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。     

石材亚临界裂纹扩展量测研究

在试验室进行裂纹稳定扩展及非稳定扩展的研究,其试验基座以楔形劈裂试验为基础改良而成,考虑材料的均质性,试验试体采用供铺设地板或建筑用外墙之天然石材。试验过程中利用裂缝应变片即时记录系统求出试体在稳定扩展及非稳定扩展下的裂纹扩展速度及其分形特性。结果表明,稳定扩展速度范围约在0.113～313.043 cm/s;非稳定扩展速度范围约在0.094～2 489.816 cm/s;亚临界分形维数范围约在0.994 3～1.036 6;起裂断裂韧性范围约在1.891 5～3.500 1 MPa?m1/2;分形亞臨界斷裂韌性范围约在2.063 6～3.712 8 MPa?m1/2。     

激光辅助TBM盘形滚刀压头侵岩缩尺试验研究

为了验证高能激光技术能够辅助隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)盘形滚刀（以下简称滚刀）实现高效破岩,以滚刀破岩过程中基本的运动形式——侵岩为研究对象,参照17 inch（432 mm）工程用滚刀,按1:8的比例制备了缩尺比例滚刀压头（以下引述为滚刀压头）,开展了以孔孔距（2、3、4、5 mm）、刀孔距（3、4、5、6、7 mm）为变量的激光辅助滚刀压头侵岩L20(4×5)正交试验以及无激光作用的对照组试验。试验研究结果表明：随着刀孔距的增加,滚刀压头的破岩量与岩石破碎块度均增加,而垂直力和比能耗均降低,最优刀孔距为6 mm;随着孔孔距的增加,破岩量、垂直力和岩石侵入难度系数均降低,而岩石破碎块度和比能耗均增加,最优孔孔距为3 mm。与传统滚刀回转滚压破岩方式相比,在激光辅助作用下,可促进岩石张拉裂纹的产生,提高了滚刀侵岩效率。所提出的激光辅助滚刀耦合破岩模式在未来TBM极硬岩层隧道掘进中具有一定的应用前景。     

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。     

多节理岩体裂纹扩展及变形破坏试验研究

为了研究不同倾角下多节理岩体力学行为,采用10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪,开展包含较多预制非贯通节理类岩石试件的单轴压缩试验,研究了多节理岩体裂纹的特征、贯通模式、破坏模式、应力-应变特征等与节理倾角之间的关系。试验结果表明,（1）多节理岩体的裂纹类型主要有翼裂纹和次生共面裂纹,翼裂纹的扩展路径与单个节理情况下的扩展路径差异较大,翼裂纹起裂后沿起裂方向存在较长的扩展长度,直接与相邻节理或翼裂纹形成贯通,并且裂纹的贯通表现出四种不同的模式;（2）多节理岩体的破坏模式归纳为3种类型：平面破坏、块体转动式破坏和台阶式破坏;（3）根据多节理岩体的应力-应变曲线在应变软化阶段所表现出的不同非线性变形行为特征,可以将曲线归纳为4种类型;（4）多节理岩体的强度和变形各向异性特征非常显著,强度和弹性模量均在节理倾角30°时最小,90°时最大。     

储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性及裂缝扩展影响研究

储层岩石是一种具有复杂孔隙结构的天然非均质材料,微观结构影响岩石的宏观力学特性和破裂特性,认识储层岩石微观孔隙结构及其对岩石力学特性的影响对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,利用CT扫描试验和数字图像处理技术,定量表征储层岩石微观孔隙结构;据此建立微观孔隙结构的三维模型,根据单轴压缩试验获取模型的细观参数,并在PFC3D中进行单轴压缩模拟,分析微观孔隙结构对岩石力学特性和裂缝扩展的影响。结果表明,储层岩石微观孔隙结构概率分布满足对数正态分布,几何形状复杂,孔隙分布具有分形特征;微观孔隙的存在造成单轴抗压强度的降低,分形维数越大,单轴抗压强度越小,两者呈近似线性关系;孔隙结构对裂缝起裂位置、扩展及贯通方向具有决定性作用,裂缝起裂位置多出现在孔隙尖端处;在平行于加载方向的平面内,裂缝多沿孔隙尖端近30°方向和平行于加载方向扩展;在垂直于加载方向的平面内,裂缝沿裂隙轴线方向延伸或使孔洞直径增大;加载过程中裂缝易造成孔隙之间的贯通。     

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。     

岩石类材料振动裂隙扩展试验和数值分析

岩性体振动裂隙扩展是路基、桥梁、振动施工和防震等领域共同关注的问题。通过自制惯性加载装置联合振动实验台,对12组含边中穿透裂隙的板状相似岩样进行振动加载试验,观测裂隙扩展和贯通规律,并利用PFC颗粒流软件建立试验对应模型,进一步分析裂隙扩展的控制机制。结果表明,不同区域振动变形的相位差会促进裂隙的扩展行为;边裂隙的起裂方向与振动方向夹角较小,约在±10°以内,且与振向相同的边裂隙最容易扩展,与振向相同的边—中裂隙对最容易贯通;破坏频率与裂隙间距呈正相关性,并且随着裂隙倾角和振向夹角的增大,裂隙扩展越来越困难,垂直振向的裂隙最难扩展;振动裂隙扩展路径为裂尖最近路线,符合能量最小原理。     

Computer controlled cutting of multiple identical joints in real rock

Summary This novel method for reproducibly cutting joints in real rock will allow shearing of identical joints under varying stress paths. Shearing of such identical joints will greatly reduce the effect of sample variation and the need for scaling results.Joint surfaces are cut with a diamond band saw through a computer controlled feed table. As constructed, the system is capable of cutting samples 20.3 cm (8 in) thick and 30.5 cm (12 in) long. The 6.35 mm (0.25 in) blade used in these tests allows cuts with a maximum radius of curvature of 1.6 cm (0.625 in). A maximum asperity inclination (i) of 28 degrees is possible with the largest samples. These characteristics, in general, are not inherent in the method but rather imposed by the current dimensions of the device.The resulting surfaces, which have been produced in limestone, are analyzed in terms of surface finish at a micro scale, geometrical conformity to the desired surface, reproducibility of the surface and matchability of the two surfaces produced by one cut. These measures indicate a high level of accuracy which should produce repeatable test results when the joints are sheared under laboratory conditions.     

含裂隙岩体单轴压缩裂纹扩展机制离散元分析

将由室内试验总结得到的岩石微观胶结模型嵌入离散元软件,对Lac du Bonnet花岗岩石进行预制单裂隙单轴压缩试验DEM数值模拟,分析了压缩过程中裂隙试样中应力的分布,并与理论计算结果进行对比分析,同时对各种断裂判据中裂纹起裂角的预测值进行了适用性的对比分析。结果表明,离散元模拟试样破坏形态与试验结果相近;离散元分析得到的应力分布与理论解在定性上相似;当预制角度较小时,侧向应力都处于拉压状态;由于裂隙左右两端压应变的集中造成了裂隙上下面拉应变的产生,造成了裂隙周围特殊的应力分布;当裂隙角度较大时,应力集中现象已不明显,因而,理论值与试验值有偏差;在断裂判据中最大周应力准则和最大能量释放率准则得到的裂纹扩展角与室内试验与DEM结果中的数值较为吻合。     

孔槽式圆盘破坏特性与裂纹扩展机制颗粒流分析

基于室内岩石类脆性材料圆盘试样巴西试验结果,利用颗粒流程序（PFC）,获得一组能够反映其力学特征的细观参数。在此基础上,对孔槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了裂隙倾角和半径比变化对孔槽式圆盘试样力学参数和裂纹扩展规律的影响。孔槽式圆盘试样力学参数显著低于完整圆盘试样,降幅与孔槽几何参数密切相关。劈裂荷载随裂隙倾角的增大呈非线性变化,而随着半径比的增大呈近似线性减小规律。通过分析认为,在试验模拟范围内保持半径比不变,当裂隙倾角较小时,孔洞是主裂纹起裂的主要诱因;裂隙倾角较大时,裂隙成为主裂纹起裂的主要诱因。保持裂隙倾角不变,当半径比较小时,裂隙是主裂纹起裂的主要诱因;半径比较大时,孔洞成为主裂纹起裂的主要诱因。最后,从细观层面探讨了孔槽式圆盘试样裂纹扩展机制。     

Shape detection of multiple subsurface cavities by particle filtering with elastic wave propagation

A numerical technique for detecting the number and shape of subsurface cavities is presented, applying the particle filter and the parametric level set method to elastic wave propagation under the ground. When subsurface cavities exist, the elastic wave propagating in the ground is reflected at the boundary faces of the cavities. Observing the velocity of the reflection wave at the surface of a ground that includes multiple cavities and parameterizing the shape of the cavities by the parametric level function, both the number and the shape of the cavities can be identified by the particle filter. Numerical experimentation for detecting multiple cavities is conducted with synthetic observation data. The results show that the proposed technique enables the number of cavities to be identified by the number of peaks in the posterior probabilistic distribution function and solves geometric inverse problems by estimating the shape of the cavities through the parameter identification of the level set function.     

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。     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。     

Coupled flow network and discrete element modeling of injection-induced crack propagation and coalescence in brittle rock

We present a numerical analysis on injection-induced crack propagation and coalescence in brittle rock. The DEM network coupling model in PFC is modified to capture the evolution of fracture geometry. An improved fluid flow model for fractured porous media is proposed and coupled with a bond-based DEM model to simulate the interactions among cracks induced by injecting fluid in two nearby flaws at identical injection rates. The material parameters are calibrated based on the macro-properties of Lac du Bonnet granite and KGD solution. A grain-based model, which generates larger grains from assembles of particles bonded together, is calibrated to identify the microscopic mechanical and hydraulic parameters of Lac du Bonnet granite such that the DEM model yields a ratio between the compressive and tensile strength consistent with experiments. The simulations of fluid injection reveal that the initial flaw direction plays a crucial role in crack interaction and coalescence pattern. When two initial flaws are aligned, cracks generally propagate faster. Some geometrical measures from graph theory are used to analyze the geometry and connectivity of the crack network. The results reveal that initial flaws in the same direction may lead to a well-connected crack network with higher global efficiency.

     

岩石非理想裂纹圆盘试件动态断裂韧性测试的有限元分析及试验研究

采用中心裂纹圆盘-霍普金森压杆(CCCD-SHPB)试验系统对大理岩中心裂纹圆盘试件进行不同加载速率下的纯Ⅰ型加载试验,研究岩石材料动态断裂韧性的加载速率相关性。考虑到试验中所使用的圆盘试件是带有中心切口的非理想裂纹,结合试件的实际加工情况,提出采用切口尖端形状为小圆弧形的预制裂纹,介绍了试件的制作方法,并利用有限元计算论证了采用这种形状非理想裂纹试件的试验可行性。结果表明,采用圆弧形裂尖、裂纹宽度为1 mm的中心切口非理想裂纹圆盘试件来代替理想裂纹圆盘试件是可行的,误差不超过2.13%。分析试验数据得出：非理想裂纹圆盘试件在纯Ⅰ型加载条件下,其断裂韧度表现出明显的速率相关性,且随着加载速率的增大而增大。     

Composite damage constitutive model of jointed rock mass considering crack propagation length and joint friction effect

In order to study the damage constitutive model of rock mass with non-persistent joints in engineering practice, the assumption that the rock mesoscopic elements strength obeys the Weibull distribution function of random, the Drucker–Prager criterion is used as a representation method to describe the strength of the mesoscopic elements, and mesoscopic damage variable is deduced. Combined with the energy principle and the fracture damage theory, the macroscopic damage variable formula is deduced considering the crack propagation length and the friction effect of joint closure in the rock mass. Finally, based on the strain equivalent hypothesis of Lemaitre and considering the coupling of macro and micro defects, the composite damage variables are derived. A macro–meso composite damage constitutive model of rock mass with non-persistent joints is established based on the Drucker–Prager criterion. The theoretical constitutive curves of the model are in good agreement with the experimental constitutive curves of the non-persistent jointed rock masses. The considering effects of crack propagation length and joint closure friction effect are compared with those without considering the crack propagation length and joint closure friction effect, which finds that the former is superior to the latter, and the rationality and validity of the model is verified.     

正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究

石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。     

基于裂隙岩样的多组贯穿裂隙岩体峰后应力-应变曲线研究

在岩土工程中,裂隙岩体经常处于峰后变形状态,研究裂隙岩体的峰后应力-应变关系对预测结构的稳定性有重要意义。基于峰后软化阶段强度参数的逐渐演化行为,首先提出一个求岩石峰后应力-应变关系和裂隙峰后应力-切向位移关系的一般方法。然后采用摩尔-库仑强度准则,以岩石的最大主应变和裂隙的切向位移作为软化参数,假设强度参数为软化参数的分段线性函数,分岩体沿裂隙滑移破坏和沿岩石剪切破坏两种情况,提出多组贯穿裂隙岩体峰后应力-应变关系式的求法。最后,在算例中,分岩体沿裂隙滑移破坏和沿岩石剪切破坏两种情况给出了裂隙岩体的峰后应力-应变曲线,讨论了裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度对峰后应变的影响。结果表明,裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度越小,裂隙岩体的轴向应变越大。