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。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石Ⅰ型裂纹弹塑性损伤破坏问题.对比分析表明,宏观尺度研究Ⅰ型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性.     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。     

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.     

断续节理对岩体力学性能的影响

采用颗粒流数值模拟程序,建立不同节理状态的岩石试样模型,对其进行双轴试验模拟,从岩桥长度、节理长度和倾角三个方面对断续节理影响下的岩体破裂形式和力学性质进行了数值模拟分析.岩桥的破裂方式为翼裂纹扩展下的拉剪复合破坏,模型破裂大致经历了翼裂纹的扩展、次生裂纹的延伸以及岩桥的贯通三个过程,而且表现出明显的蠕变特性以及延性破坏.岩桥长度的变化对峰值强度和弹性模量影响较小;相比岩桥长度,节理岩样的力学特性对节理长度更加敏感.对于不同的节理倾角,岩石试件表现出不同的初始破裂形式,0°倾角岩样的破裂方式为翼裂纹的扩展和次生裂纹的延伸,中间岩桥没有被贯通,15°倾角岩样的初裂强度和峰值强度最大.     

透明类岩石内蕴裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机理是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于真实岩体内部裂纹无法直接观察其扩展过程,通过自行研制的透明类岩石材料在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩力学试验,观察研究透明类岩石内部三维裂纹的扩展贯通机理。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,更方便地观察岩体内部裂纹萌生扩展不同阶段的形状。通过对透明岩石内部布置不同长度和角度的裂隙,模拟不同长度和角度的原生节理裂隙对岩体破坏失稳的影响。研究结果表明:含预制裂纹的透明类岩石试件在压缩过程中三维裂纹的起裂扩展要比二维条件下复杂,大致经历了压密,弹性变形,裂纹扩展,脆性破坏四个阶段。含预制裂隙的试件其峰值强度和峰值轴向应变比完整试件均有明显降低,且预制裂隙的长度对峰值强度和峰值轴向应变的降低幅度有一定影响。试验成果无疑对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值。     

FRACOD模拟软件在岩石工程中的应用及案例分析

岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出能够同时预测拉伸和剪切裂纹传播的F-准则,研发了能够模拟岩石混合裂纹扩展的FRACOD软件。首先从理论背景层面对FRACOD裂纹扩展模拟软件进行了详细的介绍,软件采用间接边界元-位移非连续法,并引入裂纹扩展F-准则及Mohr-Coulomb裂纹起裂准则用以模拟岩石混合裂纹扩展规律及应力场、位移场等物理场的分布规律。为验证该软件在众多工程领域的适用性,进行了地热开发钻孔破裂、岩石力学双轴压缩试验、水压致裂等三个模拟案例的对比分析。通过对模拟试验结果与室内试验或现场观测结果的对比发现,FRACOD不仅可以准确模拟岩石的裂纹扩展规律及岩体破坏特征,同时适用于涉及岩体断裂损伤的多个工程领域。因此,FRACOD研发与应用为岩石工程设计和研究提供了重要的研究工具,对岩体断裂损伤学科的发展具有重要的指导意义和参考价值。     

岩体中孔与裂纹贯通破坏模式图形判别法

为研究工程岩体贯通破坏过程岩体裂纹起裂贯通机制,预制了以岩桥倾角为变量的红砂岩试块用单轴压缩的加载方式进行实验,并且通过数值模拟进行验证.首先总结了含单裂纹与单孔红砂岩岩石试块破坏的4种断裂模式,然后首次定义了塑性核心区半径、塑性延展区长度,并用它们表征单孔半径(或裂纹长度、倾角)与塑性破坏区域的大小,发现塑性破坏区的贯通与试块的贯通断裂具有很好的对应关系,最后提出通过作图判断岩石裂纹贯通断裂的判别方法.模拟结果验证了所提破坏模式判别方法的正确性,与类似物理实验结果具有一致性.     

基于DIC类岩石材料损伤演化研究

本文研究了一种新型的类岩石材料的配比,同时在采用了新的散斑制作技术能够更精确更方便地制作更好的散斑。进一步通过室内模型试验,利用三维数字图像相关方法(3D-DIC)的研究手段,观测不同倾角预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的裂纹扩展及岩体细观损伤演化过程,得到预制单裂纹类岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变。提出了一种基于散斑数量变化的散斑损伤变量来量化岩石的损伤。结果表明:裂纹倾角是影响预制单裂纹的岩石起裂应力、抗压强度等力学特性的重要参数;散斑损伤变量能很好地对应变场的损伤演化,且岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律;所以利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。     

干湿循环作用下沥青混合料损伤开裂机制分析

为研究干湿循环作用对沥青混合料抗裂性能的影响，利用数字图像处理技术建立沥青混合料细观数值模型，并测试得到不同温度下石料和沥青胶砂的水扩散系数。基于菲克定律分析温度和干湿循环耦合作用下沥青混凝土内部干湿状态。运用USDFLD场变量更新方法实现干湿状态与力学参数耦合，对干湿循环作用后沥青混合料弯曲破坏性能和裂纹发展情况进行模拟分析。结果表明：胶砂黏聚损伤对沥青混合料抗弯承载能力的影响最显著。在干湿循环过程中，混合料内部水分单调增加。干燥阶段，水亦会继续向内部扩散，从而引起混合料内部水损伤。干湿循环作用次数增多，混合料内部微裂纹萌生时刻提前，主裂缝扩展速率加快。     

压裂中顶底板对缝高控制作用的数值模拟研究

裂缝在缝高方向的延伸会导致裂缝有效长度的降低,影响压裂效果;也可能直接穿过水层,造成压裂施工的失败。因此,基于FEPG有限元平台,利用网格开裂技术,开展了煤层气井压裂数值模拟研究,对垂向裂缝起裂、扩展及穿层的全过程进行分析。数值模拟结果表明:煤层气井压裂过程中,控制裂缝是否向隔层扩展主要取决于作业的净压力与隔层水平地应力差之间的关系;与储集层岩石力学性质相比,储集层的地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围的主要因素;T型缝、工型缝等复杂缝是由储集层的岩石力学性质和地应力共同作用的结果。这对于提高现场煤层气井水力压裂的效果具有重要的指导意义。     

爆破荷载作用下岩石破坏特性的“共轭键”基近场动力学数值模拟研究

近场动力学是一种基于非局部弹性理论的积分形式的无网格数值方法.本文为克服传统近场动力学模型中的固定泊松比问题,建立了"共轭键"基近场动力学模型,实现了岩石爆破破坏特性的近场动力学数值模拟.通过引入"共轭键"转动角度及建立微观和宏观变形能的等效关系,推导了"共轭键"基近场动力学模型中的法向刚度参数及切向刚度参数与宏观力学参数之间的关系.另外,通过对影响域中每根"键"所储存的能量密度与临界"键"能量密度进行对比,判断近场动力学模型中的"键"是否断裂,从而实现裂纹起裂、扩展及连接过程的数值模拟.三个数值算例说明:该模型能有效地模拟岩石爆破破坏特性.数值算例与试验结果对比表明,本文所提出的数值方法可以预测岩石材料的爆破破坏模式及特性.     

水力压裂近井区裂缝转向扩展机理

针对水力压裂条件下煤层气井初始压裂缝转向问题,首先基于断裂力学原理与最大周向应力准则,分析了储层原始地应力场和压裂液渗透场时空演化规律,建立了裂缝转向起始模型,并考虑转向裂缝面复杂的应力边界条件,利用位移不连续法建立了裂缝转向扩展模型;其次着重考虑了射孔角度、地应力差及施工排量对压裂缝转向扩展的影响,结合焦作恩村矿区现场施工参数,分别计算了裂缝起偏角度和偏转距离。计算结果表明：水力压裂条件下,射孔角度与地应力差对近井区压裂缝转向影响较大,而压裂液排量则影响较小;当射孔角度或地应力差较小,压裂缝偏转距 离较大,形成的压裂缝曲率也较小;反之亦然。最后运用XFEM软件模拟裂缝转向扩展机制,经与计算结果对比,发现二者较为吻合,从而验证了理论模型的正确性,研究成果可为定向射孔水力压裂现场控制提供理论指导。     

岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。     

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。     

波速与混凝土裂纹拓展的相关性实验研究及数值模拟分析

为了研究腐蚀条件下混凝土裂纹拓展的行为过程,结合断裂力学理论,采用声波测试仪进行裂纹探 测,建立相关性本构关系;借助高速摄影机观测了腐蚀条件下混凝土裂缝的拓展过程,分析了裂纹的影响因素及拓展过程;利用拓展有限元软件ABAQUS进行了数值模拟,验证了其有效性。结果表明：混凝土内部的微观裂纹拓展过程与波速有很强的相关性。早期,波速保持不变,维持较长一段时间,超过临界点后,波速急剧减小,直至再次进入一个新的平稳状态。     

A model to determine hole spacing in the rock fracture process by non-explosive expansion material

The application of the non-explosive expansion material (NEEM) is widely used as the controlled fracture method in quarry mining, especially in hard rocks. The pressure of NEEM is an important parameter in causing rock fracture. An empirical model based on hole spacing was developed to determine the pressure of NEEM in the rock fracture process. Primarily, the empirical model was developed by the mathematical method, utilizing dimensional analysis. Then, the Phase2 code, which is based on the finite element method, was utilized to predict crack growth in rocks. The results of numerical analysis show slight deviations from the empirical model. Hence, the polynomial regression analysis was used to modify the model. Finally, the modified model shows a good agreement with the results gained from numerical modeling.     

岩石亚临界裂纹扩展及其应用研究

 亚临界裂纹扩展是岩体工程破坏时间效应的原因之一。应力腐蚀机制能很好地说明亚临界裂纹的扩展,其中适合岩石材料的应力腐蚀理论是Charles理论。利用双扭试件可获得岩石亚临界裂纹扩展Charles理论的相关参数。将传统断裂力学中拉伸应力和压剪应力下的裂纹扩展模型与Charles理论相结合,推导出与时间相关的裂纹扩展模型。采用双扭试件测得了中条山有色金属集团某矿矿岩的亚临界裂纹扩展参数。将此参数应用于拉伸应力下与时间相关的裂纹扩展模型,预测矿岩崩落时间,结果表明：该模型能较好地预测矿体的崩落;同时,也可为其他岩体工程的施工开挖提供指导。压剪应力下与时间相关的裂纹扩展模型的应用及复杂状态下多裂纹相互影响的扩展模型,有待进一步研究。     

基于扩展有限元法的粘聚裂纹模型

为了能利用通用程序模拟沿任意路径的裂纹扩展问题,利用一种预设虚节点法在通用有限元程序(ABAQUS)平台上实现扩展有限元法功能,推导了基于扩展有限元法的粘聚裂纹模型控制方程。利用上述模型对三点弯梁的开裂过程进行了模拟。计算结果与相应文献中给出的结果及ABAQUS粘聚单元法的模拟结果进行了对比,吻合良好。计算结果表明,扩展有限元法能有效地进行开裂过程的模拟,尤其是在开裂路径未知、难以预先设定网格边界作为裂纹面的情形。基于扩展有限元法的粘聚裂纹模型为准脆性材料的开裂过程模拟提供了一种有效途径。     

节理岩体爆破破坏过程数值模拟

 针对目前常用的有限元和离散元等数值方法难以客观反映岩体中存在的大量断续节理和在外力作用下岩体破碎及块体运动的不足,提出采用最近新出现的数值方法——数值流形方法以解决目前岩体爆破中存在的上述问题.数值流形方法采用数学网格与物理网格以形成求解流形单元,很容易反映岩体中存在的众多初始节理,本文采用断裂力学准则模拟岩石节理和裂纹扩展,采用DDA中的块体运动学理论模拟块体运动,并通过算例对比分析了完整岩体和节理岩体爆破破坏模式的差异.模拟结果表明,节理存在对岩体爆破破坏模式有着重要影响,且其影响程度与节理的几何分布和物理力学性质有着密切关系.