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。     

炭质页岩巴西劈裂载荷下破坏过程的时空特征研究

页岩在加载过程中的破裂时机及其空间位置研究对于页岩气探测及储层评价具有重要意义,为此开展了不同层理倾角条件下页岩的巴西圆盘劈裂载荷下的破坏过程试验,采用数字图像相关技术（DIC）,全程跟踪页岩裂纹萌生、扩展和贯通全过程的变形场实时演化特征,同时记录力-位移曲线,利用扫描电镜获得炭质页岩的破裂面特征及微观结构,采用宏、细观相结合的手段,研究不同层理方向炭质页岩微裂缝起裂时间、空间位置和扩展规律及其破裂机制。结果表明：页岩的巴西劈裂强度随层理方向与加载方向角度的增大而逐渐增大;随加载方向与层理面夹角的增加,裂缝萌生的时间逐渐增加,而裂缝从萌生、扩展到贯通所用时间逐渐减少。所有角度试件基本从试件端部萌生裂缝并沿层理面扩展,除90°试件外,不同层理倾角试样主裂缝破裂的位置逐渐偏离中心位置而向试件外侧发展。各角度试件主破坏类型存在一定差异性,除90°试件竖向主裂缝为张拉破坏外,随加载方向与层理面夹角的增加,各加载角度试件的主破裂模式从张拉剪切破坏逐渐过渡为剪切滑移破坏。     

干湿交替作用后砂岩破裂过程实时观测与分析

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了天然状态及干湿交替作用后的完整和含预制圆孔砂岩试件的单轴压缩破裂试验。利用显微镜观察了砂岩裂纹萌生、扩展以及试件的失稳破坏过程。经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生裂纹的扩展,并且裂纹扩展的初始阶段一般表现为拉破裂。完整试件的裂纹是随机性的三维扩展,而有预制圆孔试件一般是从预制圆孔周边开始扩展。天然状态下的预制圆孔试件在起裂时从圆孔的压应力集中区产生剪切裂纹;而干湿交替作用后,起裂时可能先从拉应力集中区产生拉裂纹,并且裂纹演化过程更为复杂一些,破裂形式多样化。与天然状态相比,经过干湿循环作用后的砂岩破坏脆性降低,强度等力学参数也随干湿交替次数增加而逐渐降低。     

条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究

采用动态焦散线试验和ABAQUS数值分析方法,对条形药包爆破载荷作用下不同角度预制贯通裂纹的扩展行为进行了研究。研究结果表明：在爆炸应力波的作用下,柱部区域和端部区域0°预制贯通裂纹远端翼裂纹背离炮孔方向扩展,而近端翼裂纹朝向炮孔扩展。预制贯通裂纹远端的应力集中程度较近端高,并且远端翼裂纹的止裂韧度更低,翼裂纹更易扩展。在爆炸应力波的作用下,柱部区域90°预制贯通裂纹由张开逐渐转为闭合,爆炸应力波在已闭合的预制贯通裂纹面发生透射,并在预制贯通裂纹尖端产生压剪应力集中,形成以II型断裂为主的I-II复合型裂纹,并近似垂直于预制贯通裂纹面扩展,随后,在自由面反射应力波的作用下,反翼裂纹沿预制贯通裂纹面起裂扩展;炮孔端部区域90°预制贯通裂纹处翼裂纹的起裂是由于爆炸应力波在预制贯通裂纹处产生反射拉伸波的结果,促使预制贯通裂纹端部产生拉应力集中,形成近似I型裂纹,随后,翼裂纹逐渐转向爆炸应力波传播方向扩展。     

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。     

空孔形状对岩石定向断裂爆破影响规律的研究

利用新型数字激光动态焦散线试验系统,采用有机玻璃板试件进行模型试验,研究了含预制不同形状空孔对岩石定向断裂控制爆破的影响规律。试验结果表明：在定向断裂控制爆破中,设置菱形空孔更有利于实现精细化定向断裂控制爆破,可有效保证巷道周边眼爆破的成型效果;对比含3种不同形状空孔试件爆生主裂纹扩展速度可知,含菱形空孔的扩展速度最大,含圆形空孔的次之,含带刻槽圆形空孔的最低;含圆形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子总体比含菱形和切槽圆形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子大;主裂纹扩展中后期阶段,含菱形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子相对较小。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称"孔-隙"）赋存条件下的裂纹扩展规律,利用RFPA软件,对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析,获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线,同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生,含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生;翼裂纹贯穿试件的同时,在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹,并产生分叉,非均质系数影响次生裂纹走向;压载前期试样以拉破坏为主,压载后期以拉-剪组合破坏为主,次生裂纹的产生与剪切破坏有关;声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大,后期迅速增大,预制裂纹倾角越小,非均质系数越大,声发射累计能量越大;不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段,孔-隙的存在降低了试样的峰值强度,影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。      

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...     

不同静应力和节理条件下岩体爆破破岩机制研究

考虑不同应力条件和岩体节理属性,对静应力作用下含有长节理和局部短节理花岗岩的爆破破岩机制进行研究,探讨静应力、节理位置和充填介质物性等因素对爆破效果的影响。在节理间充填弹性弱介质和空气两种情况下研究半无限长节理面反射拉伸破坏效应和端部衍生翼裂纹扩展特性;在不同静应力作用下,改变爆源与节理间的距离,研究长节理面反射效应对爆破裂纹扩展的影响规律;在保持节理近端与爆源距离和节理长度不变的情况下,研究短节理端部衍生翼裂纹产生、扩展的规律。通过比较表明,当节理充填介质时,节理面的反射拉伸破坏作用弱于不充填情况,而前者的端部翼裂纹发育明显比后者充分;长节理阻断了爆破主裂纹的扩展,节理面反射拉伸应力波产生的拉裂纹与爆破主裂纹耦合贯通在爆源与节理之间岩体内产生密集裂纹网,改善了该区域岩体的破碎效果,但随爆源与节理之间距离的增大以及静应力增高,这种破岩效应逐渐消失;入射角对节理端部衍生翼裂纹的产生与扩展影响显著,而静应力对翼裂纹起抑制作用。     

加锚岩石抗弯特性试验研究

采用煤层顶板岩石作为加锚基体,用钢丝模拟锚杆,薄钢片模拟钢带,对加锚体进行了三点弯试验,并与常规试件进行对比分析。结果表明,因岩石抗压与抗拉性能的差异,试件在弯曲过程中,下表面拉应变的增长速度大于上表面压应变的增长速度,裂纹最先在下表面产生并逐渐向上发展。加锚试件,因锚杆改善了锚固区域岩石的力学性能,且钢带与锚杆共同承担了一定的拉应力,锚固试件抗弯能力有所增强。试件截面应力状态可以结合破坏过程分为3个阶段,第1阶段为弹性阶段;第2阶段为裂纹产生与扩展阶段,岩石承载能力逐渐劣化,拉应力逐渐向钢带转移,岩石裂纹发展受限,试件抗弯能力有较大提升;第3阶段为破坏阶段,锚杆失黏,挠度持续增加而试件承载能力趋于稳定。     

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。      

三维裂隙间距对砂浆材料力学特性的影响

采用刚性伺服试验机和声发射仪器,研究了预置三维裂隙间距对砂浆材料力学特性的影响,总结了含裂隙试件的破坏过程。综合分析单轴压缩应力-应变曲线和声发射数据可知,含三维裂隙试件的破坏主要由预置裂隙扩展、贯通造成,破坏过程可以分为微裂纹萌生、预置裂隙起裂、扩展、贯通几个基本阶段,试件最终破坏型式为单斜面剪切破坏。裂隙间距d与椭圆形裂隙长轴2c之比(d/2c)在0～1范围内,随着d/2c值增大,试件起裂应力σi和峰值强度σp有降低的趋势。当d/2c值从1/3增至2/3时,σi和σp发生突降,可见此范围为影响强度的敏感区间。d/2c值为1的试件σi和σp最低,相对完整(无预置裂隙)试件分别降低了22.48%和18.60%。裂隙间距不同的试件σi和σp之比变化范围为83.1%～78.9%,且随d/2c值增大,σi/σp有下降趋势。可见裂隙间距越大,从起裂应力到峰值应力的承载空间越大,这对工程实践有一定参考价值。     

三维数值流形法在裂纹扩展中的应用研究

运用三维数值流形法（3D NMM）进行三维裂纹扩展分析,并采用C++语言编写了相应的程序。充分利用三维数值流形法模拟裂纹扩展的优势,只需要更新裂纹尖端线附近的边界环路和流形单元,不需要使用阶跃函数。根据三维数值流形法计算得到的应力结果,应用非局部求迹方法分析每个裂纹尖端的破坏状态,如果发生破坏则沿垂直于其最大主应力方向扩展。针对裂纹扩展后的不同状况,采用四边形或三角形推进法。裂纹扩展后为了使变形后的面保持平面,必须对新生成的面进行三角化分割。对诸如单边裂纹、平行钱币型裂纹和倾斜钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟。计算结果表明,采用三维数值流形法进行裂纹扩展模拟是可行的,文中方法对裂纹尖端线非闭合和闭合的情形均适用,且文中方法对于裂纹尖端线位于单元内部的非平面裂纹扩展也是有效的。     

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。     

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。     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

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。     

`Crack–seal', slip: a new fault valve mechanism?

This paper presents a new model of fault development in carbonate rocks involving a crack–seal–slip sequence. The structures of sheared calcite veins from the Les Matelles outcrop, Languedoc (S. France), and the observations used to construct this new model which integrates aspects of `crack–seal' evolution of calcite-filled veins with concepts of fault valve behaviour are described. In our model, hydraulic mode I reopening of an oblique pre-existing vein in an overall strike-slip stress regime is accompanied by precipitation of calcite, but significant fault slip cannot occur initially despite this obliquity because the ends of the pre-existing structure limit further reopening propagation beyond the tips. The rate of aligned calcite precipitation keeps pace with the rate of dilation of the structure, so that calcite cement essentially seals the system. Stress concentrations at the tips are allowed to rise with reopening until failure of the tip zone results in branch crack formation, triggering both slip along the vein and hydraulic pressure drop. This is followed by sealing within the branch cracks. Such a crack–seal–slip cycle may be repeated several times, as evidenced by fault-perpendicular calcite vein growth interlayered with calc-mylonite lamellae within these structures. Later cycles will become less pronounced because strength recovery of the sealed branch cracks does not regain the initial strength of the intact rock. This model could apply at various scales, and could be a mechanism for triggering earthquakes.