岩石裂纹附近的变形局部化与破坏——激光全息干涉法的应用

本文介绍了应用激光全息干涉法观测单轴压缩条件下裂纹附近的离面位移场和岩石的变形破坏过程。着重指出了裂纹构造活动与微裂隙丛集发育的变形局部化前兆在这种破坏过程中的相互关联,并就其所反映的震源物理本质进行了讨论。     

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。     

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...     

岩石I型裂纹定向扩展规律试验研究

为精准获得岩石I型裂纹扩展演化全过程,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展了不同岩性试样裂纹扩展试验研究,借助声发射及数字散斑技术对裂纹扩展全过程进行了监测,建立了裂纹定向扩展力学模型,分析了裂纹扩展过程中声发射及变形场的演化规律,提出了评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,探讨了I型裂纹定向起裂扩展机制。结果表明：该简易裂纹定向扩展装置能够有效实现I型裂纹沿预定方向稳定扩展,其起裂角均小于10º,同时通过简化力学模型计算得到白砂岩、灰砂岩的裂纹扩展峰值强度与巴西劈裂抗拉强度相比偏差分别为22.76%、7.53%;根据变形场演化规律,可将裂纹扩展分为微裂隙发育（散斑变形场分区不明显）、主控裂纹孕育（散斑变形场出现分区现象）和主控裂纹扩展3个阶段;声发射演化过程可分为平静期、缓增期、急增期和降低期4个阶段,由于灰砂岩相较于白砂岩质地更致密、更坚硬,导致其声发射平静期长,而后3个阶段持续时间短;将载荷−位移曲线峰前与峰后的面积之比定义为评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,计算得到灰砂岩、白砂岩的CE分别为13～16、1～2,表明CE可有效评价岩石I型裂纹扩展难易程度;岩石I型裂纹起裂扩展机制可概况为：在加载峰值前裂隙尖端受最大拉应力作用,存储的弹性能快速增加、耗散能缓慢增加,但在加载峰值后裂隙尖端存储弹性能超过其储能极限迅速释放,此时输入能大部分转化为耗散能促进主控裂纹快速扩展。后续将对裂纹定向扩展试验装置进一步优化改进,以期为裂纹扩展机制、岩石破坏前兆信息、裂纹止裂原理等研究提供一种新方法,同时为工程现场煤岩层定向爆破、压裂、止裂等相关技术优化提供理论指导。     

岩石中裂纹孔隙率的实验测定

岩石中的孔隙按形状划分，可以大致分成孔洞和裂纹两类。孔洞的纵横比大，形状近似于球形，它与油气储藏有密切关系。孔洞孔隙度是岩石孔隙度的主要贡献。裂纹纵横比小，形状细长，它所造成的孔隙度是岩石总孔隙度的一小部分。但是岩石中裂纹的存在和裂纹孔隙度的变化，对于岩石的各向异性和S波的分裂有重要的影响。本文利用两类不同形状孔隙对流体静压力的不同响应，利用改变流体静压力的实验对岩石中的裂纹孔隙率进行了测定；实验得到的裂纹孔隙率和岩石裂纹的闭合压力，为了解岩石各向异性、S波分裂以及地壳动力学提供了基础数据。     

三维介质界面裂纹的动力分析

本文通过区域的连续映射推导了一种映射半解析边界元法，将其应用于界面裂纹问题的动力分析，可大大减小计算一。典型算例的结构表明，本文方法是非常有效的，并可推广应用于三维复杂形状裂纹的计算问题。     

用超小型压力机研究裂纹的稳态与非稳态扩展

本文利用显微镜观察记录了玻璃中预制小裂纹稳态与非稳态扩展的全过程。当对玻璃加载到初始压力P和压缩量u时,停止加载,并观察稳态扩展过程,测量破裂扩展的速度。根据测量结果,发现在预制裂纹稳态扩展时,扩展速度随着时间在增长,而初始压力P和压缩量u却保持不变。但是一旦非稳态扩展出现,初始压力P和压缩量u便突然下降。实验中的应力降和地震中的应力降在数量级上是相同的。最后我们讨论了稳态扩展过程中P和u不变的原因。我们认为:Griffith的破裂准则应用到破裂过程时不是十分完善的,需要作适当的修正。     

Earthquake triggering and delaying caused by fault interaction on Xianshuihe fault belt,southwestern China

The coseismic Coulomb stress change caused by fault interaction and its influences on the triggering and delaying of earthquake are briefly discussed.The Xianshuihe fault belt consists of Luhuo,Daofu,Kangding,Qianning and Ganzi fault.Luohuo(Ms=7.6,1973)-Kangding(Ms=6.2,1975)-Daofu(Ms=6.9,1981)-Ms=6.0,1982)earthquake is a seismic sequence continuous on the time axis with magnitude greater than6.0.They occurred on the Luhuo.Kangding,Daofu and Ganzi fault,respectively.The coseismic Coulomb stress changes caused by each earthquake on its surrounding major faults and microcracks are calculated,and their effects on the triggering and delaying of the next earthquake and aftershocks are analyzed.It is shown that each earthquake of the sequence occurred on the fault segment with coseismic Coulomb stress increases caused by its predecessors,and most after-shocks are distributed along the microcracks with relatively larger coseismic Coulomb stress increases resulted from the main shock.With the fault interaction considered,the seismic potential of each segment along Xianshuihe fault belt is reassessed,and contrasted with those predicted results ignoring coseismic Coulomb stress change,the significance of fault interaction and its effect on triggering and delaying of earthquake are emphasized.It is con-cluded that fault interaction plays a very important role on seismic potential of Xianshuihe fault belt,and the maximal change of future earthquake probability on fault segment is up to 30.5%.