单轴压缩下三维裂纹扩展机理试验与离散元分析

为了加强对三维裂纹扩展机理的认识,采用一种脆度良好的树脂材料制作含预制三维双裂隙的试样,并基于离散元理论,研究在单轴压缩条件下平行双裂隙的扩展、搭接和贯通机理,同时设置测量圆来监测在不同加载阶段模型的应力场变化。研究结果表明:预制裂隙长轴端部C1-E和C2-W萌生的翼裂纹沿垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后会保持长时间不变,直到应力达到峰值附近才继续沿着最大主应力方向扩展;在峰值应力附近时,预制裂隙端部C1-W和C2-W的花瓣状翼裂纹和反翼裂纹才相互搭接贯通形成空间卷曲面;随着轴向应力增加至峰值附近,最大主应力主要分布在远离预制裂隙的区域,而压应力却集中在预制裂隙中心区域,因此抑制了翼裂纹的进一步扩展;最大压应力和切应力随着应变增加而增加,最大拉应力却在峰值应力附近发生了跌落,说明在加载后期,裂纹扩展主要受压剪作用力控制。     

不同加载速率下端部节理岩桥变形破坏及裂隙扩展试验研究

边坡岩体内部岩桥对边坡稳定性起控制作用,而边坡岩桥破坏由于受开挖速度的影响会产生加载速率效应,探究边坡内部岩桥在加载速率影响下的变形破坏特征和裂隙扩展机制具有重要意义。通过对类岩石材料试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,结合数字图像相关技术,分析了不同加载速率下不同岩桥长度试样破坏特征和裂隙起裂、扩展、贯通规律,并利用断裂力学理论揭示了岩桥裂隙扩展机理。结果表明:应力-应变曲线呈现“峰后波动”和“应力陡降”特征;随加载速率的增加,峰值强度增大,峰值位移减小;得出5种裂隙扩展破坏类型,分别是①上裂隙贯通下端面、②岩桥贯通、③下裂隙贯通左端面、④下裂隙贯通下端面、⑤下裂隙贯通上端面;试样破坏时裂隙数量随加载速率的增大而减少,且试样裂隙首先从下部裂隙尖端起裂;推导了单轴压缩条件下考虑闭合效应的裂隙尖端应力强度因子表达式,起裂角理论计算与试验实测结果在误差允许范围内;岩桥试样表面应变场的变化随加载速率的增大而增大,且试样破坏是由前期损伤累积所导致的。研究成果可为揭示不同加载速率下岩质边坡内部的变形破坏机制、分析围岩稳定性提供理论依据。     

含三维内裂纹试件水力压裂裂纹扩展数值模拟研究

利用Franc3d有限元软件进行数值模拟,得到裂纹扩展规律及裂纹尖端应力强度因子的变化,并与室内试验进行对比,结果表明:含裂纹试件在预制裂纹的上下尖端出现"翼型包裹状"裂纹;一、三型应力强度因子在预制裂纹的短轴处(B点)达到最大,而在预制裂纹的长轴端点处(A点)达到最小,二型应力强度因子则相反。     

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。     

含三维内裂纹试件单轴拉伸裂纹扩展数值模拟研究

以往研究针对三维内裂纹在单轴拉伸下的裂纹扩展与三维内裂纹尖端的应力强度因子变化较少,为定量化研究三维内裂纹单轴拉伸下的裂纹扩展与应力强度因子的变化,对不同预制内裂纹角度在拉伸荷载作用下的裂纹扩展规律进行了数值模拟研究,将裂纹扩展过程及最终破坏形态与已有研究进行了对比。计算结果表明:当预制裂纹角度为0°时,预制裂纹呈现自相似扩展,当预制裂纹为其他角度时,预制裂纹尖端出现翼裂纹扩展,预制裂纹角度为15°、30°、45°、60°时,翼裂纹与原预制裂纹分别呈18°、49°、64°与80°;随着预制裂纹与水平方向的角度增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,对于同一预制裂纹角度来说,预制裂纹短轴顶点上的Ⅰ型应力强度因子较其他方向要大;随着预制裂纹角度的增大,Ⅱ型应力强度因子整体上先增大后减小;对于同一种预制裂纹角度来说,预制裂纹的左端与右端(对应于距离为0,0. 5,1处)Ⅱ型应力强度因子达到最大,而预制裂纹短轴处顶点(对应于距离为0. 25和0. 75处)Ⅱ型应力强度因子达到最小为0;数值模拟结果与室内试验结果体现出较好的一致性。研究成果为正确认识轴拉情况下的三维裂纹扩展规律提供了一定的参考。     

岩样单裂隙几何参数对其破坏模式与强度的影响

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明: 不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生; 节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈; 随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为 45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟

为研究偏置三维内裂纹在单轴应力下的裂纹扩展过程,利用三维裂纹计算软件Franc3d软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程及裂纹前缘的应力强度因子变化,计算结果表明:(1)单轴拉力作用下,预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹,随后裂纹逐渐向四周扩展,裂纹先贯穿试件左右两面,而后贯穿试件的前后面形成贯穿型裂纹.(2)三维预制内裂纹倾角α=0°、30°时,预制裂纹尖端翼裂纹扩展后期两个翼裂纹呈现相互吸引的规律,而当三维预制内裂纹倾角α=45°、60°时,翼裂纹之间则不存在相互吸引靠近的趋势,预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展要小于预制裂纹外侧尖端.(3)相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化(从相对距离0变化到相对距离1)呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势.     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明:不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生;节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈;随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

含偏置裂纹试件单轴拉伸试验数值模拟研究

为研究不同岩桥长度及不同预制裂纹倾角下单轴拉伸三维表面裂纹试件裂纹扩展及相互作用规律,利用Franc3d软件对不同裂纹倾角和不同岩桥长度进行数值模拟。结果表明,单轴拉伸作用下,三维表面裂纹试件尖端首先出现翼裂纹,最终贯穿试件的表面,内侧裂纹扩展速率小于外侧,不同岩桥长度及不同预制表面裂纹倾角试件裂纹之前裂纹存在不同程度的吸引作用;裂纹尖端内侧的扩展速率大于裂纹短轴尖端,同时也大于裂纹尖端外侧;岩桥长度越大、预制裂纹倾角越大,Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子越小,Ⅲ型应力强度因子越大。     

水工混凝土边切槽三点弯数值模拟研究

为探究水工混凝土边切槽试件三点弯裂纹扩展规律,基于最大拉应力准则(MTS),对不同倾角下的水工混凝土边切槽试件三点弯曲进行数值模拟研究,得到了裂纹扩展过程、裂纹前缘应力强度因子分布以及裂纹尖端的扩展长度随扩展步的变化,并将数值模拟结果与室内试验进行对比,验证了数值模拟的合理性。计算结果表明:①最大拉应力准则及M积分在岩石裂纹扩展中的优越性得以体现,可以解决岩石三维断裂问题,计算结果可靠;②预制裂纹的角度越大,Ⅱ型分量也就越大,翼裂纹与原预制裂纹的夹角也越大;③应力强度因子呈现预制裂纹中间数值较大而靠近试件表面较小的规律,预制裂纹倾角越大,Ⅰ型应力强度因子越大,而Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的规律;④裂纹前缘的扩展长度随扩展步呈现线性增大的趋势,Ⅱ型分量越大,裂纹的扩展速率越慢,Ⅰ型的裂纹扩展的速率最快。     

含平行裂隙节理岩体的破坏规律研究

对含平行裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,并用PFC3D模型进行了模拟。通过试验和DEM结果对比分析,探讨了含平行双裂隙岩体在单轴压缩下的破坏规律。研究结果表明:在变形破坏阶段,当轴向应变达到0. 02后,应力-应变曲线出现"双峰"现象;抗压强度随预制裂隙倾角的增大呈非线性变化。预制裂隙倾角较小时(≤45°),抗压强度随裂隙倾角变化规律不明显。预制裂隙倾角在45°时,试块抗压强度最低。预制裂隙倾角较大时(≥45°),抗压强度随裂隙倾角的增大而增大;裂纹起裂区域均位于两预制裂隙中间区域。随着预制裂隙倾角的增大,萌生裂纹的端点位置从两端点均在预制裂隙中间,向一端点位于裂隙中间另一端点位于预制裂隙顶端,到两端点均位于预制裂隙顶端转变;试件不同预制裂隙倾角对应不同的岩桥倾角,岩桥倾角较大时(≥60°),岩桥倾角与抗压强度呈正相关关系。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

内置单裂隙相似材料岩样破坏特性及电阻率变化特性试验研究

文章利用四极法进行了含不同倾角内置三维裂隙岩样单轴加载破坏过程中的电阻率变化测试,试验表明:预制内部三维裂隙对峰值强度和弹性模量均有劣化作用,α=0°和90°试件表现为拉伸破坏,0°α90°时,试件整体上属于拉剪破坏;此外,内置裂隙岩样的单轴峰值强度和弹性模量对裂隙倾角非常敏感,0°倾角岩样峰值强度最低,90°倾角岩样峰值强度仅次于完整试件峰值强度。轴向峰值应变受裂隙倾角的影响较大,完整岩样峰值应变较小,α=45°时轴向峰值应变最大。结合电阻率-应力-应变关系,可以看出电阻率变化与裂隙岩石破坏过程密切相关,由此对单轴压缩下裂隙岩石破坏的基本特征有了新的认识,为今后的研究提供了新的思路。     

不同应变速率下双裂隙红砂岩力学特征试验研究

节理岩体在外力扰动下的失稳破坏往往对工程产生较大影响。为探究应变速率对节理裂隙岩体力学特征的影响,室内采用不同加载速率对含两条预制裂隙的红砂岩试样进行单轴加载试验,在此基础上利用数值分析软件进行模拟和分析,并对试验结果进行验证。试验结果表明：在不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同;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;随着加载速率的增加,在预制裂隙两端萌生的裂隙数量逐渐增多,裂隙的扩展方向更多样,扩展的距离也更远,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展。利用FLAC3D软件数值分析得到,随着加载速率的增加,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围变大。     

含裂隙类岩试样破坏行为的宏细观数值分析

为了获得单轴荷载下裂隙岩体的裂纹扩展过程及接触力变化的规律,以石膏为相似材料制作含有2种倾角组合的裂隙试样,在刚性试验机上进行单轴条件下的破坏试验,记录裂隙试样的破裂过程。采用离散元软件PFC^2D建立数值分析模型,通过校核试验数据确定细观参数值,从宏观和细观两方面分析裂隙试样在压缩过程中微裂隙增长与轴向应力关系、接触力变化与裂纹的产生和扩展的关系,进行裂纹扩展的数值模拟和室内试验对比。结果表明颗粒间接触力分布随压缩而变得不均匀,主要集中在裂隙的端部,进而产生微裂隙,微裂隙聚集形成宏观裂纹;微裂隙数量在峰值轴向应力之前增加较缓慢,在峰值轴向应力之后迅速增加,微裂隙的增长与应力增长有一定关系;峰值轴向应力之前,观察到轴向应力暂停增加或略微下降,但微裂隙数量持续增加现象,该现象与裂纹扩展有关;用颗粒流程序能较好地分析加载过程试样内细观变化和裂纹的扩展,与试验现象吻合较好。     

中心直裂纹圆盘无量纲应力强度因子获取精度研究

岩石断裂韧性是岩石抵抗裂纹扩展能力的表征,而无量纲应力强度因子是计算断裂韧性的关键参数,目前众多国内外学者采用Atkinson给出的中心裂纹圆盘试件的近似公式获取中心直裂纹圆盘的无量纲应力强度因子。对Atkinson给出的无量纲应力强度因子近似公式及中心裂纹圆盘试件的级数解精度进行了研究,并给出了较广范围的产生纯Ⅱ型裂纹加载条件,还采用有限元方法标定了不同预制裂纹宽度时中心直裂纹圆盘Ⅰ型裂纹的无量纲应力强度因子。分析结果表明:YⅠ随着相对裂纹宽度增大逐渐减小,且当相对裂纹宽度大于0.01后,YⅠ变化幅度逐渐减小;不同裂纹宽度条件下,YⅠ随加载角变化的规律相同。当裂纹宽度仅为0.1 mm时,其无量纲应力强度因子解析解与数值解会产生很大偏差,因此在断裂韧性测试中应根据实测的裂纹宽度对无量纲应力强度因子进行标定。     

含三维内裂纹透明类岩石材料破坏红外热像试验研究

由于目前针对含三维内裂纹的岩石破坏红外热像特征的研究较少,本文基于预埋浇注法制作含内裂纹类岩石试件,开展了单轴压缩块体试验和巴西圆盘劈拉试验,得到含内裂纹的岩石破坏过程,监测内裂纹扩展及试件破坏过程中的红外热像特征,得到以下结论:(1)含三维内裂纹的块体试件在单轴压缩下,在预制内裂纹面上发生剪切破坏;(2)块体试件在单轴压缩作用下红外热像特征明显,在破坏时,在预制内裂纹面处急剧升温;(3)含三维内裂纹巴西圆盘试件在预制内裂纹尖端发生翼型裂纹扩展,边缘带有针刺状Ⅲ型裂纹参与特征,最终翼型裂纹与上下表面贯穿;(4)巴西圆盘试验的红外热像特征与块体单轴压缩不同,在断裂面处未发生明显变化。研究结果为研究三维内裂纹的扩展规律及内裂纹扩展破裂的红外热像规律可提供一定的试验参考。     

砂质板岩加卸载力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对雪峰山隧道围岩中的砂质板岩开展三轴加卸载试验,研究这种具微面理砂质板岩的变形特性、强度特性及破坏规律,结果表明：平行面理试件(微面理平行最大主应力)加、卸载条件下峰值强度相近;垂直面理试件(微面理垂直最大主应力)卸载条件峰值强度低于加载条件约20%,残余强度低于加载条件25%。平行面理时砂质板岩表现为弹脆性特征,且卸载条件下的脆裂破坏特征比加载条件下更强。平行面理试件破坏面基本沿试样中的微面理面方向发育,破坏是横向强烈扩容引起的张性破坏。垂直面理时,加载条件下破裂面呈现对角线贯通性剪切破坏特征,卸载条件下破坏面从试件两端的剪切屈服面向中部扩展,中部在剪张作用下破裂,与加载条件下单个贯通剪切面有显著差别。     

含三维深埋裂纹脆性岩石水力压裂数值模拟研究

为研究三维深埋裂纹水力压裂裂纹扩展规律,利用Franc3D软件模拟了裂纹扩展过程。结果表明,水力压裂裂纹扩展因子越大,裂纹扩展形态由原来的翼形包裹状裂纹扩展逐渐转变为自相似扩展;裂纹长轴端点的裂纹扩展速率要小于裂纹短轴端点;裂纹Ⅰ型、Ⅲ型应力强度因子在裂纹长轴端点达到最小,在短轴端点达到最大,而Ⅱ型应力强度因子则相反;水力压裂裂纹扩展因子越大,裂纹的3个应力强度因子的绝对值也越大。