渗透压作用下压剪岩石裂纹损伤断裂机制

在研究渗透水压和远场应力共同作用下压剪滑移型岩石裂纹的起裂、扩展规律的基础上,考虑分支裂纹相互作用,建立压剪应力场和渗流场共同作用下岩石裂纹体的损伤断裂力学模型和考虑岩桥损伤所引起的附加应力强度因子演化方程,提出分支裂纹临界长度时裂纹尖端虚拟应力强度因子KI(LC)作为压剪岩石裂纹的损伤断裂贯通的破坏准则.研究结果表明:在既定裂纹分布下,分支裂纹尖端应力强度因子KI受侧压力系数λ、渗透压P、裂纹表面摩擦因数μ的制约;当轴向应力和裂纹面摩擦因数一定时,在低渗透压、侧向拉应力共同作用下,压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而在高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏.     

渗透压下岩石翼形裂纹应力强度因子及断裂判据

为研究渗透压下岩石翼形裂纹面部分闭合情况下的破坏行为,建立多裂纹间相互作用下压剪翼形裂纹的力学模型,推导得到岩石翼形裂纹尖端应力强度因子表达式.分析不同起裂角条件下,应力强度因子随岩石翼裂纹长度的变化规律,并对参数进行敏感性分析.基于摩尔-库伦准则,推导考虑裂纹间相互作用的部分闭合型裂纹的断裂韧度表达式,得到岩石在压剪应力作用下Ⅰ,Ⅱ型裂纹的复合断裂判据.分析结果表明:裂纹间相互作用对应力强度因子的影响效果显著;应力强度因子在起裂角为65°左右时达到最大;应力强度因子对裂纹起裂角和翼形裂纹长度较敏感,对裂纹闭合度的敏感性较小.     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

渗流损伤耦合模型在三峡工程中的初步应用

利用流体扩散能量叠加原理,建立了裂隙岩体介质的渗透张量数学表达式综合运用断裂力学和损伤理论,探讨了复杂应力状态下多裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的启裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,给出了裂隙岩体损伤场与渗流场耦合方程在此基础上,编制了平面有限元计算程序以对三峡永久船闸高边坡稳定性进行分析     

双剪统一强度理论下复合裂纹的研究

应用双剪统一强度理论,研究了复杂应力下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型复合断裂问题,给出了包含反映材料拉压性能差异的参数α及反映中间主应力效应的参数b的双剪统一强度断裂因子,通过改变拉压性能差异系数和中间主应力作用效应系数,退化得到不同屈服准则和不同材料下的断裂因子。当取不同的参数时,该统一解退化为双剪应力屈服准则解、MohrCoulomb解、Tresca和Mises解。结果表明,该双剪统一强度断裂因子可以适应于各种不同材料和不同受力情况,能充分发挥材料潜力,有重要的工程应用价值。     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

岩石断裂的研究

本文在压剪应力作用下对岩石进行了断裂试验,描述了岩石Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹的压剪特征,并得出了岩石的压剪断裂判据。     

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。     

材料线弹性断裂力学的断裂准则研究进展

 断裂准则在预测含裂纹材料发生破坏的时间、位置和裂纹扩展路径等方面具有重要意义。重点总结了线弹性材料中裂纹的断裂准则，阐述了应力强度因子准则、最大能量释放率准则、最大拉应力准则、最大拉应变准则、最小应变能密度准则等常用的断裂准则理论及其现状，以及这些准则的优点和局限性；基于常用断裂准则对应力分量和临界半径考虑不足，归纳了国内外学者提出的修正断裂准则，包括考虑T应力（非奇异项）和可变临界半径rc的影响。分析了断裂准则在岩石和混凝土脆性材料中的应用，针对基于断裂准则预测其破坏行为时存在的难题，建议将裂纹尖端应力场的高阶项T应力引入断裂准则，能更准确地预测裂纹的扩展路径与偏转角。     

岩体复合型裂纹的扩展规律Ⅱ.有水作用条件下

基于最大周向正应力理论，研究并给出有水作用的复合型裂纹在不同应力状态及化学损伤作用下扩展的临界应力强度因子和扩展方向角。分析表明，裂纹水压力对不同受力状态复合裂纹的扩展规律的影响是不同的；化学损伤对岩体应力强度因子和裂纹扩展的方向具有很大影响。     

动载作用下损伤岩体的分形与裂纹扩展的探讨

由于岩石破碎过程非常复杂的,采用当前的动态断裂理论得出的裂纹扩展长度与实测值差异较大.基于分形几何和破坏力学的有关原理,讨论了动荷载作用下,岩体破碎的分形效应以及分形扩展对裂纹扩展速度和动态应力强度因子的影响.根据动态裂纹尖端的应力强度因子与静态应力强度因子的关系,建立了损伤岩体的裂纹扩展与分维数之间的关系,并从理论上对裂纹扩展长度进行了分析和计算.     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

如何判断在各种加载下的断裂模式:Ⅰ型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fromax/fomax＜1,或2),fromax/fomax＞1,但fromax/fomax＜KIIC/KIC;Ⅱ型断裂发生的前提条件是:fromax/fomax＞1和fromax/fomax＞KIIC/KIC·fromax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fomax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KⅠC和KIJC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

水-岩化学作用下岩体裂纹应力强度因子的计算及分析

水化作用对裂隙岩体的影响主要来自于水压力和化学腐蚀伤两方面的作用.运用地球化学矿物-水反应的溶解动力学,考查水-岩反应化学溶液中不同时间段离子浓度的变化,从理论上探讨化学腐蚀下等效裂纹扩展的定量化分析方法,从而建立水-岩化学作用下等效裂纹扩展的计算公式并计算裂纹尖端应力强度因子.计算表明,水-岩化学作用的存在,对应力强度因子的影响明显,随着水-岩化学作用的不断发展,应力强度因子逐渐增大.     

基于双剪统一强度理论的厚壁圆筒的弹塑性分析

从统一强度理论出发,考虑材料拉压屈服极限比和中间主应力这两个因素对材料屈服的影响,推导了在内压作用下厚壁圆筒从弹性状态到弹塑性状态过程中厚壁圆筒的弹性极限压力和塑性极限压力.在这两个表达式中,当系数取不同值时,就能得到按Tresca屈服准则、Mises屈服准则、双剪应力屈服准则、摩尔屈服准则进行计算的结果.运用双剪统一强度理论可以更好地发挥材料的强度潜力,取得更大的经济效益.     

如何判断在各种加载下的断裂模式：I型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fθmax/fθmax<1,或2),fθmax/fθmax>1,但fθmax/fθmax1和fθmax/fθmax>KIIC/KIC·fθmax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fθmax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KIC和KIIC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

材料损伤的约束应力区裂纹模型与求解

以约束应力描述材料的损伤程度,约束应力的大小和分布取决于材料的损伤状态,建立了描述材料破坏过程的约束应力区裂纹模型。考虑约束应力为线性分布,在远场均匀拉应力作用下,采用Muskhelishivili方法对I型约束应力区裂纹模型进行求解,得到了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解。并通过数值计算研究了各因素对应力强度因子与裂纹张开位移的影响。     

基于裂纹扩展的含隐伏断层底板突水评价

 为研究承压水上开采时含隐伏断层底板的安全性,根据断裂力学理论建立导水断层活化扩展的理论模型。将煤层底板看做半平面无限体,把底板中含水层顶部以上的隐伏断层建模为有限宽度板条的倾斜边缘裂纹。根据采场底板的支承压力分布规律,将其简化为若干分段线性载荷加载至底板,纳入断层产状、断层在底板中埋深、工作面推进距离、含水层水压、断层面摩擦角等各种参数,推导得到底板内任意一点的应力公式。将其应用到隐伏断层面上各点,综合考虑各点法向应力、剪应力对裂纹活化的影响,计算得到采动条件下断层面上的有效切应力分布。该有效切应力剔除了裂纹面上摩擦效应对压剪裂纹扩展的影响,将其代入断裂力学相关公式,计算得到隐伏断层前缘的应力强度因子,最后通过定义突水安全指数建立了底板突水判据。以某矿带压开采工作面为例,根据相应水文和地质资料,计算得到在工作面推过隐伏断层的整个过程中断层活化突水危险性的变化规律,所得结论与工作面现场微震监测数据相符,即当工作面推进至采空区位于隐伏断层正上方区域时,断层面承受有效剪切最充分,剪切应力强度因子最大,突水安全指数达到峰值,这与现场微震监测结果中显示的在该推进阶段中,原有隐伏断层附近派生裂隙集中出现、突水危险性最高的结果相符合。     

拉、压剪作用下煤岩不等长共线裂纹相互作用

为研究天然煤岩体中的裂纹相互作用规律,采用Kachanov法,推导了拉剪不等长共线裂纹和单轴受压滑动闭合裂纹的应力强度因子表达式,分析了裂纹长度,裂纹间距和倾角等几何参数对共线裂纹相互作用的影响.研究结果表明:当裂纹间距增大到一条裂纹长度时,该裂纹对另一裂纹的应力强度因子几乎不产生影响;当小裂纹长度小于裂纹间距时,其对大裂纹的起裂基本无影响;当大裂纹长度大于裂纹间距时,开始影响小裂纹的起裂.     

具有中心裂纹载流薄板拉伸时的应力强度因子

采用复变函数的方法，通过保角变换，推导出具有中心穿透裂纹导电薄板在通入电流和拉应力共同作用下，裂纹尖端附近的应力强度因子。并结合算例利用断裂判据来衡量电热效应的止裂效果，为裂纹止裂打下理论基础。