基于PFC 2D的含节理岩体单轴压缩数值模拟

基于颗粒流方法模拟含节理岩体的单轴压缩破坏过程,并对不同节理倾角的岩体进行单轴压缩数值模拟,研究不同节理倾角岩体的裂纹扩展路径、破坏形式以及强度变化规律。结果表明:(1)在单轴压缩破坏过程中,岩体节理倾角不同,裂纹扩展与最终破坏形态不同,但破坏过程基本一致;(2)当节理倾角从0°到90°的变化过程中,抗压强度随节理倾角的增大先减小后增加,总体呈"U"型分布规律,并在倾角为60°时达最小值。     

考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型

采用Fish语言对FLAC3D软件中的Interface单元进行修正,将Interface单元的法向刚度和切向刚度转化为时间的蠕变函数,便可得到在数值分析中考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型.计算结果表明:节理岩体的单轴蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的倾角小于45°时,节理岩体单轴蠕变量随着节理面倾角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,轴向蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小;若固定节理面的切向蠕变参数,增加其法向蠕变参数,则节理岩体的轴向蠕变量也会随之减小.     

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。     

单节理岩体抗压强度的数值模拟

为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60°时抗压强度达到最低值,呈典型的"U"形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律.     

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.     

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。     

断续三裂隙砂岩单轴压缩裂纹扩展特征颗粒流分析

节理裂隙对岩石的强度破坏及裂纹扩展特征具有显著影响.为了进一步认识预制裂隙对断续裂隙岩石力学行为的影响,本文在一组经过室内试验标定的细观参数的基础上,进行了断续三裂隙砂岩试样单轴压缩颗粒流模拟.基于模拟结果,分析了岩桥倾角对裂隙砂岩试样应力-应变曲线、强度变形参数以及裂纹扩展特征的影响.研究结果表明:(1)峰值强度、弹性模量、峰值应变、裂纹起裂应力和贯通应力均随着岩桥倾角的增大呈先减小后增大再减小变化趋势,而裂纹损伤阈值与岩桥倾角之间无明显相关性;(2)岩桥倾角主要影响中间裂隙2的起裂模式,当岩桥倾角较小时裂隙2尖端不易萌生裂纹;(3)裂纹贯通模式和程度均与岩桥倾角密切相关.当岩桥倾角为0°、30°和60°时只有2处贯通,岩桥倾角为90°和120°时发生4处贯通,而岩桥倾角为150°时有5处贯通.裂纹贯通形式主要分为7类,而且断续三裂隙砂岩贯通模式是其中一类或多类贯通形式的组合.最后,从细观应力场和位移场角度讨论了岩桥倾角较小时中间裂隙2尖端裂纹较难起裂的原因.     

节理特性对花岗岩起裂应力和损伤应力影响规律颗粒流模拟

节理花岗岩起裂应力、损伤应力的研究对认识其渐进破坏过程和脆性破坏机制具有重要意义.利用细观颗粒流软件模拟了不同长度、倾角的单节理花岗岩单轴压缩试验,并通过监测微裂纹确定其起裂应力和损伤应力,研究了节理长度、倾角对起裂应力和损伤应力影响规律.结果表明:当节理方向与加载方向夹角α一定时,随节理长度L增加,起裂应力和损伤应力逐渐递减,其中α为30°~60°时,递减幅度最大;而当L一定时,随α增加,起裂应力、损伤应力先递减再递增,当α为90°时,起裂应力略有下降;当α为45°时,起裂应力最小,而当α为30°或45°时,损伤应力最小.单节理花岗岩起裂应力与峰值应力比值介于29.1%~45.04%,大部分大于完整花岗岩,而其损伤应力对节理长度、倾角变化的敏感度要大于峰值应力,其值介于72.84%~83.25%,大于完整花岗岩.节理花岗岩起裂应力和损伤应力大小与其破坏模式有关,当主破坏面裂纹起裂和扩展始于节理尖端而沿节理方向时,起裂应力和损伤应力最小.     

单轴压缩作用下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行单轴静载态压缩试验,研究裂隙倾角对于试样强度、破坏模式、破坏过程及裂纹起裂和扩展规律的影响。研究发现,含有预制裂隙的类岩石试样与完整试样的应力-应变曲线相似,可分为压密段、线弹性段、裂纹稳定扩展段、应变软化段和残余强度段。含裂隙岩石的峰值抗压强度随裂隙倾角的逐渐增大呈V字形变化,裂隙倾角45°时,岩石的峰值抗压强度最低,裂隙倾角0°和90°时,岩石的峰值抗压强度最高。裂纹的起裂角随裂隙倾角的增加而逐渐减小,裂纹的起裂速度和稳定扩展速度随裂隙倾角的增大逐渐增大。裂纹随载荷的逐渐增加,从预制裂隙尖端开始起裂,在初始加载阶段,由于岩石还具有一定的强度,裂隙扩展不明显,达到一定的载荷时,裂隙迅速而稳定扩展,直至完全破坏。     

柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究

通过柱状节理岩体模型试验探究白鹤滩水电站坝区柱状节理岩体各向异性特征.使用了模拟岩体内部节理的新方式——3D打印制作不同倾角六棱柱形节理试件,以树脂为节理打印材料,水泥砂浆为模型材料,通过立方体试件单轴压缩试验考察节理岩体强度随倾角0°~45°变化的各向异性特征.试验结果表明:岩体压缩强度随着节理面延伸方向与竖直方向的夹角的逐渐增大而减小,单轴压缩下柱体破坏模式主要为剪切破坏.     

横观各向同性板岩层理角度与抗压强度及断裂韧度的相关规律

利用微机控制电液伺服试验机和高频疲劳强度试验机对不同层理角度的板岩进行了单轴压缩试验和双扭常位移松弛试验,获得了其弹性模量E,泊松比μ,剪切模量G和断裂韧度KIC的值.分析了不同组板岩试件的层理角度与其抗压强度及断裂韧度的相关规律.研究结果表明:板岩的抗压强度和断裂韧度都随着β角的增大呈现先减小后增大的趋势,关系曲线呈"U"形,并且当β为45°时其断裂韧度最小;在不考虑c和φ值的影响下,当层理角度为45°的板岩受载时最容易发生裂纹的起裂和扩展,从而导致板岩发生破坏;在已知β角的情况下,可以利用本试验得到的关系式求出所对应的断裂韧度的值.     

双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟

针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究,采用PFC2D建立层状复合岩层离散元模型,通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性,研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响,得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式,揭示裂纹演化规律及位移场变化。研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势,而随层理倾角θ增大表现为“U”型变化规律;与完整试样相比,双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%～42.0%;双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型,分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型);试样的破坏模式在θ=0°～45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式,在θ=60°～75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式;在θ=0°～45°时,翼裂纹垂直于主裂隙起裂,随岩桥倾角增大,翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面,导致试样最终被破坏;在θ=60°～75°时,裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面,导致试样破坏;在θ=90°时裂纹...     

不同温度下有机玻璃厚板的平面应变断裂韧性试验

为研究有机玻璃平面应变断裂韧性(KIC)与温度的关系,设计了母材和带拼接缝试件,在-40~40℃范围内进行三点弯试验.采用疲劳试验机预制疲劳裂纹,利用酒精和液氮对试件降温,用纯水进行升温,观察试件宏观断口形貌,结合有限元和断裂力学进行算例分析.结果表明:在低温下,试件达到极限荷载后迅速断裂,失稳扩展的裂纹临界长度较小,裂纹扩展速率快;高温下,临界长度较大,裂纹扩展速率慢.母材试件在20℃时KIC最小,-20℃时最大,而带拼接缝试件在40℃时KIC最小,-40℃时最大.断面上沿裂纹扩展方向的弧状条纹数增多会导致KIC降低,当出现垂直于疲劳裂纹边缘线的放射状条纹时,KIC进一步降低.对于所提算例,裂纹尖端各点的应力强度因子随裂纹深度的增加而增加.     

水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律

采用双扭试件,利用常位移松弛法,分别进行自然状态以及水岩作用下大理岩和混合岩的亚临界裂纹扩展实验,获得2种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系,并计算得到亚临界裂纹扩展参数A和n。通过对比,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:对于大理岩,其A为自然状态下的8.07×1016倍,n由自然状态下的48.33下降到8.28;对于混合岩,其A为自然状态下的5.45×109倍,n则由自然状态下的60.20下降到21.86,说明对应于同一应力强度因子水平,水作用下的岩石亚临界裂纹扩展速度要快;水的存在使得岩石的断裂韧度KIC明显降低,对于大理岩,自然状态下的KIC为3.0316MN/m3/2,水岩作用后KIC为2.2070MN/m3/2,下降27.19%;对于混合岩,2种状态下的KIC分别为2.0877和1.9398MN/m3/2,下降7.08%。该实验结果可为复杂矿岩的稳定性分析提供可靠依据。     

不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明：充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

岩石裂纹亚临界扩展实验与压剪流变断裂模型

采用双扭试件的常位移松弛法对金川三矿区的大理岩、二辉橄榄岩和混合岩进行双扭试验,获得其裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系及岩石断裂韧度,确定岩石亚临界门槛值K0。结合岩石压剪断裂理论和岩石亚临界裂纹扩展试验,建立压剪岩石裂纹翼形流变断裂扩展理论模型,提出翼形裂纹最终扩展长度由瞬时扩展长度和流变扩展长度组成。采用ANSYS断裂力学模块实现翼形裂纹尖端关键点随翼形裂纹扩展的自动生成,建立翼形裂纹流变扩展的数值分析模型。研究结果表明:采用常位移松弛法所测岩石的lg KI-lg v关系有很好的线性规律,3种岩石的K0/KIC在0.6~0.9之间;通过对算例进行理论分析和数值模拟,发现翼形裂纹流变断裂理论模型与数值分析结果很吻合。提出的岩石裂纹流变断裂理论为研究岩石裂纹流变扩展细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新的研究手段。     

功能梯度材料V型缺口根部裂纹场强特性分析

为研究功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端附近的应力场强特性,讨论了指数型梯度材料的裂纹场强特点.以双边V型缺口试件为研究对象,建立试件的有限元分析模型.基于分层法分析静态载荷和阶跃冲击载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端的应力场强.研究结果表明:静载荷下,缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大;应力强度因子K随张开角α的增大而减小,且在0°~60°之间减小缓慢,而在60°~90°之间减小程度明显,而在大于90°时随张开角α迅速减小.在冲击阶跃载荷下随着梯度参数β的增大,其动态应力强度因子值减小.     

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.