岩石裂纹水力劈裂分析与临界水压计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水或高压隧洞洞周岩体开裂渗漏的重要因素之一,对其破坏机理研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合断裂及压剪复合断裂。应用工程近似裂纹失稳准则,分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹方向及地应力侧压系数变化规律进行分析。结果表明,当侧压力系数等于1.0时,临界水压并不随裂纹的方向而变化;在拉剪复合断裂模式下,裂纹与主应力方向平行时最易发生水力劈裂;在压剪复合断裂模式下,当压剪断裂参数与裂纹面间摩擦系数之差大于零时,其规律性与拉剪复合断裂模式基本一致;但当其差值小于零时,裂纹与最大主应力夹角呈45°及135°时最易发生水力劈裂。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

压剪应力状态下岩石复合型断裂判据的研究

考虑岩石闭合裂纹壁面间存在的摩擦力对裂纹尖端应力场的影响,应用最大周向应力理论得到压剪复合裂纹的断裂角。在此基础上,依据岩石裂纹尖端双向受力时的破坏特征,结合最大周向应力准则与修正的格里菲斯（Griffith）强度理论,建立了考虑摩擦效应的闭合裂纹失稳扩展的岩石压剪断裂判据。研究结果表明：断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹壁面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响;当压剪裂纹的断裂角是某个定值时,纯II型裂纹的断裂韧度与纯I型裂纹的断裂韧度的比值只与岩石裂纹表面的摩擦系数取值有关,而与其他岩石力学参数无关。此研究成果可为压剪应力作用下裂隙岩体的失稳破坏提供参考。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

考虑裂隙水压力的岩体压剪裂纹扩展规律研究

在库水位大幅度升、降变化时,容易导致岩体内增量裂隙压力的集中,使断裂面上有效应力降低,裂纹面尖端的应力强度因子增加。当达到临界强度因子时,可能使岩体内裂纹、裂隙贯通、扩展,形成连续的复式破坏面,从而使边坡稳定性降低,造成边坡的失稳。基于此,从断裂力学角度分析了裂隙水压力对裂纹强度因子的影响,对考虑裂隙水压力作用的Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹扩展规律进行了研究,结果表明：Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹的裂纹扩展角的变化,不仅与裂纹的闭合程度、斜裂纹倾角、双向应力大小有关,还与裂隙水压力的大小、裂纹面的摩擦系数有关;并且在相同情况下,未闭合裂纹的扩展角要大于闭合裂纹的扩展角;对于闭合裂纹,裂纹面摩擦系数越小,扩展角越大;最后,推导了基于摩尔-库仑准则考虑裂隙水压力的岩体断裂韧度KIc、KIIc和压剪状态下Ⅰ、Ⅱ型复合断裂判据。研究成果为分析水岩作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了重要的参考。     

非贯通单节理岩体裂纹扩展方向研究

裂纹扩展方向的确定对分析岩桥破坏机制和岩体抗剪强度参数具有重要意义。首先以断裂力学观点推导了复杂应力条件下裂纹尖端应力分布函数的表达式,以节理岩体尖端的扩展裂纹可分为张拉裂纹和剪切裂纹为前提,基于Griffith破坏判据,提出了张拉裂纹扩展方向(张裂角)的计算公式;基于Mohr-Coulomb判据,提出了剪裂纹扩展方向(剪裂角)的计算公式。通过新判据与试验和其他判据的结果对比表明,该判据能准确判断张拉裂纹扩展方向,而剪裂角的扩展方向有待进一步试验验证。分析表明:在单向拉应力作用下,张裂纹扩展方向均有偏向于最大主应力方向的趋势,张裂纹与最大主应力夹角小于15°;双向拉应力作用下,随着微裂纹倾角变大,张裂纹有远离最大主应力方向的趋势;单轴压缩作用下,张裂角随裂纹倾角的增加而减小,而两者的和为先减小后增加。      

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

加锚贯通节理岩体宏细观剪切破坏特性

为了研究加锚贯通节理岩体的剪切破坏特性,根据室内实验及数值模拟软件PFC2D,分析了不同法向应力及不同锚固角度作用下,加锚贯通节理岩体的抗剪性能及内部细观裂纹的演变过程。研究表明:（1）随着锚固倾角的增加,加锚节理岩体抗剪强度呈现先增大后减小的趋势,且在锚固角度为60°时,其抗剪强度最大,锚固效果最好。随着法向应力越大,加锚节理岩体抗剪强度越高,其抗剪性能越好。（2）随着剪切位移的不断增加,由初期阶段在锚杆和节理附近产生的少量裂纹通过不断的向外扩展,最终在锚杆和节理交界处聚集了大量的裂纹,其中裂纹以张拉裂纹为主。（3）锚固角度及法向应力对裂纹扩展影响显著,随着法向应力的增加,裂纹数也呈现了增加的趋势,且岩体破坏越严重。随着锚固角度的变化,加锚节理岩体破坏时形成的裂纹数量有先减小后增大的趋势,且在锚固角度为60°时,产生的裂纹最少。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

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。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

绿泥石片岩各向异性特性研究

为研究十堰地区片岩的各向异性特性,开展了武当群绿泥石片岩长方体试样的单轴压缩和圆盘试样的间接拉伸试验,探讨了试样各向异性的力学特性和在不同受力状态下的变形破裂特性,揭示了不同变形破裂的力学机制。研究表明,武当群绿泥石片岩具有明显的各向异性性质,平行片理方向强度高,垂直片理方向强度低。该片岩特殊的定向排列片束状构造和片理间的弱胶结作用,致使不同方向上的破坏特征具有明显差异,其力学机制也不相同。在压应力作用下,泊松效应容易引起平行片理面的张拉劈裂和压杆失稳,垂直片理方向容易发生片理面间的剪切破坏。在同一方向上强度具有一致性,即平行片理面抗压和抗拉强度均较垂直片理面强度大。由于片理面间的抗拉承载力极低,在小角度劈裂荷载下,容易发生张拉劈裂和拉剪破坏,因此,实际工程中应尽可能避免片理面间的受拉破坏和沿片理的拉剪破坏。研究结果可以为隧道、边坡支护加固和防水处理提供参考。     

拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

水力压裂扩展特性的数值模拟研究

采用ABAQUS建立了水力压裂计算模型,模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论：（1）在注入压力一定的情况下起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比,而与压裂液黏度、最大水平地应力、弹性模量无关;（2）裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比,而与最大水平地应力无关;（3）水力压裂作业中,缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。研究结论对于水力压裂作业优化具有参考价值。     

煤岩水力压裂裂缝扩展形态试验研究

通过室内水力压裂物理模拟试验系统,对大尺寸原煤进行了水力压裂模拟试验,根据水力裂缝的空间展布形态分析了煤岩储层水力裂缝的延伸规律,揭示了网状裂缝的形成机制。结果表明：水力裂缝易在弱层理处分叉和转向,发育的层理和裂缝系统等结构面为压裂形成裂缝网络提供了前提条件。泵压曲线呈现出的频繁波动是煤岩内产生网状裂缝的一个显著特征。水力裂缝的起裂与延伸有4种基本模式,裂缝网络的形成多为这4种基本模式的组合。地应力差异系数和泵注排量对煤层水力裂缝形态有较大影响。较小的地应力差异系数更利于网状裂缝的形成;较高的压裂液排量易形成相对简单的裂缝形态,导致压裂改造效果较差。该试验方法和试验结果可为现场水力压裂参数设计和优化提供参考和依据。