裂隙岩体的力学特性—断裂损伤演化方程及试验验证

首先对多裂隙岩体的损伤加以定义，在建立裂纹扩展时产生等效次生裂纹模型的基础上，对多裂隙岩体受荷后发生断裂损伤时其演化方程进行探讨，最后通过大型岩体相似模型试验对理论计算结果分析验证，理论计算与试验结果吻合较好。     

准脆性材料断裂模拟方法研究

针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。     

基于3D-ILC含偏心内裂纹半圆弯拉断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉(SCB)试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC（三维激光疲劳内裂纹）技术,分析了表面无任何影响的情况下凭空生成任意参数的纯内裂纹,在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,分析了裂纹生长过程、应力双折射规律、I-II-III型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征,开展数值模拟,得到裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明：（1）基于3D-ILC的SCB内裂纹及I-II-III型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;（2）应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;（3）SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生I-II-III型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;（4）根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、I-II-III型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。     

不同偏置裂纹充填体断裂特性试验

为了研究含缺陷胶结充填体的断裂特性,分别设置了裂纹偏置比为0、0.25、0.50、0.75,缝高比为0.10、0.25、0.50的胶结充填体试件进行三点弯曲试验,利用高速摄像机进行裂纹扩展模式全程捕捉,借助二维颗粒流软件PFC2D对充填体裂纹扩展全程、破断方式及断裂机制进行分析。试验结果表明：相同缝高比下,随着裂纹偏置比的增加,断裂峰值荷载越大;当偏置比一定时,随着缝高比的增加,断裂峰值荷载越小;裂纹偏置比在0、0.25和0.50时,裂纹从偏置处扩展,且随着偏置比的增加,偏折角增大;裂纹偏置比在0.75时,裂纹从中心处扩展;断裂裂纹可分为3个阶段,且呈锯齿状扩展并在发育的过程中不断有碎裂状颗粒产生和脱落。利用二维颗粒流模拟充填体试件的力链网络、速度场及破断方式,结合其宏观力学的试验结果进行对比分析,探讨了细观断裂机制,其断裂时的峰值荷载与试验值相差不超过3.8%。     

细观尺度下岩石沿晶断裂应力强度因子计算研究

大量的细观试验研究发现,岩石破坏主要是裂纹沿着岩石晶体颗粒边界的扩展造成的（沿晶断裂）,裂纹沿弯折晶界的扩展则构成了不同材料边界上翼裂纹的扩展。基于以上细观试验结果,建立奇异单元的有限元模型,通过对节点位移的数值外插法,得到了岩石材料沿晶断裂翼裂纹应力强度因子,并研究了晶粒几何特征和材料非均质性（Dundurs参数）对裂纹扩展的影响。研究表明：在均质情况下,晶粒的几何形状在接近正六边形的情况下最适合裂纹扩展。随着非均质性的增强,各主翼裂纹比和晶粒几何角度所对应的KI值都要较均质模型的结果更高,最大的KI 所对应的晶粒的内角角度也有所增加。综合所有计算结果可以看出,岩石中晶粒的非均质程度越高,越利于岩石破裂。     

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。     

岩爆的动力断裂判据——D判据

本文应用脆性断裂力学中的自持续断裂概念和能量原理，建立了地下洞室岩爆的脆性断裂判据－Ｄ判据，分析和具体列静水应力场中园形洞室的岩爆判据表达式，并将其应用于锦屏水电站引水隧洞的岩爆分析中。     

基于3D-ILC含偏心内裂纹SCB断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉试验(SCB)为该领域经典实验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC技术(对表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的纯内裂纹),在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,对裂纹生长过程、应力双折射规律、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征等进行分析,开展数值模拟,得到裂纹尖端K_Ⅰ,K_Ⅱ,K_Ⅲ分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明:(1)基于3D-ILC的SCB内裂纹及Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;(2)应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;(3)SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;(4)根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。