受载岩土破裂过程声发射及数值模拟试验

为利用声发射技术评估岩土稳定性,采用试验和数值模拟方法研究了重庆黄泥包岩土单轴压缩及劈裂过程声发射特征。研究结果表明:岩土在单轴压缩及劈裂破坏过程中均有声发射产生,与压力对应良好;均匀受载时,岩土产生的声发射呈稳态发展趋势;微破裂处,声发射有明显响应;压力峰值处,出现声发射极值。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程呈脆性破坏,裂纹扩展从强度较弱的单元开始,逐渐贯穿形成45°主裂纹;声发射信号与应力对应良好。数值模拟岩土单轴压缩破坏过程及声发射与试验结果接近,有助于深入了解岩土损伤过程的声发射特征。     

完整岩石试件和含有裂隙岩石试件在单轴压缩下破坏过程的数值模拟研究

应用RFPA岩石失稳和破坏失稳程序对完整岩石试件以及含有单一裂隙和交叉裂隙的岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟研究。结果揭示了完整岩石试件和含有不同裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般都分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,随后在中间、径向、侧向均出现裂纹,并且这些裂纹迅速扩展衍生许多新的次生裂纹,最终贯穿整个岩石试件。而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的2端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展并贯通整个岩石试件。     

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。     

基于含组合缺陷砂岩的单轴压缩离散元分析

运用离散元软件PFC2D对含有圆孔裂隙组合缺陷的砂岩进行单轴压缩数值模拟,分析不同裂隙倾角时砂岩的强度特征、破坏特征以及裂纹扩展过程。结果表明:岩石试样破坏经历了裂隙的压密、微裂纹的萌生和扩展及最终的破坏几个阶段;当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。与完整砂岩试样相比,含圆孔裂隙砂岩试样的力学参数均显著降低,且降低幅度与裂隙倾角相关;随着裂隙倾角的不断增大,试样的峰值强度表现为不断增加的特征。     

温度对深部裂隙砂岩裂纹扩展规律的影响

为研究裂隙砂岩在不同温度条件下的力学特性和裂纹扩展规律,对不同温度（-20℃、20℃、40℃）处理后的裂隙砂岩进行双轴压缩试验,并采用PFC2D模拟了裂隙砂岩在不同温度作用后的双轴压缩试验,分析了裂隙砂岩在温度作用后的裂纹演化、破坏模式、扩展速率和扩展形态等参数的变化规律。研究结果表明,温度对裂隙砂岩的裂纹扩展速率和形态有着显著影响,高温条件下裂纹扩展速率更快,并且裂纹形态呈对称“L”形,同时裂纹数量增多;低温条件下裂纹扩展速率减缓,裂纹形态呈对称平行直线形。此外,温度对颗粒之间的摩擦力和黏结力也会产生影响,从而影响裂纹扩展。通过对比温度-应力耦合数值模型与试验结果可知,两者的相似度高达95%,可以较好地验证裂隙砂岩裂纹扩展规律,研究工作可为岩石力学领域的技术创新提供新思路和新方法。     

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。     

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。     

单轴压缩条件下裂隙几何特征对岩石力学特性的影响研究

为探究裂隙几何特征对岩石单轴压缩力学特性的影响,采用Rhino-Griddle软件建立不同裂隙几何特征的标准岩样模型,并通过FLAC3D软件对单轴压缩条件下裂隙岩体的变形破坏规律进行了模拟研究,探讨了倾角、张开度、数目与岩石单轴力学特性的关联,分析了多裂隙岩样的裂纹扩展规律。数值计算结果表明:随着裂隙倾角的增加或裂隙张开度的降低,岩样的单轴抗压强度和峰值应变均会有所增加,且裂隙倾角相较于裂隙张开度对岩石的力学性能影响程度更大;裂隙数目对应力-应变曲线的影响在峰后阶段较为明显,随着裂隙数目的增加,岩样的残余强度不断降低,三裂隙岩样的残余强度几乎为0;预制裂隙端部首先萌生裂纹,裂纹不仅向裂隙平行方向沿裂隙扩展,还沿着接近平行于轴向的加载方向向其他裂隙端部扩展,不同预制裂隙裂纹上下完全交汇贯通并与外部裂纹搭接,最终导致岩样完全失去承载能力。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用 FLAC^3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律，即岩石试件破坏一般分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行，完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区，最终形成一个倾斜的应力面，导致试件最后形成一个倾斜的破坏面；而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区，随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

刀具破岩机理的细观数值模拟及刀间距优化研究

通过采用RFPA2D软件对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下岩石破碎机理进行数值模拟研究.分别模拟了单刀头、双刀头、三刀头作用下的岩体破碎过程,并对多刀头作用时进行了刀间距优化.模拟结果表明,岩石在单刀头作用下的破碎过程大体可以分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体出现4个阶段,并体现为以张拉为主、伴随挤压或剪切破坏等复杂破坏形式.在围压作用下,平行于围压方向的裂纹更容易产生与扩展,更有利于刀头侧向裂纹的贯通.多刀头之间有明显的协同作用效应,破碎比能随着刀间距的增加有一个逐渐增加然后减小的过程.数值模拟结果与试验结果吻合较好,可以为岩石掘进机设计、盘形滚刀布置提供参考.     

基于黏聚力单元法的单双射孔水力裂缝扩展数值模拟研究

为研究单双射孔下的水力劈裂规律,基于Abaqus的黏聚力单元损伤本构,建立了含单双射孔裂隙的有限元模型,对不同水力压裂因子D下的裂纹扩展过程,位移矢量进行了数值模拟研究。结果表明:单裂隙情况下,裂纹扩展产生于裂缝尖端,随着水压的不断增大,D值较小的工况裂缝沿着最大主应力的方向发展,对于D值较大的情况而言,裂缝将呈现45°的破坏特征。双裂隙情况下,裂隙内侧存在裂缝相互干扰的问题,D=1,D=5和D=20时,两条射孔裂隙的内侧端先互相远离,然后互相搭接,最终形成一条相互作用区域,当D=2时,内侧端将直接搭接;裂纹的位移矢量揭示了裂纹扩展机理。单裂隙情况裂缝尖端的位移矢量向两侧散开,裂纹呈现典型的“拉裂”现象,主要发生I型破坏;双裂纹内侧尖端产生应力“相互作用环”,产生典型的剪切破坏现象;基于数值模拟产生的拉伸破坏与剪切破坏特征,对拉伸破坏与剪切破坏机理进行了讨论,得到了拉伸与剪切破坏的临界条件。     

不同瓦斯压力下煤岩三点弯曲断裂特性研究

为探求含瓦斯煤I型裂纹断裂韧度及断裂过程裂纹扩展特性,以原煤制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样为研究对象,利用自行研制的带视窗的含瓦斯煤岩试验装置,开展了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤I型裂纹断裂特性研究。研究结果表明：在瓦斯赋存状态下,随瓦斯压力的增大,I型断裂韧度及断裂能耗呈逐渐降低的趋势;含瓦斯煤试样扰度逐渐增大,试样在破坏前塑性形变逐渐明显;裂纹初始扩展速度显著增加（瓦斯压力由0增加至1.5 MPa时,其初始扩展速度由78 m/s提高至239 m/s）,且随裂纹长度的增加,扩展速度明显降低;通过数字散斑方法,清晰的描述试样表面变形及裂纹扩展过程,并得到裂纹扩展前的损伤区域。     

拉伸载荷作用下裂纹扩展及应力强度因子计算

拉伸载荷是造成材料破坏的主要载荷形式。对于含初始裂纹的材料,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展路径对材料的破坏形式起着非常关键的作用。断裂力学认为不同形式的裂纹在不同的外力作用下其扩展的路径是有很大差别的,本文根据断裂力学的基本原理,利用数值流形方法对拉伸载荷作用下方形岩石试件中的中心及单边水平裂纹、中心及单边斜裂纹的裂纹扩展路径进行了模拟,并对裂纹扩展过程中的应力强度因子进行了计算,发现这些裂纹扩展都是非稳定扩展。最后还利用该方法对这四种模型的裂纹尖端应力强度因子进行了计算,结果表明裂纹尖端应力强度因子最大计算误差仅为6.8%,且斜裂纹的误差要稍大于水平裂纹的误差。     

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。     

冲击加载下的砂岩动态断裂全过程的实验和分析

采用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘(HSCFBD)新型试样在直径为100 mm的分离式霍普金森压杆上进行径向冲击加载,完成I型动态断裂实验,首次研究了砂岩的动态断裂全过程。实验表明,在低加载气压(0.16~0.17 MPa)驱动炮弹条件下,炮弹撞击速度为3.7~4.4 m/s,检测到试样的破裂历经裂纹的动态起裂、扩展和止裂3个阶段,止裂后到第2次起裂开始,裂纹停滞较长一段时间。采用裂纹扩展计测得裂纹起裂、扩展和止裂完整过程的瞬时时间,以此确定试样的动态起裂时刻、裂纹扩展速度和止裂时刻,并运用实验-数值-解析法分别得到砂岩的动态起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度。从微观角度分析了动态起裂韧度和起裂时间的加载率效应。最后,初步讨论了试样内应力波反射对止裂的影响。