岩石Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性的测试及其影响因素分析

根据直缝巴西圆盘（SNBD）试件计算应力强度因子的原理,设计组建了一套岩石Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性测试系统,测定了岩石的Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性,并与厚壁圆筒法的I型断裂韧性测试值进行了比较。根据试验结果,分析了试样尺寸、围压等因素对Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性的影响。结果表明,研制的试验装置能够可靠地测出Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性;试件厚度最好大于30 mm,初始裂缝半长与圆盘半径的比a/R为0.1-0.3时,可很好地确定Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性;Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性测试值均有随围压增大而增大的趋势。     

岩石材料动态断裂韧性的实验研究

为了研究岩石类材料的动态力学性能及动态破坏机理,防止出现岩石爆裂造成灾难性破坏,根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法和分离式霍普金森压杆的基本原理,在SHPB装置上测试了花岗岩的动态断裂韧性。对测试结果按照SHPB基本原理进行处理,以试件两端平均载荷带入准静态公式得到动态断裂韧性。处理结果表明,用试件两端平均载荷获得岩石动态断裂韧性的实验方法有效的;花岗岩的动态断裂韧性具有加载速率相关性,随着加载速率的增加断裂韧性增大。     

温度对岩石类材料断裂性能的影响研究

根据CCCD-SHPB测试原理,利用平台巴西圆盘研究温度对岩石类材料断裂性能的影响,实验过程中通过控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度.根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法,在SHPB装置上完成岩石类材料的动态断裂韧度随温度变化的测试,获得了不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度.     

脉冲载荷影响岩石动态断裂韧性的有限元分析

依据岩石材料的力学性质以及中心裂纹圆盘试件在脆性材料断裂韧度测试方面的优越性,提出了在霍布金森压杆上使用中心裂纹圆盘试件来测试岩石动态断裂韧度的试验方法。利用有限元分析软件,通过对该试验系统的纯Ⅰ型加载情况下的三维动力学有限元计算,系统的分析了加载脉冲上升沿对岩石类材料动态断裂韧度测试的影响。通过比较中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解,依据有限元分析结果确定动载荷脉冲上升沿时间对岩石动态应力强度因子的影响,从而选择合理的时间值。     

重庆合川地区须二段岩石断裂韧度

探讨重庆合川地区上三叠统须家河组第二段储层岩石在水力压裂过程中的裂纹扩展特性。通过50 kN电子伺服试验机及“人”字形切槽巴西圆盘试件对须二段致密砂岩进行断裂韧度实验研究,获得Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧度的数据,并对断裂韧度的特征及其与岩石力学参数的关系进行分析。结果表明须二段砂岩轴向和径向上的Ⅰ型断裂韧度都小于Ⅱ型断裂韧度。随着砂岩粒度的增大,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度都逐渐减小,且与弹性模量、抗压强度、抗张强度及内聚力呈现较强的正相关性。Ⅰ型张开型的裂缝扩展特征和贯通程度要比Ⅱ型滑开型的简单且破坏较弱,若岩样中含有纹层等弱的岩石力学结构面,岩样的裂纹扩展样式更加复杂,断裂韧度测试值也相应地减小。合川地区须二段砂岩在纵向上进行压裂作业时,更容易在纵向上形成延伸较远的纵张裂缝。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

中心裂纹圆盘裂纹形状尺寸对应力强度因子的影响

采用有限元数值分析方法 ,分析了由脆性材料制成的中心裂纹圆盘试件 ,在复合模式加载条件下裂纹形状尺寸 ,尤其是裂纹宽度和中心小孔半径对应力强度因子的影响 .结果表明 :槽式和槽孔组合式裂纹圆盘试件 ,其I型无量纲应力强度因子FⅠ均比按理想裂纹推出的解析解大 ,而Ⅱ型无量纲应力强度因子FⅡ 均比解析解小 ;随着加载角度增加 ,FⅠ 的数值解与解析解的差值逐渐变小 ,而FⅡ 的差值逐渐变大 ;同时 ,随着裂纹槽宽度或中心小孔半径的增加 ,应力强度因子数值解与解析解之差逐步增加 .依据数值分析的结果 ,给出了这两类试件相对于理想中心裂纹圆盘试件应力强度因子解析解的修正公式 .     

织物结构对增强复合材料层间断裂韧性的影响

采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响.实验结果表明,织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响.提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并研究了其与层间GⅠC和GⅡC的关系.     

基于三轴压缩试验的红砂岩本构模型

利用RMT150B型岩石力学多功能试验机对红砂岩试样在不同围压条件下的三轴压缩应力应变全过程曲线进行了系统试验研究。研究表明：围压增大，岩石的峰值强度也随着增高；红砂岩的体积应变在峰值后区表现出很大的剪胀性。基于试验结果，分析了岩石屈服强度、峰值强度、残余强度与围压之间的关系，根据试验得到了典型三轴压缩应力应变全过程曲线，建立了一个由线弹性段Ⅰ、线弹性段Ⅱ、线性软化段、线性残余塑性流动段组成的线性本构模型，给出了红砂岩4个阶段的本构方程，并确定了相关参数。     

考虑围压影响下的层状岩体压缩特性

为了研究围压作用情况下的层状岩体压缩特性,采用数值方法建立分析模型,计算不同围压下岩体的应力和应变后发现,随着结构面倾角的增大,层状岩体的抗压强度呈现先减小后增大的趋势;结构面倾角为60°时试件的三轴抗压强度最小;层面倾角为90°时对应的三轴抗压强度最大;对于相同倾角的试件,三轴压缩强度与围压呈显著的线性关系。数值试验反应的岩石应力-应变曲线与试验得到的结果相符,随着围压的增大,试样的刚度不断增大,弹性模量与围压之间呈线性关系。     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度K_(ⅡC)的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡC ,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ 的一般计算公式 ,并探讨了KⅡC的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理 .实验及数值计算结果表明 :在剪切盒加载下 ,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度 ,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度 ,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KⅠmax的 2～ 4倍 ,从而导致产生Ⅱ型断裂 ;测得的KⅡC值随无量纲切口长度 (2a W)的增加而降低 ,当 2a W≥ 0 .7,且B≥W ,α为 6 5°～ 75°时 ,KⅡC趋近于一个常数 ,该常数为Ⅰ型断裂韧度KⅠC的 2～ 3倍 ,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值 ;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡC 的行之有效的方法 .     

中心裂纹圆盘集中载荷作用下的应力强度因子

在无裂纹圆盘应力分量解析解的基础上，利用泰勒级数展开，并运用三角函数的倍角公式，得到了σθ、σrθ和σr幂级数展开式及其系数Aji的统一表达式．然后，用权函数方法推导出Ⅰ Ⅱ复合模式加载条件下中心裂纹圆盘试件应力强度因子是KⅠ和KⅡ的计算公式及系数fji的统一表达式，可以解决任意相对裂纹长度或任意加载角(裂纹方向与载荷作用线夹角)下，KⅠ和KⅡ的精确计算问题．算例分析表明随着裂纹相对长度α的增大，计算应力强度因子时，必须取足够大的项数n(n＞5)，才能保证级数解的精度；对于中心裂纹圆盘试件，产生纯Ⅰ型裂纹的加载条件不随裂纹的相对长度而变化，而产生纯Ⅱ型裂纹的条件与裂纹的相对长度和加载角相关；此外，当实施纯Ⅱ型裂纹试验时，可根据实测的裂纹相对长度α，计算出试验应设置的临界加载角θc．     

围压-孔隙压力作用下碳酸盐岩力学特性实验

对塔河碳酸盐岩岩心进行了一系列围压、孔隙压力条件下的三轴压缩测试,分析结果发现:1低围压时,碳酸盐岩石表现出很强的脆性,抗压强度低;高围压时,碳酸盐岩石表现出强塑性,且可能出现塑性硬化。2碳酸盐岩的弹性模量随围压的增大而增大,抗压强度随孔隙压力的增大而降低。3孔隙压力增大,碳酸盐岩的内聚力增大,内摩擦角降低。     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度KⅡc的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡc,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ的一般计算公式,并探讨了KⅡc的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理.实验及数值计算结果表明在剪切盒加载下,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KImax的2～4倍,从而导致产生Ⅱ型断裂;测得的KⅡ c值随无量纲切口长度(2a/W)的增加而降低,当2a/W≥0.7,且B≥W,α为65°～75°时,Kc趋近于一个常数,该常数为Ⅰ型断裂韧度KIc的2～3倍,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡc的行之有效的方法.     

不同围压下岩石材料强度尺寸效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统,对不同围压下不同尺寸岩石材料进行了数值模拟试验．研究了围压与岩石材料强度尺寸效应之间的关系．结果表明,围压越大,岩石材料强度尺寸效应越不明显,即围压能够降低尺寸对岩石强度的敏感程度．岩石材料的非均质性不是一个静态变量,而是一个动态参数,与岩石材料内部裂纹的损伤演化密切相关．低围压时,岩石试件内材料并未趋于均匀化,非均质性显著,强度尺寸效应明显;而高围压时,岩石试件内材料由低到高逐渐屈服破坏,材料趋于均匀化,均质性较好,因而强度尺寸效应不明显．     

软弱节理面对于岩石三轴抗压强度的影响研究

利用数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了结构面不同倾角、条数及侧限围压对于岩石试件三轴抗压强度的影响。结果表明:(1)岩石试件中所含节理面倾角不同时,岩石破坏模式不同。节理面对于岩石强度及变形的控制作用与节理面产状相关;(2)随着岩石中节理条数的逐渐增加,岩石抗压强度相应降低,但对于节理控制型岩石,其主要破坏模式仍以节理面上下部分相对滑移破坏为主;(3)随着围压强度的逐渐增加,含节理面岩石抗压强度逐渐增加,但增加幅值与节理面控制作用大小相关。     

岩石断裂韧度与抗压强度的相关规律

利用Instron 1342型电液伺服材料试验机,采用单轴压缩试验和双扭常位移松弛试验对大理岩、上盘二辉橄榄岩、下盘二辉橄榄岩、矿石、混合岩5组岩石的试件进行力学参数测试,获得相应的抗压强度、Ⅰ型断裂韧度等试验数据.以试验数据为依据,分析这5组岩石的Ⅰ型断裂韧度与抗压强度的关系.研究结果表明:随着抗压强度σ_c的增加,I型断裂韧度K_(Ⅰc)相应增大,且呈很好的线性关系,其关系式为:K_(Ⅰc)=0.026 5σ_c+0.001 4,其相关系数R~2为0.94.基于该关系式,可由易于测试的抗压强度估算Ⅰ型断裂韧度.     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

围压对峰后岩石非Darcy流渗透特性影响的试验研究

研究围压对峰后岩石非Darcy流渗透特性的影响对峰后岩石非Darcy渗流系统的失稳具有十分重要的意义.本文基于岩石渗透试验装置与MTS815.02岩石力学伺服试验系统,研究给出了峰后砂泥岩、灰岩、砂岩在不同围压下的非Darcy流渗透特性.以上试验研究表明,峰后岩石非Darcy流渗透率随着围压的增大而下降,其关系可近似用指数函数拟合;而峰后岩石非Darcy流β因子的绝对值随围压的增大呈增大趋势,其关系可近似用对数函数拟合.