单裂隙岩石在单轴压缩下破坏的数值模拟

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D在单轴压缩下对含有单裂隙在不同分布下的岩石试件的破坏过程进行数值模拟研究。结果表明:岩石试件破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的断裂破坏几个阶段;完整岩石试件的力学性能显著高于含有裂隙的岩石试件。随着裂隙长度的增加,岩石试件的峰值强度逐渐降低,根据其降低趋势,拟合出峰值强度随裂隙长度增大而降低的拟合函数,由函数可知,二者成负指数关系;而随着裂隙倾角的增大,峰值强度呈现出先减小后增大的趋势,在裂隙倾角为45°左右时岩石试件的强度达到最小值。裂隙长度越小或者裂隙倾角越大的岩石试件,其对岩石试件的力学性能影响不明显,裂纹扩展不明显,其扩展形式与完整岩石试件类似。     

基于最大周向应变的岩石复合型断裂准则解析与验证

为提高对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,弥补常用的最大周向应力准则未考虑材料泊松比且无法区分平面应力与平面应变的缺陷,从应变角度出发,并考虑了非奇异应力项(T应力)在脆性断裂中的作用,建立了基于最大拉应变准则的线弹性材料裂纹扩展判别准则,研究T应力和泊松比对岩石裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹倾角β45°时,裂纹起裂角预测结果随无量纲特征距离α的增大而增大;裂纹倾角β45°时,裂纹起裂角预测结果随α的增大而减小;考虑T应力的最大周向应变准则起裂角预测值与试验数据更加吻合,裂纹扩展受T应力和应力强度因子的共同作用,T应力和无量纲特征参数均对岩石裂纹断裂特性具有很大影响,采用考虑T应力的最大周向应变准则判断岩石裂纹的断裂特征能够弥补基于应力的裂纹扩展判别准则的不足。     

对称X型裂隙类岩体的力学特性及破坏机制研究

为了研究对称X型裂隙对岩石力学特性及破坏机制的影响,对预制对称X型裂隙类岩体试件进行单轴压缩试验和数值模拟分析,结果表明：1)预制裂隙角度影响裂隙尖端的受力状态,是试件裂纹起裂特征和破坏模式的主要因素;2)对比完整试件,裂隙试件的应力应变曲线峰前出现应力降现象,峰后表现为延性下降,且峰值强度、弹性模量和弹性应变能明显下降,表明试件的力学特性和能量特征对预制裂隙的敏感性高;3)当0°＜α＜90°时,随着预制裂隙角度α的增大,K_e和T应力值减小,裂纹尖端抵抗开裂的能力增强,裂隙试件峰值应力增大,且裂尖抵抗I和II型断裂能力的强弱是造成裂隙试件破坏模式差异的主要原因。     

基于应变软化模型的岩体单轴压缩裂隙扩展

分别采用FLAC~(3D)程序中的应变软化模型及空模型来描述岩石及裂隙的力学行为,同时采用超细单元划分法对计算模型进行剖分以模拟裂隙扩展。采用上述数值计算模型研究了单轴压缩荷载下裂隙长度、倾角和裂隙条数对裂隙扩展路径及岩体力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴抗压峰值强度随裂隙长度增加而逐渐降低,当裂隙长度不同时,次生翼裂纹的出现位置及扩展路径也有较大差别。翼裂纹的萌生位置及扩展规律均随裂隙倾角而变化;试件峰值强度随裂隙倾角由0°增加到75°时,类抛物线规律变化,当裂隙倾角为30°时,试件峰值强度最低。裂隙条数对裂隙扩展路径及试件破坏模式有较大影响,且试件峰值强度随裂隙条数增加而逐渐减小。     

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂...     

压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明：裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长度的增大使应力强度因子增大,长度较大的分支裂纹对长度较小的有一定的抑制作用。通过对张开型分支裂纹和弯折裂纹砂岩试件的单轴压缩试验,发现砂岩试件的破坏形式主要是以I型翼型裂纹扩展为主,其起裂位置距离裂纹尖端的距离随着分支裂纹角度的增大而减小;分支裂纹倾角越大,其翼型裂纹起裂角就越小但相应的起裂载荷却越大。还对张开型裂纹和闭合型裂纹做了一定的比较,发现张开型裂纹的起裂角要大于闭合型裂纹的起裂角,但其起裂载荷却正好相反。     

初始裂隙对岩石抗拉特性的影响

为了研究裂隙对岩石抗拉特性的影响,采用水泥、细砂和水按4∶2∶1的比例预制了含初始单裂隙的岩石圆盘试样并开展巴西试验,同时结合颗粒流理论及PFC2D程序,从宏细观角度分析了初始裂隙倾角、长度等参数对岩石抗拉强度、破裂规律的影响,建立了含初始单裂隙岩石抗拉强度公式。研究结果表明:①当裂隙长度相同时,随着裂隙倾角的增加,试样抗拉强度呈先减小后增大的趋势,当裂隙倾角约为45°时,试样抗拉强度达到最低值。②当裂隙倾角保持不变时,随着裂隙长度的增加,试样的抗拉强度随着裂隙长度的增加而逐渐减小。③当裂隙长度逐渐增加,裂隙对试样破坏模式的影响更为显著。     

初始裂隙倾角对岩石破坏模式及峰值强度的影响

初始裂隙倾角是影响裂隙岩体再生裂隙扩展方向和损伤断裂模式的重要因素之一,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同倾角的单裂隙岩石在单轴压缩条件下破坏过程进行数值模拟。结果表明:当裂隙倾角不大于45°时,试件呈现出拉伸和剪切的混合破坏;裂隙倾角为60°时试件以拉伸破坏为主;裂隙倾角为75°时试件以剪切破坏为主。受岩石强度、内摩擦角和压拉比的影响,初始裂隙倾角对单裂隙岩石峰值强度的影响趋势具有多变性,其影响趋势可分为三类,一是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度增加;二是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先降低再增加;三是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先增加后降低再增加。     

非共面断续裂隙类岩石试件破断试验与分析

为了探讨不同数目、不同倾角下非共面断续裂隙岩石的力学特性和裂纹演化规律,采用RMT-150岩石力学加载试验机单轴压缩含预制裂隙的类岩石试件。结果显示:当主裂隙水平时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小再增大;当主裂隙倾斜时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小;次裂隙倾角为30°、45°和60°时,第二条次裂隙的存在对试件承载力有一定的强化作用,三裂隙试件峰值强度比双裂隙试件峰值强度大;水平裂隙裂纹萌生的位置不在裂隙尖端且具体位置受次裂隙的影响;预制裂隙出现相互贯通,主要贯通模式为拉贯通和拉剪混合贯通,破坏模式主要为对角剪切破坏;运用PFC2D数值分析软件进行模拟试验,数值模型的破坏模式与室内加载下的试样破坏情况基本一致,模拟试验较好地反映了试样受压后裂隙的裂纹演化过程。     

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟。结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75°时,压缩峰值强度随另一条裂隙倾角的增加单调递增;试件内部应力最大值的演化在加载初期随加载步的增加线性增长,压缩条件下最大主应力最大值增长最快,拉伸条件下,剪应力最大值增长最快。     

裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性及破坏模式的影响

天然岩体常常包含不连续体，比如孔隙、裂隙、断裂以及其他缺陷等，这些缺陷的存在将导致岩体力学强度产生较大的劣化作用。为了研究不同裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性、裂纹扩展演化及断裂机制的影响，基于室内砂岩力学参数测试结果，借助颗粒流平行黏结模型对预制裂隙试样进行一系列的模拟研究。结果表明：当裂隙倾角恒定时，随着岩桥角度的增加，砂岩峰值应力与峰值应变呈现出先降低后增加的趋势；当岩桥角度恒定时，峰值应力与峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。初始裂纹从预制裂隙尖端萌生，起裂应力水平为 0.68σ _c；累积微裂纹数呈指数函数形式增加；试样破坏形式主要有拉伸破坏、剪切破坏及拉剪混合破坏；岩桥贯通模式主要有间接贯通和直接贯通两类。     

裂隙几何特征对岩石强度影响模拟实验研究

为探究裂隙几何特征(倾角、长度、位置)的综合作用对岩石峰值强度的影响,对含单裂隙岩石进行单轴压缩的数值模拟实验,分析裂隙倾角、长度、位置对岩石强度特性和破裂特征的影响,同时基于多元逐步回归分析,将三者对岩石峰值强度的影响性进行评价。结果表明:倾角对新生裂纹的起裂位置与起裂时间作用明显,长度与岩石的完整性与稳定程度具有相关性,位置影响裂纹扩展规模和岩石破坏形态;裂隙倾角、长度与位置对岩石峰值强度的影响程度在不同区间内有所差异,从整体来看,由于位置影响因子较小被作为无关变量剔除,在小于45°区间内,对岩石峰值强度的影响程度大小为长度倾角位置,长度与倾角的影响因子为0.82、0.36,在大于45°区间内,对岩石峰值强度的影响程度大小为倾角长度位置,长度与倾角的影响因子为0.344、0.866,同时,建立的逐步回归模型可以有效评价岩石强度,对岩石初始损伤判定具有一定参考价值。     

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

双孔洞式双裂隙类岩石力学特性及裂纹扩展分析

为了研究单轴压缩下含有双孔洞和双裂隙缺陷岩石的力学响应,通过完整类岩石室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC~(2D)模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数及破坏形态的对比分析,最终选取一组合理的细观参数,对双孔洞、双裂隙和双孔洞式双裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究表明:双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性,双孔洞缺陷的弱化效应大于双裂隙,随裂隙的倾角增大,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,且双孔洞和双裂隙对岩石产生的共同弱化效应小于叠加弱化效应;当裂隙的倾角较小时,试样的初始裂纹萌生于裂隙尖端和孔洞与裂隙的岩桥,孔洞与裂隙较容易贯通,随倾角增大,孔洞的上下部开始萌生初始裂纹,且当倾角为90°时,初始裂纹仅萌生于孔洞的上下部,孔洞与裂隙不贯通;双孔洞式双裂隙试样的破坏模式主要为拉伸破坏,且拉伸破坏主要发生在孔洞的上下部、外侧和裂隙的尖端,剪切破坏主要在孔洞与裂隙的岩桥产生。     

基于FLAC3D的层状岩石强度特征研究

利用单元切割法确定节理单元并赋予相应的本构模型进行计算,研究单轴与不同围压条件下的不同节理倾角层状岩石的力学特性。结果表明,无论是单轴压缩试验还是三轴压缩试验,节理对岩石强度的影响都很显著; 随着节理倾角增加,层状岩石单轴抗压强度先减小后增大,呈U型分布,在层理倾角呈60°时,抗压强度值最低; 从塑性单元个数可以看出,层理倾角0°~30°以及90°时,岩石以突然破坏为主,而层理倾角45°~75°时岩石破坏较缓慢; 随着围压增加,岩石抗压强度增加,岩石破坏时间延后,弹性段增长。研究结果可为岩石、岩体的各向异性问题的研究提供参考。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生"翼形裂纹",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。