单轴压缩荷载下不同倾角三维通透裂隙扩展机理研究

采用红砂岩制作分别含有不同倾角三维通透裂隙的圆柱体标准试件,进行单轴压缩试验,并结合实时监控和数值模拟的方法对其断裂破坏机制进行系统分析。试验发现:单轴压缩荷载下,不同倾角预制裂隙主要以翼裂纹和反翼裂纹两种模式扩展,扩展路径均在一定程度上偏离最大主应力方向,当预制裂隙倾角小于等于45°时,裂隙扩展以反翼裂纹为主,且扩展路径偏离程度随预制裂隙倾角的增大而增加,当预制裂隙倾角大于45°时,裂隙扩展以翼裂纹为主,且扩展路径偏离程度随预制裂隙倾角的增大而降低;含裂隙试件的起裂角度随预制裂隙倾角的增大而减小,起裂强度,峰值强度以及弹性模量均随预制裂隙倾角的增大而增大。数值模拟结果发现,翼裂纹的萌生与扩展主要由拉剪应力主导,反翼裂纹的萌生与扩展主要由压剪应力主导,拉应力集中区域随着预制裂隙倾角的增大而逐渐缩小。     

含异侧偏置裂纹试件的冲击断裂试验

利用新型数字激光动态焦散线试验系统,分析了含异侧偏置裂纹有机玻璃(PMMA)试件破坏的时程特性和裂纹尖端扩展过程中的应力奇异性变化。得出该加载条件下试件的断裂韧度约为1.16 MN/m_3/2,异侧偏置裂纹间距对试件冲击断裂韧度没有明显影响。一定范围内,异侧偏置裂纹间距越大,裂纹扩展的对称性越明显。贯穿主裂纹的扩展路径上存在一个明显的应力变化转折点,此处裂纹尖端的应力集中程度加强,试件由以拉伸破坏为主过渡为拉伸、剪切复合破坏。次裂纹尖端发生明显应力释放的同时,主裂纹尖端的应力集中明显加强。裂纹扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子表现出明显的震荡变化,主裂纹相对于次裂纹裂尖奇异性更强。     

双轴压缩下双裂隙类岩石材料破坏试验

通过预制双裂类岩板试件进行双轴压缩破坏试验,分析了不同裂隙倾角和不同岩桥角度对岩体破坏模式的影响。试验结果表明:双轴压缩下双裂隙岩体应力—应变曲线呈现S型,试件裂纹历经闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹的萌生和扩展(或试件局部变形)及应变软化阶段;不同的裂隙倾角以及岩桥倾角对试件的破坏模式以及岩桥贯通模式有较大影响;在相同裂隙倾角下,随着岩桥角度的增大,岩桥区域的贯通模式由剪切裂纹贯通模式向翼形裂纹和剪切裂纹的复合贯通模式,再向翼形裂纹贯通模式逐渐转化。     

冲击荷载下平行双裂隙演化的颗粒流分析

为了研究冲击荷载下平行双裂隙对岩石破坏的影响,采用二维颗粒流程序对分离式霍普金森杆一维冲击试验进行模拟。对预制平行双裂隙倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和完整的花岗岩试样进行冲击加载模拟,全面研究了平行双裂隙试件裂纹的萌生、扩展、贯穿的过程。结果表明：在冲击荷载的作用下,平行双裂隙明显降低了岩石强度。裂隙存在时,裂隙倾角与加载方向一致时,试样峰值强度和起裂强度均达到最大,呈劈裂拉伸破坏模式,在倾角为45°左右达到最小值,呈拉剪复合破坏模式。预先存在缺陷的倾角对裂纹萌生和扩展模式有很大影响。对应力场分析,平行双裂隙对应力波的传播产生阻碍,在岩桥区域变化最为明显。     

含缺陷材料冲击断裂的动态焦散线试验研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对固定倾斜角度不同离心率缺陷的PMMA试件进行了重锤冲击试验,研究含缺陷材料的动态断裂行为。研究结果表明:不同离心率的缺陷试件断裂形态基本相似;裂纹从试件下边界起裂,扩展至缺陷中部,发生停滞后由缺陷椭圆长轴上端点B继续起裂,直至贯穿整个试件。缺陷离心率的变化对裂纹的前期扩展没有明显的影响,对裂纹停滞时长及B点起裂时应力强度因子影响较大,缺陷离心率越大,停滞期时长越短。缺陷离心率的增大对缺陷端部的应力集中具有促进作用。     

单轴加载下裂隙试件主控裂纹演化规律及 锚固止裂机理

为研究裂隙岩体锚固作用机理,采用水泥砂浆预制不同倾角的裂隙试件,在裂隙上下两端一定距离预埋GFRP(玻璃纤维塑料筋材)锚杆制作加锚裂隙试件进行单轴压缩试验.结果表明:主控裂纹的形成与贯通是导致试件最终破坏的直接原因.无锚裂隙试件,主控裂纹贯通路径单一、贯通速度快,且受预制裂隙影响明显,裂隙倾角越大,主控裂纹扩展方向与裂隙轴线夹角越小.裂隙试件加锚后,主控裂纹贯通路径增多,裂隙倾角对主控裂纹的引导作用减弱.锚杆对裂隙试件峰前平均强度和峰值强度作用不大,但能够有效延长试件峰后强度的持续时间.无锚试件加载过程中能量释放具有"突变性",释放的总能量较少,加锚试件能量释放具有"渐变性",释放的总能量较多.裂隙扩展过程中能量的快速释放是主控裂纹形成和扩展的标志,主控裂纹数量越多、路径越长释放的能量就越大.锚杆的主要作用在于限制主控裂纹的快速形成和扩展,在相同的外力功作用下产生更多、更大范围的损伤和微裂纹,从而改变主控裂纹扩展路径,延长主控裂纹的贯通长度,通过遏制主控裂纹快速贯通来增加裂隙岩体的峰后强度和抗变形能力.     

不同厚度三点弯曲梁的裂纹扩展动态焦散实验

采用动态焦散线实验方法,对冲击作用下不同厚度的三点弯曲梁进行了研究,分析了厚度对其动态断裂过程的影响.结果表明:不同厚度三点弯曲梁在动态冲击实验中,预制裂纹起裂时间和扩展时间受到试件厚度的影响.厚度越大,起裂越慢,扩展时间越长;试件起裂后,不同厚度下裂尖的扩展速度和动态应力强度因子值随时间的变化曲线均呈现先快速上升后波动下降的趋势;裂尖扩展速度和动态应力强度因子的峰值随着厚度的增大呈现先上升后下降的趋势;厚度影响了反射应力波对裂纹扩展的抑制作用.     

节理频度对类岩石介质裂纹扩展行为的影响

为研究节理频度对类岩石介质受冲击荷载作用时动态裂纹扩展行为的影响,借助新型数字激光动态焦散线实验系统进行了试验研究.结果表明:随着节理频度的增大,竖向裂纹起裂时的动态应力强度因子减小,但大于水平节理翼侧裂纹起裂时的应力强度因子;裂纹扩展至节理区域时,动态应力强度因子有一个交替震荡的过程,此过程持续时间随节理频度增大而延长;竖向裂纹从加载到起裂时间并不明显改变,但从起裂到试件贯通破坏的时间近似线性增长;竖向裂纹起裂后的速度随节理频度增大有所减小,但大于裂纹扩展通过节理区域后的速度.可见不同节理频度类岩石介质的裂纹扩展行为存在差异,为冲击荷载下岩石断裂破坏提供理论参考.     

红砂岩不同张开度表面裂隙三维扩展模式研究

岩石表面裂隙是造成岩体缺陷的重要因素。以红砂岩制作标准岩石试件,通过单轴压缩、实时监测、CT扫描和数值分析方法,分析不同张开度表面裂隙试件裂纹三维扩展模式及其物理力学性质。研究表明:单轴荷载下,表面裂隙从内部开始扩展,并逐渐延伸至试件表面;在试件内部,裂纹面包裹在预制裂隙周边,主要沿最大主应力方向扩展,并在边界的影响下逐渐向试件表面靠近;表面裂隙张开度越小,其扩展方向受边界影响越大;随表面裂隙张开度增大,岩石的峰值强度、峰值应变和弹性模量均变小;数值分析发现,受边界影响,预制裂隙周边的应力影响带向表面倾斜,成为导致裂纹扩展路径向试件表面靠近的重要因素。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验研究

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

动静荷载下类节理岩体裂纹扩展特性研究

为了研究节理岩体在动静荷载下的裂纹扩展特性,采用室内试验和颗粒离散元程序PFC2D5.0对类节理岩体在动静荷载下的破坏形态进行研究.对比分析不同荷载下节理倾角对破坏形态的影响.结果表明,节理倾角等于45°时为翼裂纹与次生裂纹转变的临界角度值;当倾角小于45°时,新生裂纹主要为翼裂纹,裂纹起裂与岩体破坏主要受张拉应力控制;当倾角大于45°时,新生裂纹主要为次生裂纹.裂纹起裂与岩体破坏主要受剪切应力控制.在冲击荷载下,单节理岩体与双节理岩体的破坏形态类似,都为张拉破坏,主要裂纹形式为翼裂纹.     

水力耦合作用下三维中空裂隙扩展模式与材料破坏强度的试验研究

采用透明树脂类岩石材料制作含三维中空单裂隙试件,开展水力耦合破裂试验,研究三维裂隙起裂扩展模式,分析裂隙倾角和水压对裂隙起裂应力及试件破坏强度的影响规律。研究结果表明:三维中空裂隙的起裂和扩展模式与闭合裂隙相比差异显著,水力耦合下三维裂隙起裂扩展模式呈现低水压与高水压2种类型,水压升高对裂隙起裂、扩展具有显著的促进作用,并改变试件的破坏模式;随裂隙倾角增大,翼裂纹临界扩展长度逐渐减小,鱼鳍状裂纹的萌生时间呈后延趋势;水压对裂隙起裂应力和试件破坏强度的影响分别存在阈值,在达到阈值前,水压升高使起裂应力小幅度增大,而破坏强度逐渐降低;当水压超过阈值后,起裂应力与破坏强度均迅速降低;裂隙起裂应力和试件破坏强度均随裂隙倾角增大而呈先降低后升高的趋势,但起裂应力的变化幅度比破坏强度的变化幅度更大。     

均质度对脆岩压缩破坏及裂纹扩展的影响规律

为研究均质度对脆性岩石单轴压缩力学特性、破裂特征及裂纹扩展的影响规律,应用离散元UDEC软件建立了Voronoi块体集数值试件,借助FISH语言及Weibull分布函数实现了块体弹性模量及块体接触面抗拉强度的非均匀分布,开展了不同均质度系数下脆性花岗岩的单轴压缩模拟试验.结果表明:试件的抗压强度、弹性模量均随均质度系数增大而增大,而破坏前变形量则随均质度系数增大而减小,并都趋于稳定;试件宏观破裂形态呈X形共轭斜面剪破坏,细观破坏类型包括晶粒间及晶粒内部的拉、剪破坏;应力峰值前试件以拉破坏裂纹扩展为主,峰值后以剪破坏裂纹扩展为主;均质度系数越小,裂纹扩展及分布越分散,裂纹累计长度也越小,但在轴向应变小于0.2%时,拉破坏裂纹长度与均质度系数变化成反比,说明非均质程度较高的试件在压缩初期已开始出现拉破坏裂纹的扩展;此外,均质度系数为6.0的试件与均质试件的力学特性及裂纹扩展已较为接近,故在采用Weibull分布来描述岩石的非均质性时,均质度系数的取值不应过大.     

循环加卸载条件下脆性岩体裂纹演化规律

采用离散元颗粒流软件对预制双裂隙大理岩的裂纹扩展及力学响应进行分析,在获得一组较完善的岩石细观参数的基础上,模拟含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在三轴循环加卸载作用下裂纹的扩展与破坏特征。研究结果表明:裂纹扩展情况不仅受到预制裂隙倾角的影响,而且也随着围压的变化而变化;在三轴循环荷载下,预制的水平裂隙对倾斜裂隙有一定的保护作用,随着倾角α增大,水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用越明显;预制双裂隙大理岩在循环加卸载作用下,裂纹数量随围压增大而增大,且在整个循环加卸载过程中,微裂纹数量曲线呈现相同的增长规律;倾斜裂隙的角度α对试件的峰值强度也有一定影响,当α增大至60°时,在不同围压下的峰值强度均显著提升,α60°时峰值强度增加幅度又变小。     

拉剪倾倒型危岩失稳影响因素研究

运用断裂力学分析危岩中的倾倒变形破坏,基于岩石拉剪断裂试验,研究裂纹在载荷作用下起裂、扩展规律,探索断裂过程中裂纹的扩展行为,并探讨裂纹长度、宽度、倾角与荷载位置对危岩失稳模式与稳定性的影响。以重庆万州太白岩危岩为例,利用有限元软件ANSYS计算不同裂纹条件下裂纹尖端的应力状态,并讨论其与联合断裂应力强度因子的关系,模拟裂纹扩展的动态过程。结果表明,拉剪倾倒型危岩在受力破坏过程中,裂纹尖端出现拉应力集中,危岩的开裂从张拉破坏开始,下部出现压剪破坏,危岩稳定性的影响因子敏感性从大到小依次为:荷载位置、裂纹长度、裂纹倾角、裂纹宽度。     

预制裂隙几何参数对类岩材料破坏模式及强度的影响

采用岩石力学伺服试验机,对混凝土材料预制裂纹试件进行单轴压缩试验,根据试验结果分析裂隙参数(裂隙倾角和岩桥倾角)对试件破坏模式和试件单轴抗压强度的影响规律。研究结果表明,当以岩桥倾角分组时,60°岩桥倾角试件组单轴抗压强度最小;当以裂隙倾角分组时,75°裂隙倾角试件组单轴抗压强度最大。裂隙参数变化对于试件的破坏模式及其单轴抗压强度影响显著,并且不同破坏模式中起主要影响作用的参数不同。对于预制裂隙贯通破坏的试件,其微裂纹的搭接贯通模式及试件的单轴抗压强度主要受岩桥倾角影响;对于单裂隙微裂纹贯通破坏和无微裂纹发育的整体脆性破坏的试件,其破坏模式及单轴抗压强度则主要受到裂隙倾角的影响。     

基于离散元方法的预制裂纹扩展过程分析

对预制裂纹花岗岩试件进行了单轴压缩试验,得出了不同裂纹倾角下的岩石强度与弹性模量变化规律.建立了不同裂纹倾角下的岩石颗粒流计算模型,并根据室内试验结果标定了计算模型的细观参数.通过编制FISH语言提取了裂纹扩展过程中的裂纹信息,并进行了详细分析.研究结果表明:随着预制裂纹倾角的增大,裂纹起裂应力、起裂角不断增大,裂纹扩展由最初的翼型裂纹占主导向次生裂纹占主导转变;通过定义的裂纹聚集系数分析得出随着裂纹倾角的增大,裂纹聚集系数曲线由光滑变得曲折,裂纹扩展路径由集中向分散过渡.     

单压下节理密度及倾角对类岩石试件强度及变形的影响

通过预制张开节理类岩石试件,在单轴压缩条件下,研究节理密度及倾角的组合作用对试件强度和变形特征的影响.试验结果表明:(1)随着节理倾角的增大,应力-应变曲线由多峰值转变为单峰值,试件脆性增强,延性减弱;(2)节理密度对当量峰值强度的影响与节理倾角大小有关,对当量弹模的影响呈"V"形变化,即当量弹模随着节理密度的增大呈现先减小后增大的变化规律;(3)当量弹模随节理倾角的增大而增大,在节理倾角为90°的时候达到最大值,为完整试件弹性模量的70％～80％;(4)节理倾角对多节理类岩石试件当量峰值强度和当量弹性模量的影响大于节理密度的影响.对试验结果进一步分析发现:节理密度及节理倾角与应力-应变曲线、当量峰值强度及当量弹性模量之间的关系,其变化规律与试件的破坏过程息息相关,其破坏模式可分为张拉破坏、剪切破坏和复合破坏.     

表面裂纹对大理岩破坏特性影响

为研究表面裂纹对大理岩破坏特性的影响,采用室内试验的方法,获得了0°、30°、60°倾角单预制表面裂纹和45°倾角的双表面裂纹试件的单、三轴试验结果.结果表明:表面裂纹对试件中新裂纹的产生具有明显的诱导作用,但未对试件整体强度产生明显影响;围压对试件的破坏形式有决定作用:单轴压缩下,试件多表现为劈裂破坏,三轴压缩下,试件为剪切破坏;单预制表面裂纹对最终的破裂扩展路径不起决定性作用,双预制表面裂纹则对破裂断面作用明显.研究结论可以为岩土工程中裂隙岩体的失稳和破坏的预警提供参考.