基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究

岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。     

砂岩的I/III复合型断裂试验研究

为了了解砂岩的I/III复合型断裂力学性能,采用含有裂纹面垂直于底面但倾斜于正背面的三点弯曲（TPB）试件实现面外断裂。使用Abaqus通过有限元法研究了不同裂纹面倾斜角下沿着试件厚度的I型、II型与III型无量纲应力强度因子。通过讨论可知,在靠近试件厚度中点处I型与III型无量纲应力强度因子取得较大值,而II型无量纲应力强度因子取得接近于0的可以忽略的极小值,且靠近自由面处的应力强度因子不作考虑。故该种试件可用于测量材料的I/III复合型断裂性能。数值计算结果与常规TPB试件的解析公式及倾斜裂纹面TPB试件的近似计算公式的结果进行对比,证明了数值模拟结果的准确性并讨论了近似公式存在的问题。使用7组共28个该种三点弯曲试件,研究砂岩的I/III复合型断裂特性,结果表明：砂岩的I型与III型临界应力强度因子随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,但其变化趋势不同;砂岩的I/III复合型等效断裂韧度随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,在倾斜角接近20°时取得最大值。裂纹扩展时裂纹面将发生扭转,倾斜角θ越大则扭转角度越大。     

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。     

砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂试验研究

为了了解砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂力学性能,采用含有裂纹面垂直于底面但倾斜于正背面的三点弯曲(TPB)试件实现面外断裂。使用Abaqus通过有限元法研究了不同裂纹面倾斜角下沿着试件厚度的Ⅰ型、Ⅱ型与Ⅲ型无量纲应力强度因子。通过讨论可知,在靠近试件厚度中点处Ⅰ型与Ⅲ型无量纲应力强度因子取得较大值,而Ⅱ型无量纲应力强度因子取得接近于0的可以忽略的极小值,且靠近自由面处的应力强度因子不作考虑。故该种试件可用于测量材料的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂性能。数值计算结果与常规TPB试件的解析公式及倾斜裂纹面TPB试件的近似计算公式的结果进行对比,证明了数值模拟结果的准确性并讨论了近似公式存在的问题。使用7组共28个该种三点弯曲试件,研究砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂特性,结果表明:砂岩的Ⅰ型与Ⅲ型临界应力强度因子随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,但其变化趋势不同;砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型等效断裂韧度随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,在倾斜角接近20°时取得最大值。裂纹扩展时裂纹面将发生扭转,倾斜角θ越大则扭转角度越大。     

基于3D-ILC球体45º三维双内裂纹复合断裂研究

断裂力学是各领域基础科学,材料内裂纹相互作用是断裂力学的重要研究领域,但目前球体内裂纹相互作用研究成果较少。基于三维激光疲劳内裂纹（3D-ILC）技术,在对球体试样表面无任何损伤的情况下,制作三维平行纯内裂纹,开展45o倾角平行双内裂纹单轴压缩试验,对双内裂纹的裂纹扩展过程、应力双折射规律、断口特征、破坏形态、相互作用等多方面开展研究,进行含双内裂纹I-II-III型圆球断裂数值模拟,分析KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,与试验相符。结果表明：（1）球体双内裂纹在单轴压缩下之间发生屏蔽作用,主裂纹面穿过两预制内裂纹;（2）翼型裂纹光滑区呈现I-II型裂纹断口特征,翼型裂纹侧面撕裂区呈现“矛状”III型裂纹特征;（3）基于M积分计算的KI、KII、KIII分析与基于断裂特征的I、II、III型裂纹类型分析一致。3D-ILC技术可用于球体内裂纹相互作用断裂试验研究,球体内裂纹试验与理论分析为脆性材料内裂纹扩展及相互作用研究提供试验与理论参考。     

断裂岩石细观破坏机理及三维接触损伤

以断裂岩体长期稳定性为研究背景,开展岩体断面细观接触演化和长期力学行为的研究,借助CT检测方法,研究断裂岩体双翼表面细观接触状态、接触损伤演化等影响岩体长期力学行为的特征以及断裂岩石蠕变过程中粗糙表面凹凸体磨损及亚表面微裂纹、微孔洞发展等表面接触损伤演化规律。CT图片得出剪切蠕变破碎岩石的多种失稳模式,这几种破坏模式共同存在于岩石断裂面的剪切蠕变过程中,并在断裂面不同位置交替出现。通过三维重构初步了解断裂岩石损伤过程中新生断面的形成过程:断裂面在剪切蠕变过程中微凸体附近易产生损伤形成空洞或初始裂隙,随后大量空洞和裂隙发展形成裂纹网络,裂纹网络贯通形成新断裂面。     

钻孔岩芯饼状断裂破坏机制

本文首先阐述岩芯饼状断裂及其特征, 进而用断裂力学的理论与方法对岩饼破坏进行了断裂扩张机制的分析, 不但合理地解释了断裂特征及断裂破坏机制, 且以二滩坝址为例, 分析了产生钻孔岩饼的微裂纹条件及应力条件, 为定量地评价坝址地应力状态, 包括其大小及方向提供了一种新的方法。上述不仅具有重要的理论意义, 而且具有重要的工程实际意义。     

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。     

二氧化碳在砂岩透镜体中充注封存的盖层岩石抗断裂性能分析

把CO2这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行封存和隔离,已被公认为是有效减少CO2排放量的一种比较安全的技术途径。砂岩透镜体油气藏具有良好的圈闭构造和储层物性,油气濒临枯竭的砂岩透镜体是较理想的CO2地质封存箱。基于币形裂纹模型和水力致裂原理,将纵向厚度和横向展布长度均远小于盖层岩石尺度的水平产状砂岩透镜体简化为盖层岩石中的I型币形裂纹,从岩石断裂力学角度分析封存箱盖层岩石的抗断裂性能。采用叠加原理给出了盖层岩石币形裂纹尖端(砂岩透镜体尖灭部位)应力强度因子的计算公式,在此基础上提出了断裂力学判别准则(K=KIC)和临界有效压应力判别准则(P=PC),从岩石断裂力学角度为砂岩透镜体封存箱盖层岩石抗断裂性能分析和评价提供了一种新的研究思路。     

冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体中经常发生水冰相变产生冻胀力,冻胀力的反复作用会驱动岩体裂隙扩展、贯通甚至断裂破坏。通过在类砂岩试样中预制不同倾角的单开口裂隙,分别进行预冷和不预冷饱水裂隙冻融循环试验及冻融后的单轴压缩试验,探究冻结方式和裂隙倾角对裂隙冻胀扩展过程、断裂破坏特征及单轴强度的影响机制。试验结果表明,裂隙冻胀力是驱使裂隙冻融扩展的主要动力且与裂隙水的冻结方式密切相关,采用预冷方式冻结会引起绝大部分裂隙水挤出而难以形成冻胀裂纹;在非预冷冻结方式下冻胀裂纹一般先沿着预制裂隙共面方向扩展,但由于边界效应而逐渐转向短边,共面扩展长度与裂隙倾角呈正相关;当预制裂隙倾角在60°～90°时,岩体容易沿着冻胀裂纹方向发生压缩破坏,从而引起岩体单轴抗压强度降低。研究结果可为揭示裂隙岩体冻融损伤机制及开展寒区岩体工程建设提供借鉴。     

赫兹破裂：一种被忽视的构造

赫兹破裂在工程和材料领域一直备受关注,但其在地质学领域的应用还很少,远未像里德尔破裂那样熟知。从微观尺度到露头尺度,从板块尺度到行星尺度,赫兹破裂在自然界都广泛存在。赫兹破裂作为一种点接触破裂区别于常见的里德尔剪切破裂。它们均是自然界中特殊而又普遍发育的破裂形式,代表了不同的边界和应力条件。典型的赫兹破裂属于弹性变形范畴,由于点接触而在三维空间中形成特征的锥形破裂,在平面上则表现为放射状及环状破裂。在剖面上锥形破裂一般会出现一定角度的拐折,下段破裂与接触面的角度变大,是锥形破裂的典型特征之一。在地质学领域,赫兹破裂有着重要的指示意义,可以表征物质的韧性（toughness）、解释环状和放射状构造、解释锥状以及弧形破裂成因与样式、判断冰川以及断层的运动学特征、区分不同破裂机制形成的新月形构造等,也可以应用于恢复沉积环境以及判断成岩过程中或者构造变形过程中的古应力及其方向。板块碰撞过程中,在特定环境下也可形成赫兹破裂,因此该类型破裂将会有助于我们理解一些断层的成因、发展以及大陆的变形,同时为类地行星（卫星）表层的构造提供解释方案。     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明：(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓...     

Numerical modelling of desiccation cracking of clayey soil using a cohesive fracture method

This paper presents a numerical study on the desiccation cracking process of clayey soil. The initiation and propagation of cracks were investigated using finite element code, including the damage-elastic cohesive fracture law to describe the behaviour of cracks. The coupling between the hydraulic behaviour (moisture transfer in the soil matrix and in the cracks) and the mechanical behaviour (volume change of the soil matrix and development of cracks) were also considered. The results of a laboratory experiment performed on clay soil, taken from a literature review, were used to evaluate the numerical modelling. The results show that the code can reproduce the main trends observed in the experiment (e.g., shrinkage related to drying, crack development). In addition, the numerical simulation enables the identification of other phenomena, such as the evolution of suction and stress related to drying and the development of a single crack. These phenomena are difficult to observe experimentally.     

边缘裂缝圆盘砂岩试体III型断裂韧度量测之研究

针对含边缘裂缝之砂岩试体受反平面剪力情形进行了III型断裂韧度量测试验,搭配相关所推导之理论公式求取砂岩III型断裂韧度。研究试验条件为无围压及单轴荷重加载下进行III型断裂试验,且针对试体受高温后之性质改变为变量条件加以探讨。研究结果表明,以该方式进行III型断裂韧度之量测,为可靠且稳定;砂岩经历温度在200 ℃前,试体III型断裂韧度会提升,之后呈现下降,到600 ℃,下降趋于平缓;随着烧结温度的提升,单压强度、动态杨氏模量、动态泊松比与III型断裂韧度皆有下降之趋势,且试体出现熔融样态,表面出现明显微裂纹。     

岩石剪切细观开裂演化与贯通机制分析

利用自主研发的煤岩剪切细观试验装置,以砂岩为研究对象,开展了不同饱和度数条件下的岩石剪切细观开裂演化与贯通机制试验研究,分析了砂岩剪切细观开裂演化过程和贯通机制,探讨了饱水系数对细观开裂和裂纹形态特征的影响。研究结果表明：剪切过程中,伴随着应力降,裂纹一般首先出现在剪切面中部,几条裂纹间断分布,距离较近的裂纹相互连通形成大裂纹,在应力继续下降的一瞬间,各裂纹连通形成贯通面;水的弱化作用影响了岩石的强度,使得试件底部出现较大的次级裂纹;饱水系数越大,分叉裂纹越多,使得试件的表面裂纹形态更加复杂,断裂面弯折段的数目越多,下端部次级裂纹越发育,整体损伤范围越大;细观上,局部独立裂纹贯通过程伴随着胶结颗粒岩桥的梁式旋转和弯曲折断,水的弱化作用,使得岩桥内部和外部微裂纹增多;随着饱水系数的增加,岩石剪切过程中出现的独立和次级裂纹的数目均呈增加趋势。     

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

基于3D-ILC含偏心内裂纹半圆弯拉断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉(SCB)试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC（三维激光疲劳内裂纹）技术,分析了表面无任何影响的情况下凭空生成任意参数的纯内裂纹,在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,分析了裂纹生长过程、应力双折射规律、I-II-III型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征,开展数值模拟,得到裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明：（1）基于3D-ILC的SCB内裂纹及I-II-III型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;（2）应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;（3）SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生I-II-III型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;（4）根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、I-II-III型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。     

V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

岩石破裂带的分维及变化特征

用盒维数方法估计了受压岩石表面断裂带的分维值,研究了分维值随载荷、结构(平板伏试件合圆孔或与加载方向成不同角度的割缝)、岩性(大理岩、灰岩、砂岩)和粒度的变化特征,分析了统计自相似性成立的范围与岩性和粒度的关系。研究结果表明。在微裂纹发育未连通为宏观断裂带阶段,分维值随载荷上升而上升,当宏观断裂带形成之后,分维值保持为常数,且随岩性不同而不同。对于所测三种岩石,自相似性成立的尺度范围的上限为颗粒尺寸的Zyljlo倍。最后,结合岩石破裂过程的能量耗散机理,讨论了岩石分维断裂的物理意义。