花岗岩动三轴抗压强度的裂纹模型研究（I）：理论基础

简要地介绍了岩石材料在压应力作用下的裂纹模型。应用虚拟力方法(Pseudo-tractionmethod)考虑2阶虚拟力情形,求解裂纹组应力强度因子表达式,为岩石动三轴抗压强度的裂纹模型研究提供理论基础。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

岩石初始宏观变形模拟及微裂纹闭合应力确定方法

为了建立能够反映岩石初始宏观变形模拟方法以及微裂纹闭合应力确定新方法,首先,针对岩石及其内部微裂纹的受力变形特点,将岩石视为由岩石基质和微裂纹两部分组成,并以此建立了岩石与其组成成分之间的变形分析模型,并由材料变形力学分析角度分别建立了岩石基质和微裂纹的受力变形分析方法,从而建立了岩石初始宏观本构模型并给出了模型参数的确定方法;然后,针对现有微裂纹闭合应力确定方法存在的缺陷与不足,提出了基于本文模型的微裂纹闭合应力确定新方法;最后,基于本文模型探讨了围压对岩石初始宏观变形非线性上凹程度的影响,从理论上阐述了围压效应即围压与岩石初始宏观变形非线性上凹程度成负相关。研究结果表明,本文模型不仅能够很好地模拟岩石启裂前变形全过程,还能够阐述岩石与其组成成分之间的变形关系;微裂纹闭合应力确定新方法既满足微裂纹闭合应力的理论意义又能够避免人为因素的干扰,并具有易操作性的特点,表明了本文模型与方法的合理性与可行性。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

基于分形与损伤理论的岩石声-应力相关性理论模型研究

建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,采用宏观复合型断裂理论中的最大周向应力理论,求出单一微裂纹达到稳定时的形态尺寸.利用分形损伤理论,求出不同荷载阶段的分形维数;由分形维数的定义导出了不同荷载阶段的裂纹个数的变化情况;结合单一微裂纹的形态尺寸,求出不同荷载阶段中岩石孔隙率与荷载值之间的关系;利用目前被广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式,最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式.进行岩石声-应力的试验测试,根据试验成果作出声-应力曲线,并与理论声-应力曲线进行比对,结果表明,理论模型比较适合于反映岩石受载全过程中的后半部分的声-应力关系.     

储层非均质性对水力压裂的影响

从岩石细观非均质性的特点出发,采用RFPA2D-Flow软件对单孔和双孔数值模型进行压裂计算,研究岩石非均质性对水力压裂的响应,重点探讨双孔模型孔间吸引效应对裂纹演化形态的影响。岩石细观单元的力学、水力学特性由统计分布生成以体现岩石的随机不均质性,水力压裂过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。数值计算结果表明:(1)岩石非均质性影响裂缝的扩展形态,导致水力裂纹尖端微裂纹的分支。随着均质度的增加,水力裂纹的扩展形态变得更加平直光滑,单孔模型两侧裂纹更加对称,双孔间裂纹的连通性变差。(2)岩石的非均匀性对于岩石的起裂压力和地层破裂压力影响较大。随着均质度的增大,起裂应力和地层破裂应力增大,并且两者间的差值逐渐变小,在储层为均质的条件下,两者几乎相等。(3)相同的边界条件下,均质模型的应力分布曲线光滑连续,非均质模型的应力分布曲线呈现出明显波动,井眼对称剖面上的应力分布不尽相同,反映了细观单元强度非均匀性及裂缝扩展形态对应力分布的影响。(4)双孔模型孔间存在孔隙水压力增加带,孔间产生吸引效应,双孔方位影响临界压力。研究结果对水压裂试验设计和现场压裂施工具有一定的参考意义。     

岩石裂纹闭合效应及其定量模型研究

岩石的裂纹闭合效应对于岩石的变形以及强度性质具有重要影响。主要研究了岩石内部微裂纹的闭合压密效应及其定量评价方法。首先,基于有效介质理论将岩石的轴向应变分为基质轴向应变和裂纹轴向应变两部分;然后通过3组岩石压缩试验资料,建立裂纹轴向应变随轴向应力变化的负指数模型。分析发现,负指数模型可以较好地描述岩石裂纹闭合压密阶段的非线性。裂纹闭合应变可以在一定程度上反映岩石内部的微裂纹数量(密度),能够描述微裂纹密度在单轴、三轴压缩条件下的变化规律。     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

不同地应力条件下双孔爆破的数值模拟

考虑岩石介质的非均匀性,把爆破过程视为爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,基于损伤力学理论建立了岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下岩石双孔爆破裂纹演化规律进行了数值模拟,分析了不同侧压力系数和埋 深对裂纹扩展规律的影响。数值模拟结果表明：①爆炸应力波导致裂纹的萌生,爆生气体压力则会使裂纹进一步扩展和贯通; ②裂纹演化过程与地应力密切相关,裂纹扩展的主方向趋于最大地应力方向;③随着埋深增加和初始地应力增大,裂纹扩展半径和裂纹区面积减小,地应力对爆破致裂的抑制作用明显。     

一种改进的光滑粒子动力学法在地震条件下岩质边坡中的验证与应用

开发一种改进损伤框架的粒子流算法,被称为核断裂的光滑粒子流法（kernel?broken smoothed particle hydrodynamics,KBSPH）,用于模拟地震条件下岩质边坡的裂纹扩展和变形破坏过程.在KBSPH中,提出一种改进的损伤框架,通过引入断裂标志来改进损伤粒子的核函数,使损伤粒子的虚拟应力键直接断裂,裂纹在断裂的应力键间生成,从而模拟岩石的裂纹扩展过程.在地震边界上采用了双层边界,将动力输入边界与黏滞边界分离.首先通过薄板振动实验验证KBSPH的动力特性.其次以单裂隙岩体单轴压缩试验验证KBSPH的断裂力学特性.最后模拟地震条件下多节理岩质边坡中裂纹扩展过程和动力响应.薄板振动实验验证了KBSPH的动力特性的准确性.单裂隙岩体单轴压缩试验,证明了KBSPH可以正确模拟预制裂隙尖端的翼型裂纹.通过对比以往数值模拟方法和现场案例,表明KBSPH正确揭示了加速度放大效应以及地震条件下岩质边坡的裂纹扩展过程.KBSPH避免了传统算法的网格畸变,损伤粒子应力分量重新分配的问题,降低了编程难度,提高了运行速率,可为SPH在地震条件下岩石力学中的应用和理解岩石断裂机理提供一定的参考.      

岩石在峰值荷载变形条件下的松弛试验研究

进行了岩石在峰值荷载变形条件下的松弛试验及峰值荷载前的加卸载试验。试验表明：岩石在峰值荷载变形条件下的应力松驰曲线呈阶梯式下降特征,说明岩石在峰值荷载变形条件下的应力松弛是间断的和阵发式的,其原因是岩石内部破裂面相互滑动、裂纹扩展和新裂隙产生的综合作用;岩石结构的完整性和岩石弹性能量储存能力强弱对岩石的松驰特性具有明显影响,因这些因素不同,则应力下降台阶数及松驰时间也不同。     

岩石弹脆性分维损伤本构模型

本文定义岩石构元中破裂面的分维值为各向同性损伤变量,而各个方向上裂纹面的累加量定义为各向异性损伤变量,并根据裂纹发育特征提出了损伤变量演化方程,从而建立起岩石脆性变形破坏过程的分维损伤本构模型。最后,利用该模型对大理岩单轴压缩应力应变曲线进行了模拟,结果说明本文提出的模型是较为合理的。     

岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟

在传统键基近场动力学模型的基础上,提出可以反映岩石类材料应力-应变变化特点的改进型模型,弥补了传统近场动力学模型在模拟岩石类材料时无法反映岩石内应力随应变先增加再减小最后破坏这一特性的不足。运用改进型模型,对含有单裂纹试件在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了开裂角度在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的变化。结果表明：预制角度及拉伸荷载对开裂角度都有影响,在试件周围拉荷载接近的情况下会获得较小的开裂角,并且在拉荷载一定的条件下开裂角会有先增加后减少的规律。同时模拟了含裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展情况,将数值模拟的结果与室内试验的结果对比,验证了所提出新模型的有效性。所提出的新模型可以较好地模拟岩石类材料在拉荷载条件下的力学特性,在岩石数值模拟方面有着较为广泛的应用前景。     

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。     

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。     

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。     

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应,并对其劣化损伤进行数学描述,采用颗粒流软件进行了细观力学模拟,并基于Weibull分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加,试件裂纹数量不断增加,拉裂纹增加数量尤为显著;进行相同次数干湿循环时,随着围压不断增大,试件的拉裂纹数量逐渐减少,剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一,其强弱关系为:摩擦系数抗拉强度内摩擦角节理模量黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合,表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。