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。     

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。     

爆炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性试验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了平板中预制贯通裂纹在爆炸应力波作用下端部衍生分支裂纹及爆炸主裂纹的扩展规律。预制贯通裂纹面在压缩应力波及反射拉伸波作用下表现出明显的张开和闭合交替变化,预制贯通裂纹减弱了爆炸主裂纹的动态扩展行为,爆炸主裂纹难以穿过预制贯通裂纹继续扩展。分支裂纹是爆炸应力波在预制贯通裂纹端部衍射效应形成应力集中而衍生、起裂、扩展,其开裂角与预制贯通裂纹、爆炸应力波入射角密切相关,分支裂纹尖端沿着最大能量释放率方向起裂,逐渐平行于最大主应力的方向稳定扩展,中后期扩展多表现为复合型断裂。爆炸分支裂纹的动态应力强度因子、扩展速度低于爆炸主裂纹,获得了分支裂纹起裂韧度为0.50～0.65 MN/m3/2、止裂韧度为0.25～0.35 MN/m3/2。     

断裂问题的扩展有限元法研究

扩展有限元（extended finite element method,XFEM）是近年来发展起来的、在常规有限元框架内求解不连续问题的有效数值计算方法,其基于单位分解的思想,在常规有限元位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数及裂尖渐进位移场函数,避免了采用常规有限元计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新加密网格造成的不便。在推导扩展有限元算法的基础上,分析了应力强度因子的J积分计算方法及积分区域的选取。采用XFEM对I型裂纹进行了计算,有限元网格独立于裂纹面,无需在裂纹尖端加密网格;分析了积分区域、网格密度对应力强度因子计算精度的影响,指出了计算应力强度因子的合适参数,验证了此方法的可靠性和准确性。     

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。     

单轴压缩荷载下闭合裂纹扩展的试验和数值研究

岩体内部存在大量的裂隙,由于填充物的存在,在大多数情况下裂纹面是闭合的,受外力作用时会产生摩擦力,进而会影响到岩体裂隙的起裂模式和扩展行为。因此,为了研究闭合裂纹的起裂模式和扩展行为,用类岩石材料PMMA有机玻璃板制成含有闭合裂纹的预裂试样,在试样上进行单轴压缩试验,用数字图像相关系统（digital image correlation,简称DIC）记录并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征。另外,使用扩展有限元法（extended finite element method,简称XFEM）来模拟闭合裂纹的萌生和扩展,通过模拟得到了含闭合裂纹试样的破坏过程,并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征,与试验结果吻合良好,验证了数值模拟的有效性。在此基础上,引入裂纹倾角和裂纹面摩擦系数为变量,模拟研究了其对闭合裂纹起裂和扩展行为的作用机制。研究结果表明,裂纹闭合条件下产生的裂纹为翼型张拉裂纹。裂纹倾角和裂纹面摩擦系数对闭合裂纹的起裂模式和扩展行为有较大影响,裂纹倾角越大,起裂角越大;相反,裂纹面摩擦系数越大,起裂角越小。另外,裂纹面摩擦系数会对闭合裂纹的扩展产生抑制作用,且随着摩擦系数不断增大,抑制作用...     

拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。     

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。     

单轴压缩下含倾斜单裂纹砂岩试件裂纹扩展量测研究

选用砂岩作为试验材料,进行不同倾斜角度单预制裂纹的单轴压缩试验研究,透过裂纹扩展量测技术以及配合相关断裂准则,得到：(1) 理论与实验的裂纹起裂角随裂纹倾斜角增加而增大;(2) 透过相关断裂准则,砂岩试件在裂纹尖端产生反翼裂纹是因为剪力破坏;(3) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹扩展受单裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹不易起裂;当裂纹倾斜角较大时,裂纹起裂比较容易;(4) 在单轴压缩作用下砂岩试件则受单预制裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹扩展属于非稳定扩展;当裂纹倾斜角较大时,裂纹扩展属于稳定扩展;(5) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹尖端A侧与裂纹尖端 B侧的裂纹扩展平均速度随裂纹倾斜角增加而降低。     

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。     

危岩应力强度因子的计算研究

危岩崩塌是山区主要地质灾害之一,其主控结构面的断裂失稳是导致危岩崩塌的根本原因。运用线弹性断裂力学的理论,引入应力集中系数法,建立了自重作用下的危岩应力强度因子的计算公式,可用于主控结构面与裂缝共线的危岩稳定性计算。同时还推导了基于ABAQUS 的J积分、位移外推法计算危岩应力强度因子的过程。通过实例表明,2种数值计算方法与解析结果十分接近,验证了ABAQUS计算危岩应力强度因子的合理性,最后模拟了危岩裂缝角度以及临空面宽度变化对危岩应力强度因子的影响。利用ABAQUS对危岩进行分析,并绘制应力强度因子在各因素影响下的趋势图,可以推测危岩失稳的临界条件。     

改进的数值流形法在水力劈裂中的应用

数值流形法在非连续变形分析领域具有独特优势。结合裂纹尖端场函数的基本概念,分析了水力劈裂破坏问题,模拟了水力劈裂破坏过程,避免了扩展有限元中的阶跃函数和水平集概念。为了避免裂纹尖端在单元内部不同位置而产生误差,对裂纹尖端附近一定范围内的每一个物理覆盖附加奇异覆盖函数。选取一个算例比较分析了内水压力对应力强度因子的影响,当考虑裂纹面内压时,定量分析比较了各因素对应力强度因子的影响大小,并应用于分支裂纹水力劈裂破坏。计算结果表明,改进后的计算结果与解析解相吻合。未考虑裂纹面内压,误差往往较大。考虑裂纹面内压后,随着裂纹长度的增加,误差逐渐减小;随着网格密度的增加,误差也逐渐减小。分支裂纹的渐进破坏结果表明该改进方法的可行性,具有较大的实际应用价值。     

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。     

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。     

Determination of Fracture Toughness of Anisotropic Rocks by Boundary Element Method

Summary  This paper presents a systematic procedure for determining fracture toughness of an anisotropic marble using the diametral compression test (Brazilian test) with a central crack on the discs. Additionally, a novel formulation to increase the accuracy in Stress Intensity Factor (SIF) calculations using Boundary Element Method (BEM) is applied to determine the stress intensity factors and the fracture toughness of anisotropic rocks under mixed-mode loading. The numerical results show that the SIFs for both isotropic and anisotropic problems are in good agreement with those reported by previous authors. The marble with clear white-black foliation from Hualien (in eastern Taiwan), was selected for the Brazilian tests. Diametral loading was conducted on the Cracked Straight Through Brazilian Disc (CSTBD) specimens to evaluate their fracture toughness. In addition, a new fracture criterion was developed to predict pure mode I, pure mode II or mixed mode (I–II) fracture toughness of the anisotropic marble. The new fracture criterion is based on the examination of mode I, mode II and mixed mode (I–II) fracture toughness for different crack angles and anisotropic orientation. Authors’ address: Associate Professor Chao-Shi Chen, Department of Resources Engineering, National Cheng Kung University, No. 1 Dasyue Rd., East District, Tainan 701, Taiwan     

地震效应下非线性抗剪强度参数对裂缝边坡稳定性影响的上限解析

基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,结合极限分析上限法和拟静力分析法,建立功能方程,推导了地震效应下裂缝边坡的安全系数计算方程。采用数学规划方法,计算了不同参数组合条件下的边坡安全系数值,详细分析了非线性条件下一系列参数对边坡稳定性的影响。研究表明,边坡安全系数随非线性参数和地震效应的增大而减小。对比分析可知,在非线性破坏准则下,裂缝深度较大时,裂缝对边坡稳定性影响显著,且边坡越陡影响越大;当裂缝深度超过某个值后,临界破坏面起始端可能不穿过裂缝最底端,而是从裂缝中间某部位穿过。在地震效应作用下,非线性抗剪强度参数对安全系数影响显著。研究成果进一步完善了裂缝边坡稳定性分析内容,所列图表为边坡的设计与施工提供有益参考。