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。     

单轴压缩下含倾斜单裂纹砂岩试件裂纹扩展量测研究

选用砂岩作为试验材料,进行不同倾斜角度单预制裂纹的单轴压缩试验研究,透过裂纹扩展量测技术以及配合相关断裂准则,得到：(1) 理论与实验的裂纹起裂角随裂纹倾斜角增加而增大;(2) 透过相关断裂准则,砂岩试件在裂纹尖端产生反翼裂纹是因为剪力破坏;(3) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹扩展受单裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹不易起裂;当裂纹倾斜角较大时,裂纹起裂比较容易;(4) 在单轴压缩作用下砂岩试件则受单预制裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹扩展属于非稳定扩展;当裂纹倾斜角较大时,裂纹扩展属于稳定扩展;(5) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹尖端A侧与裂纹尖端 B侧的裂纹扩展平均速度随裂纹倾斜角增加而降低。     

盐岩三轴压缩破坏与声波声发射特征试验研究

利用岩石声波-声发射一体化测试系统与应力加载装置,系统地研究了三轴压缩试验中盐岩的变形破坏特征与声波声发射活动规律。结果表明：（1）三轴加载试验中,盐岩的破坏过程分为压密与弹性压缩阶段、裂纹产生与稳定增长阶段、裂纹加速增长阶段和应变硬化阶段。阶段Ⅰ中,盐岩纵横波波速略微上升,并伴随少量的声发射事件;阶段Ⅱ中,盐岩的声发射活动开始活跃,超声波波速稳定;阶段Ⅲ和阶段Ⅳ中,岩石的声发射事件数量大幅度上升,纵波波速保持稳定,横波波速呈现明显地下降趋势。（2）盐岩的声波与声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,受载盐岩破坏过程中的波速变化率越大;围压水平越高,盐岩超声波波速变化率越小。根据对试验数据的分析,当盐岩轴向应变达到10%,围压条件为5、10、15、20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为16 271、8 764、3 041、906个,围压对盐岩破坏过程的声发射活动有较大的影响,显示了围压致密效应。     

修正应变能密度因子准则及岩石裂纹扩展研究

由应变能密度因子理论得出裂纹沿着形状改变比能密度因子最小的方向扩展,但理论中所使用的应力强度因子是在拉应力作用下计算得出的,而自然界中的岩体通常处于压应力场中。因此,在修正的应变能密度因子理论的基础上,结合压缩荷载作用下的裂纹尖端应力强度因子,并考虑裂纹面之间的摩擦作用得出了针对压缩荷载作用下的岩石裂纹扩展的应变能密度因子理论,并运用该理论分析了裂纹倾角、围压以及裂面摩擦力对破裂角的影响,将分析结果与已有的试验和数值分析结果进行比较,取得了良好的一致性。分析得出,在单轴压缩荷载作用下临界破裂荷载随着裂纹倾角的增大而先减小、后增大,并且一个裂纹倾角对应多个破裂角,即裂纹朝多个方向发展;在三轴压缩荷载作用下,破裂角与围压大小有关。此研究成果可为压应力场中岩石裂纹扩展的数值模拟提供参考。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

类岩石材料三维裂纹传播规律试验研究

对含有预制三维裂纹的脆性类岩石材料进行了单轴加载试验,结合声发射实时监测及静态CT检测技术,研究三维裂纹声发射特征及传播破裂规律。试验结果表明:试件单轴强度、起裂强度、起裂位移随裂纹深度增加而减小,对于深裂纹试件,剪切裂纹与次生裂纹的传播扩展是试件破坏失稳的关键,破坏形式以剪切破坏为主,并出现沿裂纹延伸方向的横向破断;Ⅰ型破坏起裂导致应力-应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,破裂后回落到峰前水平,裂纹稳定传播,Ⅱ型破裂起裂能量为Ⅰ型破裂的8~10倍,起裂后AE信号突变式增长;试件内部拉伸裂纹以裂纹中心线为对称轴向两端传播,整体形成反对称向外扩展花瓣形结构,半圆形部分拉伸裂纹起裂角度随着裂纹深度的增加而增大,剪切裂纹、次生裂纹大量发育,预制裂纹尖灭后形成了沿预制裂纹方向横向剪切裂纹面。     

单轴压缩下两类脆性岩石声发射特征试验研究

本文主要研究花岗岩和砂岩两种脆性岩石的详细声发射特征。通过对花岗岩和砂岩样品进行单轴压缩试验,并在试验过程中监测样品破裂全程的声发射信号。对试验结果的分析包含了力学特性分析和声发射特性分析,声发射特性分析使用了多种参数:累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值。研究主要获得了如下结果:（1）获取了岩石样品的变形参数与强度参数,并分析了其离散性;（2）岩石样品内部颗粒的胶结强度与结构的均匀性对累积声发射计数、累积声发射能量的影响;（3）需要通过进一步试验研究来确认采用AF和RA值来区分岩石类材料张拉和剪切裂纹模式的合理性及其阈值;（4）砂岩样品在接近破坏时,微裂缝活动仍然占据主导地位。文章对脆性岩石样品在单轴压缩条件下的力学特性和声发射特性进行了详尽细致的分析,发现了单轴压缩条件下脆性岩石的一些重要特性,为进一步的试验研究工作提供了基础。     

模拟岩石压剪状态下主次裂纹萌生开裂的扩展有限元法

压剪应力状态下,岩石类材料中常见两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生压剪裂纹。基于扩展有限元方法（XFEM）,提出了模拟压剪裂纹面作用机制的扩展有限元位移增强方案,并给出了扩展有限元法分叉裂纹处理方法,分别用最大周向拉应力准则和Mohr-Coulomb准则判断张拉裂纹和压剪裂纹的萌生和扩展。基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem 2D,通过两个算例对所提方案进行了验证,所得结果与有限元法（FEM）计算结果吻合很好。模拟了单轴压缩载荷下含预制闭合裂纹试件的裂纹分叉、扩展过程,与试验结果的对比表明,所提方案可以模拟和预测岩石类材料张拉、压剪交互分叉裂纹的萌生和扩展行为。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先埘破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α埘岩石的应应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σed、峰值强度矿σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表嘶裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,顶制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂办式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩休的轴向应力-横向应变向应变典线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

单轴压缩荷载下闭合裂纹扩展的试验和数值研究

岩体内部存在大量的裂隙,由于填充物的存在,在大多数情况下裂纹面是闭合的,受外力作用时会产生摩擦力,进而会影响到岩体裂隙的起裂模式和扩展行为。因此,为了研究闭合裂纹的起裂模式和扩展行为,用类岩石材料PMMA有机玻璃板制成含有闭合裂纹的预裂试样,在试样上进行单轴压缩试验,用数字图像相关系统（digital image correlation,简称DIC）记录并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征。另外,使用扩展有限元法（extended finite element method,简称XFEM）来模拟闭合裂纹的萌生和扩展,通过模拟得到了含闭合裂纹试样的破坏过程,并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征,与试验结果吻合良好,验证了数值模拟的有效性。在此基础上,引入裂纹倾角和裂纹面摩擦系数为变量,模拟研究了其对闭合裂纹起裂和扩展行为的作用机制。研究结果表明,裂纹闭合条件下产生的裂纹为翼型张拉裂纹。裂纹倾角和裂纹面摩擦系数对闭合裂纹的起裂模式和扩展行为有较大影响,裂纹倾角越大,起裂角越大;相反,裂纹面摩擦系数越大,起裂角越小。另外,裂纹面摩擦系数会对闭合裂纹的扩展产生抑制作用,且随着摩擦系数不断增大,抑制作用...     

三维裂纹布置角度对砂浆材料强度的影响

利用伺服控制试验系统及声发射设备对含有单椭圆裂纹的非均质砂浆材料进行物理试验,获得了单轴加载作用下不同布置角度的三维内部裂纹试样的全应力-应变曲线和声发射数据。找到了声发射数据与应力-应变曲线的对应关系。根据对应关系,判断出试样的起裂应力及破坏应力。分析了裂纹布置角度对材料强度的影响,分析表明：裂纹与加载方向为45º夹角时最难破坏,与加载方向成60º夹角时最容易破坏。此外,裂纹尖端起裂应力为试样极限强度的86.07 %～87.42 %。     

应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。     

三轴压缩条件下单裂隙岩石的破坏特性研究

通过在高强硅粉砂浆材料模型中预制特定倾角和特定尺寸的单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究单裂隙试样的破坏特性。试验中观察到3类典型的裂纹,即拉伸型裂纹（Ⅰ型）、滑移型裂纹（Ⅱ型）和撕开型裂纹（Ⅲ型）,其中Ⅱ型、Ⅲ型裂纹在三维试验中普遍存在,Ⅰ型裂纹仅在部分试件中观察到;三轴压缩条件下试样的破裂模式有3种,即拉剪复合破坏、“X”型的剪切破坏和沿裂隙面的剪切破坏。试验结果表明：三轴压缩条件下的单裂隙试样的裂隙扩展规律与预制裂隙关系密切,围压是试样宏观破裂模式的主要影响因素,预制裂隙长度主要影响裂隙扩展的规模,预制裂隙倾角则是新裂隙起裂的诱因。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

利用岩石声发射凯塞效应测定岩体地应力

将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征可划分为加载初期、压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、砂岩破坏阶段5部分。利用岩样声发射信号的特征,确定出岩石的凯塞效应点与其裂纹稳定扩展阶段的起始点相对应,并进一步得出岩石凯塞效应点的上限为裂纹稳定扩展阶段的终点,裂纹非稳定扩展阶段的起始点。凯塞效应点受岩样两端面的平行度、压机加载速率等有关,岩样端面不平整,在加载初期会有强烈的声发射信号;压机加载速率过大,声发射信号可能显示不出来或被后续更强的声发射信号所掩盖。计算出深度为670m处巷道周围天然应力3个主应力的大小和方向,与在现场用应力解除法和水压致裂法测得的天然应力相比,其数值基本一致,但方向存在一定的偏差。     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术（DIC）观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明：随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2 =0.828 6θ1 +12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。     

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。     

岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。     

川南龙马溪组页岩不同应力条件下脆性破坏特征室内实验与数值模拟研究

四川盆地龙马溪组页岩具有较好的生烃潜力。为研究龙马溪组页岩力学特性,首先对完整页岩试样开展了单轴压缩试验,基于颗粒流离散单元法反演单轴压缩岩石动态破坏过程,通过模拟常规三轴压缩试验,研究不同应力条件下页岩脆性破坏特征。研究表明,该龙马溪组页岩脆性矿物含量高,强度大,脆性特征明显;不同应力条件下龙马溪组页岩发生脆性破坏时具有相似的破坏特征,且峰值强度符合Mohr-Coulomb线性规律。加载到岩石损伤应力以前,微裂纹的分布无明显方向性和区域性,该时微裂纹的分布应与岩石的非均质性有关;损伤应力后微裂纹的萌生、聚集和贯通将受应力影响。页岩的特征应力(起裂应力、损伤应力、峰值强度)与围压表现出强相关性,但围压对峰值应力的影响程度比对损伤应力和起裂应力的影响程度更大,因裂纹稳定扩展阶段,微裂纹独立产生无相互影响,峰值应力还需考虑微裂纹间的相互作用及形成的宏观破裂面粗糙性的影响。