裂纹延伸扩展过程中的受力状态分析

对含45°预制裂纹的花岗岩板进行单轴压缩实验,采用电阻应变计监测裂纹延伸扩展过程中的受力状态。结果表明:翼形裂纹是单纯受到拉伸应力作用产生的,而二次裂纹是受到剪切作用产生的,表现为拉压应力交替作用,但在二次裂纹扩展的不同阶段,所受到的主要应力不同,在二次裂纹刚开始扩展时压应力是主要应力,随着二次裂纹的延伸扩展,拉应力成为了主要应力;引起二次裂纹扩展的剪切应力区域比引起翼形裂纹扩展的拉伸应力区域宽泛得多;受挤压作用产生的裂纹,实质上是由受压引起的剪切型张拉应力迫使其开裂的。     

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。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

双轴拉伸条件下张开型裂纹的数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件,对线弹性各向同性模型中的bulk和shear取5个不同的参数值,进行单轴拉伸条件下I型裂纹的数值模拟计算,通过应力云图、等值线图以及等值线值进行综合比较,确定线弹性模型的2个参数的数值为5e4.在确定模型参数的基础上,对I型裂纹进行双轴拉伸条件下的数值模拟计算.通过对比2种情况下I形裂纹附近的应力情况发现:在双轴拉伸条件下I型裂纹附近出现的应力比单轴拉伸条件下减小了很多.同时,双轴拉伸条件下,等值线的变化趋势在I型裂纹附近也相对平缓.在一定程度上,双轴拉伸缓解了I型裂纹附近在单轴拉伸条件下出现的应力集中现象.     

基于平面黏结接触模型模拟平台巴西圆盘的动态响应和破坏机制

应变率对岩石破坏机理的影响是岩石领域最重要的方面之一,借助颗粒流程序及其内置的平面黏结 接触模型,构建平台角度是 20°和直径是 50 mm 的花岗岩平台巴西圆盘数值模型,从细观力学角度深入探究不同应 变率条件下花岗岩平台巴西圆盘的破裂模式和破坏机制。研究表明：花岗岩平台巴西圆盘的破裂模式主要分为 2 种破裂模式：微破裂裂纹由中心起裂的破裂模式和伴生压碎区的复合微破裂裂纹共同作用的破裂模式,其中,在中 低应变率条件下满足劈裂拉伸试验要求,高应变率条件下已不满足劈裂拉伸试验要求,但对于高应变率的工程问 题具有一定指导意义;随着应变率的递增,试样的损伤程度、诱发微破裂裂纹数量和失效机制均发生了变化,剪切 型微破裂裂纹数目的增量趋势明显大于拉伸型微破裂裂纹数目的增加,即剪切微破裂裂纹数目的增加是导致试件 动态强度增加的主要原因之一;应力与计算时步曲线展示了 3 种模式,即峰后强化、峰后弱化和单峰值,拉伸型微 破裂优先于剪切微破裂生成,在低应变率情况时,剪切型微破裂裂纹产生在第一应力峰值的下降阶段处,拉伸型微 破裂裂纹数目呈现的突变现象,在中高应变率情况时,随着应变率的提高,剪切型微破裂裂纹的产生在由应力达到 应力峰值之后转变为产生在应力达到应力峰值之前,存在拉伸型微破裂和剪切型微破裂呈现共生现象,且具有剪 切型微破裂裂纹数目高于拉伸型微破裂裂纹数目的时刻。     

单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型

目前岩石动态损伤本构模型未能很好地同时考虑临界应变及已有损伤对被激活微裂纹数目的影响,为此,基于微裂纹在单轴压缩荷载下的扩展机理,提出了新的岩石单轴压缩动态损伤本构模型。在假定岩石中被激活的微裂纹数服从Weibull分布的基础上,首先,通过临界应变对被激活微裂纹数目的影响,建立了考虑临界应变及微裂纹扩展长度的单轴压缩损伤本构关系;其次,根据微裂纹在单轴压缩下的翼裂纹扩展方程,考虑翼裂纹扩展过程中的惯性效应及翼裂纹扩展速度与应变率之间的关系,建立了单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型。最后采用数值算例对模型的合理性进行了验证。结果表明:随着Weibull分布参数k和m的增加,岩石动态抗压峰值强度分布减小和增加,且m的影响更为显著。随着微裂纹摩擦系数、岩石断裂韧性和应变率的增加,岩石动态抗压峰值强度增加;而随着微裂纹长度的增加,岩石动态峰值强度则降低。该结论与目前的研究成果较为一致,说明了该模型的合理性。     

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明：煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先对破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α对岩石的应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σcd、峰值强度σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表面裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,预制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂方式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩体的轴向应力-横向应变曲线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究

选取内蒙古哈不沁铁矿花岗岩为试验对象,进行了岩石单轴压缩声发射试验,研究采用声发射参量预测岩石破坏裂纹尺度增长的可行性。花岗岩的全应力-应变曲线和声发射各参量曲线分析结果表明,应变的逐渐增加加快了岩石内部聚集的弹性变形能的释放,随着弹性变形能的释放,声发射的幅度、振铃计数、能量等越来越频繁地跳跃,当进入岩石破坏阶段时,声发射参量呈现突发性增长。对比分析了在声发射参量下预测裂纹尺度与实测裂纹尺度的相关性,结果表明,径向破坏裂纹尺度是轴向位移的2倍,且预测值与实测值非常吻合,预测的裂纹尺度能够反映岩石的损伤破裂过程,也能够描述岩石应变的发展过程。