水压致裂作用下岩体参数对裂纹扩展影响的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20-Flow,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,创建渗流-应力-损伤耦合模型.模拟分析了不同层理角度及不同岩石强度的非均质层理岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程,描述了这两种岩体参数对拉伸裂缝萌生及扩展的影响趋势.模拟分析结果表明,层理角度和岩石强度对水压致裂作用下层理岩体裂纹扩展模式及岩体稳定性的影响是不可忽略的;随着层理角度的增加,最大主应力及层理弱面分别对压裂裂纹的萌生和扩展起主要控制作用;在同一层理角度条件下,随着岩石强度的减小,层理岩体的稳定性降低,其破裂模式亦产生较大的变化.     

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。     

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。     

层状岩石单轴压缩损伤本构模型研究

为揭示层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理,将横观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合,建立考虑荷载损伤的层状岩石损伤本构模型;通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证模型的合理性和准确性,并从细观图像、力学参数、破坏模式和损伤演化等角度讨论炭质千枚岩的各向异性特征.研究结果表明:所建模型的理论曲线与试验数据曲线基本相符,能够较好地反映和预测单轴加载条件下层状岩石的非线性力学行为;炭质千枚岩的各向异性显著,在层理倾角从0°～90°变化的过程中,强度、峰值应变和泊松比先减小后增大,弹性模量逐渐增大,并依次产生张剪复合破坏、剪切滑移破坏和劈裂张拉破坏等三种破坏类型;不同层理倾角岩样的损伤演化规律基本相同,损伤演化曲线均经历了缓慢上升、快速上升和趋于稳定等3个阶段,损伤演化率曲线均服从正态分布,但损伤发展速率各不相同,进而改变了材料的力学性能.这将为层状岩体受荷损伤计算、各向异性研究、围岩稳定性分析和岩层掘进施工等提供理论依据和技术参考.     

层间强度对三维打印混凝土裂纹扩展的影响

为了探究不同层理面强度下3D打印混凝土的破坏过程及其对裂纹扩展情况,利用ABAQUS有限元分析软件,采用全局嵌入零厚度的cohesive单元的方法,研究在三点弯曲条件下层理面强度对3D打印混凝土裂纹扩展的影响。研究结果表明：层理面的存在影响了裂纹的扩展方向及过程。当层理面强度越弱时,会在层理面处出先起裂,产生沿层理面方向的横向裂纹,横向裂纹扩展会抑制纵向应力的传播,导致预制裂纹的尖端出现应力集中。由于裂纹不仅需要沿纵向延伸,还需要沿着层理面方向延伸,因此层间粘结越薄弱,所需要的荷载也越大。裂纹穿过层理面的穿层破裂主要是拉张破坏,沿层理面的顺层破坏为拉剪混合型破坏。层理面的存在会让裂纹断续延伸呈现不规则的扩展,揭示了层理面强度对裂纹扩展过程的影响。     

基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明：沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。     

层状岩体破坏性质试验研究

层状岩体由于其明显的各向异性特点,以及复杂的破坏机制,严重影响了地下工程的安全施工。通过对层状岩石试件进行全应力-应变三轴加载试验来研究层理对其强度特性和变形特征的影响;同时利用弹性小变形理论对复合层状岩体的变形及弹性模量进行了推导计算。试验研究结果表明,由于层理面之间存在不规整现象,水平层理的存在使得岩石强度以及整体弹性模量有所降低,使得在试件破坏时岩层的整体变形量增大。     

层状岩体单轴压缩室内试验分析与数值模拟

为了研究层状岩体抗压强度的层面效应,通过室内试验和数值模拟研究,分析层状岩体单轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈先减小后增大的趋势,含有90°倾角结构面的试样其抗压强度明显大于含有0°倾角结构面的试样对应的抗压强度;数值试验得到的分析结果与室内试验结果相同,岩样的变形特征大致分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;压缩强度均随加载速率的增大而增大,并且压缩强度与加载速率之间的关系均可通过线性方程进行拟合,相关系数较大;在实际试验过程中,应根据不同模拟工况采用不同的加载速率。     

应变速率对红砂岩预制隙裂贯通破坏的影响

为了探究应变速率对节理岩体裂纹扩展形态和贯通破坏的影响,提出在室内制作含裂隙的红砂岩试样,采用不同加载速率进行单轴加载试验,观察裂隙起裂、贯通、破坏的全过程,并在物理试验基础上利用数值分析软件对结果进行分析和验证。结果表明:随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;裂隙的扩展方式不局限于沿着试件高度方向开展,有部分裂隙发生横向方向的扩展和贯通,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形式发展;裂隙强度在单轴加载时伴随裂隙倾角和加载速率的增加而变大,裂隙贯通强度对裂隙倾角的变化更敏感。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

含层理灰岩的巴西劈裂强度及拉裂损伤各向异性

为了研究不同角度层理对灰岩抗拉力学特性的影响,对7组不同角度层理灰岩进行巴西劈裂试验,根据岩石声发射累计振铃次数定义拉裂损伤变量,推导抗拉强度、劈裂模量及损伤变量随层理角度的变化规律。研究结果表明:①不同层理角度的灰岩,其受力变形过程基本一致,即经历压密、弹性和破坏3个阶段;②抗拉强度、拉伸模量随层理角度变化表现出明显的各向异性,在0°时最大,90°时最小;③基于岩体微元强符合Weibull分布及Lemaitre应变等效原理,通过拟合计算得到的损伤参数可以较好地反映7个角度灰岩样的损伤特性,损伤变量也具有各向异性特点,说明不同倾角的岩石参数在加载过程中有不同的劣化程度,同一应变水平下的损伤变量随着层理角度的增加出现下降的趋势。研究结果对于层状灰岩的试验研究、理论计算和工程建设具有一定的指导意义。     

Ⅰ-Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率

通过有限元数值模拟和疲劳裂纹扩展试验,研究了铝合金材料在Ⅰ-Ⅲ复合型加载条件下的疲劳裂纹扩展规律,得到了在不同加载情况下裂纹的应力强度因子、裂纹前缘能量场和塑性区半径.在分析Ⅰ型拉力载荷对裂纹扩展的基础上,着重分析了Ⅲ型加载对Ⅰ型裂纹应力强度因子及裂纹前缘能量场的影响.结果表明:应力强度因子KⅠ随着Ⅲ型加载的增大而减小,而裂纹附近塑性区半径增大.进行Ⅲ型静态加载会使疲劳裂纹扩展速率减小,在一定范围内,Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而减小;而在进行Ⅲ型循环加载会使疲劳裂纹扩展速率增大,在一定范围内,Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而增大.     

岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究

通过在扫描电镜下进行单轴加载实验,即时观察分析岩石受力过程中微裂纹的萌生、扩展和贯通破坏的全过程,得到各试样的应力 应变曲线及其所对应的微结构变化的电镜照片·实验结果表明,岩石试件的变形与破坏过程可以分为裂纹压密、微裂纹萌生和扩展以及断裂破坏３个阶段;微裂缝首先在预裂缝周围的拉应力集中区产生,随着外载荷的增加不断扩展,最后形成与最大主应力方向平行的宏观断裂带·     

海冰在单轴压缩下的韧-脆转化机理及破坏模式

海冰的破坏模式在不同加载速率下呈现出韧-脆转化特征.为研究海冰的韧-脆转化机理,本文对渤海东北部海域的平整冰进行了现场单轴压缩试验.该试验采用的海冰为典型的h2型柱状冰,其盐度变化范围为5.5‰–7.4‰,试样温度在–15°C至–18.3°C之间.试验中对几何尺寸为50 mm×50 mm×107 mm的长方体试样施加垂直于生长方向的压缩载荷,由此得到海冰在不同加载速率下的单轴压缩强度.在试验过程中所采用的应变率区间为4.5×10~(–5)–7.5×10~(–3)s~(–1).由于在不同加载速率下海冰应变率的不同,海冰呈现出3种不同的破坏模式:在加载速率较低时,海冰强度随加载速率的提高而增大,海冰中裂纹尖端的应力集中通过蠕变作用释放而抑制了裂纹扩展,最终呈现为韧性破坏模式;当应变率在9×10~(–4)–5×10~(–3)s~(–1)区间时,海冰内部的裂纹能够沿主轴方向稳定生长并产生贯穿整个试样的主裂纹,形成劈裂破坏,海冰则呈现为韧-脆转化破坏;当加载速率较高时,海冰试样的裂纹尖端无法稳定生长而产生斜向裂纹并构成碎裂破坏,海冰则呈现为脆性破坏模式.以上试验结果还表明,每种破坏模式均有与之对应的强度-应变率关系,且海冰在不同应变率下的破坏模式决定了其单轴压缩强度特征,是其发生韧-脆转化的主导因素.此外,本文还对海冰在不同加载速率下等效弹性模量的变化规律进行了讨论分析.     

不同加载速率下的矿岩劈裂破坏特性试验研究

为研究不同加载速率对矿岩劈裂破坏特性的影响,基于数字图像相关(DIC)技术开展矿岩巴西劈裂试验,从抗拉强度、能量演化和水平应变分布等方面分析铁矿石及其围岩在不同加载速率下的劈裂破坏特性。研究结果表明：1)矿岩抗拉强度均随加载速率的增加而增大,其中,围岩抗拉强度随加载速率增大而呈线性增大,而铁矿石抗拉强度先急剧增加后缓慢增加,与加载速率呈幂函数关系。2)随着加载速率增加,矿岩内部总能量和弹性应变能均增大,耗散能则呈下降趋势。加载速率增大后的铁矿石弹性能相比于围岩提升25.78%,岩爆危险性高,合理减缓开采进度可确保矿产开采安全。3)铁矿石和围岩的水平应变随加载速率变化的规律相似,即当加载速率为0.02 kN/s时,铁矿石和围岩应变带从中部向两端延伸,而在高加载速率下,铁矿石和围岩的应变带由两端向圆盘中部汇合;4)不同加载速率变化对矿岩破裂结果的影响不同,当加载速率较低时(0.02 kN/s),矿岩表面水平应变均呈现正态分布,而当加载速率增加后,矿岩端部水平应变突出,且铁矿石相比于围岩更早产生由加载速率变化引起的端部应变集中倾向。     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

含层理灰岩巴西劈裂强度及拉裂损伤各向异性

为了研究不同角度层理对灰岩抗拉力学特性的影响,对7组不同角度层理灰岩进行巴西劈裂试验,根据岩石声发射累计振铃次数定义拉裂损伤变量,推导抗拉强度、劈裂模量及损伤变量随层理角度的变化规律。研究结果表明,(1)不同层理角度的灰岩,其受力变形过程基本一致,即经历压密、弹性和破坏3个阶段。(2)抗拉强度、拉伸模量随层理角度变化表现出明显的各向异性,在0°时最大,90°时最小。(3)基于岩体微元强符合Weibull分布及Lemaitre应变等效原理,通过拟合计算得到的损伤参数可以较好地反映7个角度灰岩样的损伤特性,损伤变量也具有各向异性特点,说明不同倾角的岩石参数在加载过程中有不同的劣化程度,同一应变水平下的损伤变量随着层理角度的增加出现下降的趋势。研究结果对于层状灰岩的试验研究、理论计算和工程建设具有一定的指导意义。     

双轴加载下大尺寸岩石裂隙演化规律试验

为准确掌握深部岩体的破裂过程中失稳机制,对大尺寸试样进行了不同加载速率下的双轴加载试验,分析了试件破裂过程中裂隙演化规律和声发射行为特征.在大量试验的基础上,选取了由425硅酸盐水泥、砂子(粒径≤2 mm)、石膏、高效减水剂和水组成的砂浆材料,确定了各组分的最优配比.借助岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和PCI-2声发射监测系统,分析了不同加载速率对大尺寸试样裂隙演化的影响规律和破裂的声发射行为特征.结果表明:加载速率越大,大尺寸试样越容易产生反翼裂隙,发生突变性剪切破坏,而不同加载速率下试样破裂的声发射行为特征基本相似,当加载到90%σc时,声发射事件累计数瞬时增多,表现为裂隙的瞬时扩展贯通,导致试样最终破裂.     

基于RHT模型的层理分布与爆破损伤关联耦合性分析

在层状围岩隧道钻爆施工中,层理往往会影响爆破效果,导致超欠挖、支护结构受力与设计不符、围岩稳定性不可控等不利后果,为此,基于某白云岩隧道掌子面特征及室内试验结果,通过数值模拟手段,利用RHT模型开展层理数量及分布对岩体爆破损伤关联耦合性影响分析。研究结果表明：用“接触”方式模拟层理能较好反映应力波在层理的反射、透射等力学行为特征,在特定条件下,应力波会在层理处形成应力波叠加,使得局部岩体的应力峰值变大,产生拉伸效应并激发裂纹;当冲击荷载超过层理强度阈值时,层理会被破坏而失去反射和透射作用;利用相邻层理间距的差值?H与损伤占比D_p作为拟合参数来揭示层理疏密程度与岩体爆破损伤的相关性,得到拟合公式D_p=6.54-0.12?H;当炮孔半径为R时,层理与炮孔距离小于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较小,大于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较大。     

绿片岩的单轴压缩各向异性蠕变试验研究

通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响.研究结果表明:在相同低应力水平下,垂直于层理时的瞬时应变增量大于平行于层理时的瞬时应变增量,而在相同较高应力水平下垂直于层理时的瞬时应变增量小于平行于层理时的瞬时应变增量;同等应力水平条件下,垂直于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间均小于平行于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间.同时,当轴向荷载垂直或者平行于层理时,应力应变关系曲线均出现了压密、弹性变形、裂纹扩展和峰后破坏阶段,且蠕变破坏类型均属于脆性破坏.