岩石动态剥落破裂的数值模拟

简单介绍了RFPA程序模拟岩石在动态载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石在动态载荷作用下的剥落过程·数值模拟首先再现了均匀杆在不同的应力波幅值条件下表现出的不同剥落形式,通过与理论比较,证明了RFPA在模拟动态剥落破裂问题时的可行性·以此为基础,RFPA被用于模拟非均匀岩石试样在不同应力波幅值条件下的剥落破裂过程,预测了不同应力波幅值时试样的三个不同的破裂模式·此外,数值模拟还得出试样在动态载荷作用下的强度都高于静态强度的结论,这表明岩石材料力学性质的非均匀性是造成动态强度提高的原因之一·     

岩石圆环试件拉张破裂结构演化有限元模拟

岩石具有低抗拉特性,抗拉强度控制着岩体工程的整体稳定性．利用有限元方法,对岩石圆环试件拉张破裂过程的结构演化过程进行了研究．模拟结果显示：圆环结构受拉应力作用发生破裂,形成不连续面;圆环在拉应力作用下不断形成破裂面,结构形式相应发生演化,并导致应力状态改变,最终圆环结构内壁上下、外壁左右全部开裂,系统不稳定、丧失承载能力,完全破坏．将有限元模拟结果与实验结果对比二者相吻合,可为研究岩石的破裂规律及裂纹扩展提供新的研究方法．     

岩石圆环试件拉张破裂结构演化有限元模拟

岩石具有低抗拉特性,抗拉强度控制着岩体工程的整体稳定性.利用有限元方法,对岩石圆环试件拉张破裂过程的结构演化过程进行了研究.模拟结果显示:圆环结构受拉应力作用发生破裂.形成不连续面;圆环在拉应力作用下不断形成破裂面,结构形式相应发生演化,并导致应力状态改变,最终圆环结构内壁上下、外壁左右全部开裂,系统不稳定、丧失承载能力,完全破坏.将有限元模拟结果与实验结果对比二者相吻合,可为研究岩石的破裂规律及裂纹扩展提供新的研究方法.     

颗粒尺寸对岩石抗拉强度和断裂韧度影响的数值模拟

选取三种粒径(平均尺寸1.02,2.12,3 mm)花岗岩试样,利用自主开发的岩石破裂过程数值计算软件(RFPA-DIP细观版),进行带缺口试样三点弯曲试验.利用虚裂纹模型描述岩石试样达到峰值载荷前的断裂过程区,引入双线性应力分布模型,将试样内部平均颗粒尺寸与虚裂纹模型建立起联系,通过数值模拟可分别计算出不同颗粒尺寸花岗岩的抗拉强度和断裂韧度.通过引入分形维数概念来表达不同颗粒尺寸花岗岩试样内部颗粒分布的特征,得到结论:颗粒尺寸与分维值呈反比例关系,分维值较小的花岗岩试样其抗拉强度和断裂韧度相对较小.     

岩石破裂过程围压效应的数值试验

运用岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了岩石在变形破裂过程中围压对岩石变形、强度及声发射特性的影响.研究结果表明:数值试验结果与实验室观察得到的岩石变形、强度(弹性模量、抗压强度等)以及岩石破裂过程声发射的围压效应相吻合;同时,数值试验对在实验室中难以准确监测的声发射现象也进行了准确的模拟,所得结果对于地震预报、岩爆等冲击地压的预测具有一定的指导意义.     

低弹模包体强度对试样破裂模式影响的数值试验

应用自行开发的岩石破裂与失稳RFPA^2D系统，对含低弹模不同强度的包体试样的破裂模式进行了数值试验。结果表明：随着包体强度的增大，包体声发射总次数呈明显的下降趋势，而包体主破裂位移加载量呈上升趋势，试样最大承载力呈上升趋势；包体水平轴线上各单位点的剪应力降总是先发生在包体两端位置处，当包体强度较小时，剪应力降由包体水平轴线中央向其两端扩展，当包体强度较大时，由包体水平轴线两端向其中央扩展。     

用带中心孔巴西圆盘试样测定岩石断裂韧度的研究

提出了一种用带中心孔巴西肋试样测定岩石断裂韧度的方法：首先利用Ｇｒｉｆｆｉｔｈ理论确定径向均布载荷作用下试样沿加载直径与孔边交点发生起裂的充分条件,然后对带中心孔平台加载的巴西圆盘试样采用二维边界元法标定出岩石的最大无量纲应力强度因子Ｙｍａｘ,并利用加载位移曲线获得载荷极小值Ｐｍｉｎ,用提出的方法所获得的一种灰岩的断裂韧度ＫＩＣ值与国际岩石力学迷会建议的人字形切槽试验法获得的该岩样标准ＫＩＣ值基本     

裂纹连续度对非均质材料中雁行裂纹扩展的影响

应用材料破裂过程分析(MFPA2D)系统,通过对非均质材料试样中预置的雁行裂纹在单轴压缩下裂纹扩展、演化过程的数值模拟,研究了裂纹连续度的变化对裂纹尖端邻域应力场及裂纹扩展模式的影响,同时分析了连续度变化对裂纹起裂应力及强度所造成的影响·数值模拟结果表明随裂纹连续度的减小,裂纹内尖端的应力场逐渐由拉应力场过渡为压应力场,裂纹的扩展模式相应地经历拉模式(T)、拉剪模式(T S)及压模式(C),裂纹扩展的起始角度与最大压应力之间的角度也逐渐增大·此外,数值模拟结果还表明裂纹尖端的起裂应力大致为试样极限强度的1/2～1/3·     

基于颗粒流的平台圆盘巴西劈裂和岩石抗拉强度

使用颗粒流(PFC)虚拟实现不同中心角的平台圆盘巴西劈裂和直接拉伸试验,观察平台圆盘巴西劈裂中裂纹形成、扩展的一般过程,分析不同中心角对岩石破坏过程及破坏模式的影响.研究结果表明:平台中心角越大,岩石内损伤破坏程度越高,破坏模式变得更复杂.通过对不同平台中心角的圆盘试样断裂模式的观察和分析,并结合已有的研究成果推荐平台中心角为20°;利用直接拉伸数值试验的拉伸强度,计算出平台中心角为20°时的抗拉强度修正系数k=0.931 5.     

岩石试样弹塑性破裂过程数值模拟比较研究

应用岩石弹塑性破裂过程分析软件（REPFPA），对岩石试样的弹塑性破裂过程进行了一系列的数值模拟比较研究。分别研究随机数发生器种子值、统计分布函数的形态参数m、单元数目、应力应变状态、试样中心有无弱区、边界条件、材料参数随机赋值方式等条件对岩石试样弹塑性破裂过程的影响。不仅在计算机上再现了岩石试样的弹塑性破裂过程，而且得出许多有意义的结论。这些问题的解决对于用数值模拟方法研究岩体工程的宏观力学性能是很有意义的工作。     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

Mogi-Coulomb强度准则应用于岩石三轴卸荷破坏试验的研究

 针对Mogi-Coulomb 强度准则是否适用于三轴卸荷试验,基于已有常规三轴及真三轴的试验数据,利用Mogi-Coulomb强度准则,对常规三轴卸荷及真三轴卸荷条件下的实验数据进行拟合和分析,并对拟合得到的相关强度参数和试样的破坏特征进行分析。结果表明,Mogi-Coulomb 强度准则在常规三轴卸荷条件下有着良好的适用性,而在真三轴卸荷条件下,虽然线性拟合效果较好,但拟合参数反映的岩石黏聚力值出现负数的异常情况。分析现有实验测试结果,可以推测出现参数异常的原因,应是岩石在真三轴卸荷条件下的破坏模式由剪切型破坏转变为强烈的张拉型岩爆破坏所致。这表明Mogi-Coulomb 强度准则虽能在一定程度上反映真三轴卸荷的主应力关系,但其本质仍为基于剪切破坏的强度准则,存在一定的局限性,对于张拉为主-剪切共存型的岩爆破坏,有必要建立一种新的岩石强度准则来反映真三轴卸荷下的岩石本构关系。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究

为了研究硬岩与软岩交界面方向对其破坏形式的影响,对含岩石-水泥砂浆(代替软岩)交界面的组合试样进行了多组加载角度的巴西劈裂试验,获得了不同交界面方向的组合试样的"抗拉"强度,并利用颗粒流程序PFC2D研究了交界面的破坏机理.计算得到的"抗拉"强度随交界面与加载方向夹角的增大而增大.当交界面平行于加载方向时,沿交界面发生劈裂破坏,计算得到的"抗拉"强度可认为是交界面的抗拉强度;当交界面与加载方向不平行时,发生更为复杂的拉―剪复合破坏.此外,为了进一步分析交界面的抗拉强度对破坏形式的影响,采用提高水泥用量和增大交界面粗糙度两种方法增加交界面的抗拉强度,并进行了一系列试验.试验得到了含交界面的巴西劈裂试验的典型破坏模式分布图,对更好地理解硬岩与软岩交界面的破坏形式具有指导意义.     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

罗山金矿节理岩体强度的PFC3D模拟及其应用

采用PFC3D数值模拟方法模拟在抗拉、抗压试验下不同倾角层理面的岩体的破坏过程,从颗粒的位移和速度分布等方面出发,阐述了节理岩体的破坏机理,并与实验室条件下获得的节理岩体强度和变形特性进行比较和分析.结果表明,单轴抗压强度在0-60°范围内随倾角α的增加而减小,在60°-90°范围内随倾角的增大而增大;单轴抗拉强度在0...     

页岩气井套管内压周期变化对水泥环密封失效的实验研究

压裂、回注、储气库注采等作业将造成套管内压的循环变化,最终导致水泥环的密封失效.针对前人套管内压循环变化造成水泥环密封失效破坏的实验研究并结合最新的实验结果,分析了是否考虑地层岩石约束两种井眼系统工况条件下的水泥环失效破坏方式.分析结果显示:未考虑地层岩石约束的实验易导致水泥环的周向拉伸破坏而产生径向裂纹;套管-水泥环界面过渡区的存在能降低水泥环的径向压应力和周向拉应力,从而降低水泥环产生拉伸破坏的风险;考虑地层岩石的约束时,水泥环内外界面受到套管和地层岩石的径向和周向约束,阻止了已经达到拉伸强度极限的水泥环发生拉伸破坏而产生径向裂纹的趋势;套管内压增大时,井下工况中水泥环主要发生塑性屈服破坏产生微环隙,基本不会发生周向拉伸破坏.研究成果可为固井优化设计提供参考.     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.     

围岩瞬态卸荷应力及塑性区分布的有限元分析

深部地下工程围岩卸荷导致的拉伸破坏是一个常见但没有得到充分研究的科学现象.将卸荷视为动态力学过程,基于连续介质弹塑性力学理论,运用有限元软件COMSOLMultiphysics对围岩瞬态卸荷破坏成因进行初步探究,建立了围岩瞬态卸荷塑性力学模型.研究结果表明:开挖将在围岩中激起强烈的卸载扰动,应力场的重新分布是由动力响应过渡到静力作用的动态过程.瞬态卸荷将导致开挖自由面附近产生拉应力.尽管拉应力时间短、幅值低、范围小,但由于岩石抗压不抗拉的特性,在高地应力条件下,拉应力可导致围岩产生拉伸破坏.分析表明横向惯性作用可能是导致这一现象的原因之一.     

基于岩体层理特性的非线性抗剪强度准则研究

对湖南湘西雀儿溪隧道中的层状砂岩开展了室内三轴压缩试验.结果表明,因微层理面的影响,该砂岩表现出较强的各向异性强度特性,岩体的破坏存在沿层理面的滑移破坏和非滑移破坏(含斜穿层理面的剪切破坏、基岩破坏及二者的复合破坏)两种模式.针对该砂岩的破坏特征,提出了一种反映其强度特性的非线性破坏准则,该准则对两种破坏模式采用不同的方法进行描述.采用该破坏准则预测层状砂岩的破坏强度,预测结果与试验数据吻合较好.采用该准则对其他不同类型层状岩体的强度进行预测,也获得了较好的结果.