复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

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。     

双向压缩条件下闭合裂隙岩体断裂破坏机制及渗透压环境判定准则

在研究双向压缩条件下压剪复合型裂纹应力分布特征及断裂破坏机制基础上,考虑渗透压对初始裂隙面上有效正应力的影响,提出高低渗透压环境的判定准则,并基于滑动裂纹模型理论及最大周向拉应力破坏准则,得到不同渗透压环境下初始裂隙尖端微裂纹起裂特征与规律。研究结果表明：压剪复合应力条件下,初始裂隙尖端发育微裂纹的最优倾角与裂隙面摩擦系数直接相关,随裂隙面摩擦系数的增大,最优初始裂隙倾角由45°起逐渐增大;低渗透压条件下,渗流场的存在使裂纹面摩擦系数发生弱化,进而使得最优初始裂隙倾角向45°靠近,而渗透压直接降低裂隙面上有效正应力且与裂隙倾角无关,其仅仅影响裂隙体材料的初裂强度;高渗透压条件下,初始裂隙面由压剪复合应力状态转化为拉剪复合应力状态,并在拉剪复合应力场作用下,尖端微裂纹起裂角随KI/KII的不断增大,由70.5°逐渐趋近于0°。     

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。     

闭合裂纹断裂的有效剪应力准则

将闭合裂纹表面的有效剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了无限大板和有限宽板含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线 这一概念,建立了闭合裂纹断裂的有效剪应力准则：（1）岩板内闭合裂纹将沿着等 线上双剪应力的和最小的方向扩展;（2）裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡC,裂纹将开始扩展。该准则成功预测了闭合裂纹的临界起裂角 ,与各种经典复合型断裂准则计算Ⅱ型裂纹起裂角比较,结果较为接近。将其应用于闭合裂纹的断裂判定是安全的。     

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。     

T应力对岩石裂纹扩展路径及起裂强度的影响研究

经典断裂判据在分析岩石起裂角度及强度时,往往只选择裂尖应力场展开式中的r1/2奇异应力项,而将高阶的O(r1/2)项以及非奇异应力项（T应力）忽略,造成理论预测并不能完全吻合实际的试验结果。在充分考虑非奇异应力项对裂纹扩展影响作用的基础上,利用最大周向应力判据重新研究了岩石类材料脆性破坏的I、II及I-II复合型裂纹扩展。研究结果表明：（1）纯I型裂纹状态下,T应力为负时（压缩）,裂纹的扩展是稳定的;而当T 应力为正时（拉伸）,只有当 ,裂纹才沿着裂纹方向扩展（经典断裂判据所预测的方向）,而其他情况下裂纹的扩展将发生偏转;（2）纯II型裂纹时,不仅沿着裂纹方向的T应力影响起裂角度及强度,垂直裂纹面上的N应力也同样具有重要的影响作用;（3）对I-II型裂纹而言,修正后的最大周向应力准则与试验结果吻合良好,且正的T应力增大开裂角,而负的T应力降低开裂角。通过控制T应力的大小,可以对裂纹扩展方向加以控制,从而使得裂纹扩展偏离最危险的方向,最大地限度阻止或延缓结构整体断裂的发生。     

裂纹面接触对中心裂纹圆盘应力强度因子影响分析

从理论和数值两个方面进行分析,发现受径向集中力和围压作用的中心裂纹圆盘(CCBD)试件裂纹面接触会对II型应力强度因子产生较大的影响。通过理论研究,分析CCBD受集中力和围压作用裂纹面接触时圆盘内部的应力场,采用断裂力学权函数理论,推导得出在集中力和围压共同作用下,考虑裂纹面闭合时应力强度因子的解析解。然后,使用ANSYS软件建立了相应的数值模型计算应力强度因子,并与理论解和相关文献进行对比验证,证明了理论公式的正确性。无论裂纹张合与否,所提出的解析公式都能计算出不同裂纹长度、加载角、围压和摩擦系数的应力强度因子。最后,利用公式分析摩擦系数对应力强度因子的影响,结果表明:随着摩擦系数的增大,I型裂纹的应力强度因子不变,II型裂纹的应力强度因子随之显著减小;当加载角较大时,裂纹面产生更为复杂的二次裂纹,故压剪断裂测试的推荐加载角范围为30°~50°。     

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

岩石张拉裂缝与充填胶结裂隙的相互作用

工程开挖扰动、卸荷和水力破岩产生的工程裂缝与先存裂隙的相互作用在岩石工程中十分普遍,建立适用于工程裂缝遇先存裂隙的扩展准则是解释工程裂缝扩展机制和研究岩体弱面剪切滑移的关键。采用两种不同强度的混凝土充填材料模拟强、弱胶结的先存裂隙,在只考虑准静态张拉应力作用下,依据半圆三点弯法测定了充填胶结型岩石的Ⅰ型静态断裂韧度;通过分析工程裂缝扩展轨迹,获得了临界启裂角与应力逼近角的关系;进一步探讨了工程裂缝与先存裂隙的相互作用扩展模式与判别准则。结果表明：张拉应力作用下工程裂缝与先存裂隙的相互作用受应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度的共同影响;充填胶结砂岩的静态断裂韧度随应力逼近角增大先增大后减小;启裂逼近距离较大时,断裂韧度随应力逼近角变化不大,而启裂逼近距离较小时,断裂韧度随应力逼近角增大呈现先增大后减小的规律;应力逼近角影响充填胶结岩石的断裂韧度,但影响程度不如启裂逼近距离和充填物胶结强度,且存在一个极限影响距离。即使在张拉应力作用下,岩石材料的裂隙前端同样存在剪切局部化,因此,工程裂缝是否穿过先存裂隙取决于应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度共同作用下裂隙面的抗剪强度和先存裂隙...     

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。     

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。     

洞周岩体内裂纹水力劈裂临界水压分析计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水重要因素之一,对其破坏机制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扩展和压剪复合扩展。应用地下岩体复合失稳扩展判据分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹在隧洞洞周围的位置、方位变化规律进行分析。分析结果表明,在发生拉剪复合扩展情况下,裂纹方向与最大地应力方向平行时,最易失稳扩展;在压剪复合扩展情况下,裂纹与最大地应力夹角约介于30°～75°之间时,最易失稳扩展。     

考虑卸荷作用的底板突水破坏机制研究

在依据摩尔图解及断裂力学理论对底板卸荷突水破坏分析的基础上,运用损伤断裂力学并结合统一强度理论,建立了考虑渗透水压作用下分支裂纹端部形成的塑性区范围计算方程与岩体发生贯穿破坏时的损伤阀值。将裂纹扩展过程与岩体损伤耦合起来,确定了裂纹的损伤断裂能量计算公式并分析了其影响因素。结果表明：侧压系数 0.5时,最大主应力完全卸荷状态下裂纹端部应力强度因子比双轴应力状态下大,岩体易发生破坏。考虑了裂纹端部塑性区的影响,裂纹损伤断裂能量相比于不考虑其影响时偏大,增大了煤层底板突水的危险性。裂纹损伤断裂能量 与裂纹半长 、裂纹面连通面积与总面积之比 、裂纹面渗透水压 及最小主应力 呈正相关,与裂纹面摩擦系数 及岩体的弹性模量 呈负相关。分析结果为底板突水破坏机制研究提供了一定的参考依据。     

压剪作用下裂隙扩展过程渗流与应力耦合模型研究

裂隙的剪胀特性及扩展演化规律对岩体的渗流特性具有重要影响。为揭示裂隙剪胀及扩展演化对岩体渗流的影响,基于残余强度提出了一种能较好描述岩石硬化-软化特性的全剪切本构关系;结合剪切变形与裂隙开度的关系,利用最小势能原理和立方定律,建立了压剪作用下考虑裂隙剪胀特性的渗流应力耦合模型;假定压剪作用下裂隙发生Ⅰ型扩展,提出了伴有翼型裂纹的渗流模型,该模型不仅考虑了岩石的剪胀特性,更反映了裂隙扩展过程渗流的演化规律。对不同裂隙粗糙度的剪切应力-位移曲线进行分析,全剪切本构模型表现出较高的拟合精度。在剪切应力-位移关系基础上,通过剪切渗流试验数据对压剪作用下渗流模型进行验证,结果表明,该模型能较好地描述岩体剪胀阶段渗透性演化规律。利用等效裂隙简化裂隙网络,并通过试验数据进行验证,证实了裂隙扩展过程渗流-应力耦合模型的准确性与适用性。