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。     

含双裂隙岩石裂纹演化机理的离散元数值分析

采用离散单元法探讨了预制双裂隙岩石的裂纹演化机理。用近期从试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型和相应的离散单元法商业软件,模拟了含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在单轴压缩作用下裂纹的扩展与贯通规律,揭示了裂纹演化的宏微观机理。同时,将离散元法DEM岩石试样的裂纹的扩展和贯通规律以及强度特性与室内试验结果进行了比较分析。结果表明,预制裂隙之间以及端点处的拉应力集中是导致裂隙岩石破坏的主要原因,且DEM数值试验得到裂纹的演化规律与室内试验结果较为一致。含30°的预制裂隙的岩石试样最容易起裂,含75°的预制裂隙的岩石试样最困难起裂,造成此种现象的原因可能是裂纹在垂直于主应力方向上的长度不同导致试样受拉区域大小不同。     

双边非对称裂纹平板试样拉伸试验研究

采用自制的压–拉转换装置,配合RMT 150C岩石力学试验系统及数字散斑相关方法,对双边非对称裂纹类岩石平板试样进行直接拉伸试验,得到类岩石试样的拉应力–应变曲线、试样表面应变场演化过程和裂纹扩展模式。研究发现,类岩石试样直接拉伸的拉应力–应变曲线大致可以分为4个阶段：（1）近似线性阶段,预制裂纹基本不起作用,应力随应变增加较快,试样表面应变场的分布主要受试样内部的孔隙及颗粒的影响;（2）整体缓慢增加阶段,两预制裂纹和试样内部的孔隙及颗粒共同影响试样表面应变场的分布,整体上应力随应变呈增加趋势;（3）短暂峰值过渡阶段,试样中某个预制裂纹对试样表面应变场的分布起决定性作用;（4）破坏阶段,裂纹起裂位置在应变场相对集中区域,并扩展导致试样破坏。对于直接拉伸条件下的双边非对称裂纹平板试样,其中某条预制裂纹会率先扩展,先向远离前方裂纹的方向扩展,再向靠近前方裂纹的方向扩展,对采用数值模拟方法研究张拉应力状态下裂纹相互作用扩展规律具有重要意义。     

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°。     

共面闭合断续节理岩体强度特性直剪试验研究

为了揭示不同裂纹贯通模式的细观演化机理,采用颗粒流程序(PFC)模拟含平行双裂隙石膏试样的单轴压缩试验。对双预制裂隙在不同相对位置时试样内出现的裂纹贯通模式进行分类,并对不同贯通模式形成过程中预制裂隙周围的力链和颗粒位移场进行分析。研究发现预制裂隙的相对位置会改变压缩过程中其周围的接触力分布以及颗粒位移趋势,进而影响预制裂隙端部以及岩桥区域裂纹的扩展路径。当两预制裂隙几乎共面时,在岩桥区域存在接触力集中情况,岩桥区域首先出现微张拉裂纹,随着加载,这些微张拉裂纹逐渐演化为宏观剪切带并连接两个预制裂隙端点,形成Ⅰ型贯通。当岩桥倾角较大且两个预制裂隙不重叠时,岩桥区域的接触力集中程度增大,岩桥区域首先出现竖向的微张拉裂纹并演化为竖向的宏观裂纹连接两个预制裂隙端点,导致Ⅱ或Ⅶb型贯通。当两个预制裂隙的端部部分重叠时,由于应力屏蔽效应,重叠端部的压缩接触力集中程度小于未重叠端部,导致翼裂纹成为主导贯通的裂纹。当两个预制裂隙在竖直方向完全重叠时,两预制裂隙同侧端点之间的接触力集中导致出现由压致拉的张拉裂纹连接预制裂隙同侧端点,形成Ⅴ型贯通。出现Ⅱ、Ⅴ和Ⅶb型贯通试样的微裂纹数量曲线呈现阶梯状增长的趋势,表明这3类贯通中宏观裂纹的扩展是由应变能的突然释放导致的。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含裂隙类岩石单轴压缩疲劳性能试验研究

为了研究含穿透裂隙类岩石的疲劳破坏行为,揭示含缺陷岩石疲劳损伤和破坏机理,本研究采用预埋抽条法制作含穿透裂隙白水泥试样,通过单轴压缩疲劳试验,探讨不同的裂纹倾角和应力分布对裂纹扩展的影响。试验结果表明：（1）低周疲劳破坏形态与静载压缩破坏形态基本一致,裂纹都是从裂隙尖端萌生,起裂角约为45°～75°,呈一定弧度向受压两端扩展,直至试样破坏,为典型的张拉I型断裂;（2）建立裂纹扩展长度与循环次数关系后发现,裂纹扩展速率随着循环次数的增加而先迅速增加后趋于平稳,最后又迅速增加,验证了疲劳破坏过程经历三个阶段,即疲劳裂纹初始塑性形变阶段、裂纹的缓慢增长阶段和裂纹的快速贯通阶段;（3）根据对疲劳应变能的分析可以看出,裂纹在萌生阶段所需要的能量较大,在裂纹开始扩展后,应变能密度基本保持不变,说明裂纹扩展过程中所需要的能量趋于稳定;通过对比不同应力水平、应力比的应变能密度曲线可以看出,在较大的应力水平、应力比下,应变能密度逐渐增加,表明试样在较大的应力水平和应力比下能够吸收更多的能量,裂纹的萌生与扩展也就更快。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

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。     

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。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

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。     

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。     

三轴压缩条件下冻融单裂隙岩样裂缝贯通机制

采用岩石力学伺服试验机,对预制单裂隙模型试样进行冻融循环后的三轴压缩试验,基于冻融循环试验对裂隙岩体的冻融损伤劣化模式进行研究,探讨经历不同冻融循环次数后的裂隙岩样在三轴压缩条件下裂缝的贯通机制。试验发现：裂隙岩体的冻融损伤劣化模式有颗粒散落模式、龟裂模式和沿预制裂隙断裂模式3种;在三轴加载条件下,冻融裂隙岩样的贯通模式呈现拉贯通、剪贯通、压贯通和混合贯通4种;贯通模式和冻融循环次数、围压的大小以及裂隙倾角有关,随着冻融循环次数的增加和围压的升高,岩样表面的破裂线越来越多,导致裂纹的贯通模式由单一贯通转换为混合贯通,在围压为2、6 MPa时,岩样的破坏模式为拉-压贯通,而围压为4 MPa时,岩样主要呈现拉贯通,裂隙倾角为30°的岩样主要贯通模式为拉贯通,裂隙倾角为60°的岩样主要贯通模式为剪贯通。     

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。     

基于3D-ILC含偏心内裂纹SCB断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉试验(SCB)为该领域经典实验,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技术(对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,对裂纹生长过程、应力双折射规律、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征等进行分析,开展数值模拟,得到裂纹尖端K_Ⅰ,K_Ⅱ,K_Ⅲ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K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ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。     

交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限-离散元数值模拟研究

对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元-离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明：随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸-剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元-离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。