基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grainbasedmodel,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性。对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值试验,分析研究应力–应变曲线、试样破坏模式及微裂纹的发展与演化规律。结果表明:岩石试样加载过程中的新生裂纹以晶内和晶间的拉伸裂纹为主,裂纹的发展可分为初始阶段、稳定发展阶段、快速发展阶段和峰后阶段;在10MPa条件下的双轴压缩中裂纹扩展的形态与单轴压缩相比具有中心对称和边缘延展2个明显的特性;峰值应力下各类型破坏裂纹数量随双轴试验围压增加呈现不同程度的增长趋势。从应变–裂纹数量角度分析,除晶间剪切裂纹外,围压对其他类型裂纹的前期发展存在不同程度的抑制作用;非均质性系数大的双裂隙岩石加载过程中更易出现应力集中且双轴压缩时破坏形式更易从拉伸破坏向剪切破坏转换。     

基于矿物晶体模型非均质岩石单轴压缩力学特性研究

为研究岩石微观结构非均质性对宏观力学特性及裂纹扩展规律的影响,结合花岗岩室内单轴试验及矿物晶体模型(Grain-based model, GBM)对岩石的微观矿物结构进行离散元建模,研究了非均质岩石宏观应力-应变曲线、声发射及晶体尺度裂纹扩展规律。通过改变岩石微观结构进一步研究了不同矿物组成条件下岩石宏观力学特性及其变化原因。结果表明:GBM可在考虑岩石微结构及强度非均质的条件下,有效模拟岩石加载过程中宏观及微观力学特性;加载初期,岩石内部晶体尺度裂纹首先以晶间裂纹为主,随后转变为以晶内裂纹为主,且裂纹破坏主要为拉伸破坏,岩石破坏时拉伸裂纹及晶内裂纹与总裂纹占比分别约为93.87%,60.95%;加载过程中,岩石微裂纹首先随机分布在岩石内部,后开始聚集并造成宏观破裂面的出现,且宏观破裂面的形成主要与矿物晶体内裂纹的扩展及聚合有关;随岩石内长石矿物含量的增加,岩石峰值应力与损伤应力整体呈增加的变化趋势,且该变化规律可能与长石矿物内裂纹数增加及云母矿物内裂纹数减小有关;通过矿物晶体模型对岩石微观结构进行模拟并对非均质性所造成的力学特性变化进行微观尺度解释,有利于更好理解岩石非均质性与宏观力学特性的关系。     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

基于Multi Pb-GBM方法的花岗岩细观力学行为数值研究EI北大核心CSCD

花岗岩以其优越的力学性质在工程中被广泛利用,提出一种多级平行黏结晶体模型(MultiPb-GBM)用以模拟类晶体花岗岩的微观结构。以平行接触模型代替传统的光滑节理模型来刻画晶体边界,将平行接触模型分为3种类型:晶体内部接触、同种矿物内部的晶体边界接触以及不同种矿物的边界接触。应用单轴压缩试验和巴西劈裂试验对模型的微观参数进行校正,开展多组数值试验研究晶体尺寸分布系数影响下脆性花岗岩试样的动态损伤破裂演化过程,并基于Fish函数建立一套完整的裂隙监测系统以记录微裂缝的行为特点。研究结果表明:(1)晶体尺寸分布系数对破裂模式会产生影响,单轴压缩试验与劈裂试验中张拉裂纹均占据主导,随着花岗岩晶体尺寸的增大,单轴抗压强度(UCS)和抗拉强度(UTS)均呈现出增大趋势。(2)不同矿物晶界处的裂纹数量多于同种矿物晶界处的裂纹数量,随着平均晶体尺寸分布系数的增大,晶界处的裂纹数量逐渐减少,内部破裂数量相对增多。(3)微裂纹首先出现在第三级接触处,随后二级接触处发生断裂,最后一级接触裂纹数目迅速增大。(4)单轴压缩试验是由钾长石–石英边界为主的晶间破裂向钾长石–斜长石为主的晶内损伤转化的过程,直至宏观破坏的发生。     

Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹观察

 利用Nishiyama和Kusuda(1994)提出的荧光方法,对Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹进行详细的实验观察。应用这种方法,能同时有效、容易地确认微裂纹的产生方式,如长石颗粒间的解理裂纹、石英颗粒间的晶内裂纹和这些裂纹的宽区域分布。作为一个观察结果,确认拉长的相连裂纹对花岗岩破坏有直接影响,这些裂纹大致分为3类。据推测,这3类裂纹不能同时发展,每一类有不同的产生机制。单轴压缩下裂纹的产生机制是：首先,在平行于施加荷载方向产生许多微裂纹,长裂纹是通过延长和合并微裂纹诱发产生的;然后,通过进一步加载,产生断层面,各部分的裂纹被连接、扩展;最后,花岗岩试样发生破坏。     

细观结构的非均质性对花岗岩蠕变特性影响的离散元模拟研究

基于颗粒离散元方法,通过将等效晶质模型和应力腐蚀模型相结合,建立考虑晶体粒径分布的非均质性蠕变颗粒流模型。通过室内试验和数值模拟计算结果的对比分析,验证该方法在花岗岩蠕变力学特性研究中的适用性和可靠性,表明晶体粒径分布所造成的非均质性对花岗岩蠕变失效时间、稳态蠕变速率、裂纹数量和长期强度等性质都具有很大的影响。主要研究结论如下:(1)当非均质性因子越小时,岩石越均质,单轴抗压强度和长期强度越高,岩石的长期强度和单轴抗压强度的比值在0.70左右;(2)岩石在同一应力下,当非均质性因子越大时,蠕变失效时间越小;在同一驱动应力比下,随着非均质性因子的增加,岩石稳态蠕变速率降低,蠕变失效破坏时间更长;(3)微裂纹的发展大致分为3个阶段:缓慢扩展阶段、等速扩展阶段和加速扩展阶段,从微裂纹数量上,呈现出晶间拉裂纹、晶内拉裂纹、晶间剪裂纹数量递减的规律,晶间裂纹在总裂纹数量中占主导地位;(4)岩石的细观结构对破坏模式起着控制性作用,当模型较为均质时,破坏模式呈现出劈裂破坏;当非均质性增加时,破坏模式转变为剪切破坏。微裂纹在扩展过程中会优先选择晶体边界扩展,并且出现了明显的"绕核"现象,即粒径较大的长石对裂纹扩展和破坏模式影响明显,当岩石非均质性越大时,该现象越明显。     

混凝土单轴压缩蠕变试验的模拟研究

通过对混凝土试件进行数值模型重构,研究不同恒定轴向应力下混凝土轴向应变的变化、破坏模式以及微裂纹的倾角规律。主要结论为(1)轴向应力与失效时间符合幂函数关系,拟合得到混凝土的单轴压缩的长期强度为44.83 MPa,与瞬时抗压强度的比值为0.80;(2)在蠕变加载过程中,蠕变曲线大致可以分为3个阶段,即初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段,其中等速蠕变阶段持续时间最长;(3)在外部恒定荷载下界面过渡区首先萌生微裂纹,随后微裂纹逐渐扩展,最终贯通整个试件,发生单剪切面破坏或者"X"型共轭剪切破坏;(4)微裂纹倾角分布在两个集中范围,即40°~80°和130°~160°,许多微裂纹所组成的主破裂面是混凝土试件蠕变失稳破坏的最重要的因素。     

基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析

模拟脆性岩石破坏时,现有的平节理模型没有考虑固有微裂纹导致的应力-应变曲线非线性特征,也没有将起裂强度作为细观参数的标定基准。以花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线特征、起裂强度、巴西劈裂抗拉强度、库仑摩擦角以及黏聚力作为基准,标定平节理模型细观参数,并分析宏细观参数间的趋势关系。以标定后的参数建立精确平节理模型试样,与不考虑固有微裂纹的常规平节理模型试样一起进行30°单裂纹岩石压缩数值试验,以室内试验数字图像相关方法得到的应变场为基础,对拉剪微裂纹萌生规律、数量以及分布特征进行分析,验证了提出的平节理模型参数标定方法,并表明固有微裂纹在宏观层面上改变了单轴压缩应力-应变曲线特征,而在细观层面上对预制裂隙尖端初始裂纹的起裂模式、拉剪微裂纹的扩展分布规律均有较大影响。     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

基于PFC3D-GBM的晶体–单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸特性影响分析

为从矿物颗粒尺度上探究花岗岩的动态拉伸力学行为,提出一种新型的基于颗粒流方法(particle flow code,PFC)的三维等效晶质模型(grain-basedmodel,GBM),并利用FDM-DEM耦合建模技术构建三维分离式霍普金森压杆(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)模拟系统。利用该系统对模拟岩样进行动态半圆弯拉(semi-circular bending,SCB)试验,探究试样破裂过程,并讨论晶体–单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸力学行为的影响。研究结果表明：动载作用下的试样内部裂纹数目演化过程可分为萌生、缓慢增长、急速增长、趋于稳定4个阶段,且拉伸破坏是引起试样整体破裂的主要力学机制。随着晶体–单元体尺寸比的增加,试样晶内接触数量占总接触数量的比值逐渐上升并趋于稳定,而晶间接触占比则相应减小。试样破坏后产生的晶内裂纹数量占总裂纹数量的比值逐渐增大,导致试样发生宏观断裂时所需的外部荷载值上升,因此其动态抗拉强度上升且逐渐趋于稳定。PFC3D-GBM在研究晶质性岩石动力学方面具有可行性,是从矿物颗粒尺度上进行岩石力学探究的有力工具。     

单轴压缩下大理岩细观裂纹扩展试验研究

利用带有加载装置的扫描电镜（SEM）实时动态观测系统和数字图像处理技术,对大理岩试件在受单轴压缩时所产生的微裂纹的萌生、扩展过程进行了定量分析,得到微裂纹扩展的规律,对岩石力学研究有一定的理论意义。     

不同角度单裂纹缺陷试样的裂纹扩展与破坏行为

在诸如岩石、混凝土、陶瓷和玻璃等脆性介质中，常分布大量的裂纹缺陷。这些缺陷在载荷作用下造成裂纹的孕育、萌生、繁衍、扩展和贯通，导致介质的强度和刚度降低。通过自制的试验系统，研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程，并用数值模拟进行了验证。试验和数值结果显示：单轴载荷作用下，裂纹扩展和最后的破坏行为受预置单裂纹缺陷的角度影响。当角度较小时，裂纹萌生比较容易，在整个受压过程中均匀扩展，试样一般以混合模式破坏；当角度较大时，裂纹不易萌生，但在接近峰值强度时，扩展较快，并直接导致最后的剪切或劈裂破坏；当预置裂纹缺陷的角度与试样的破坏角接近时，试样最容易发生脆性破坏，并产生很大的应力降。     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

岩石声发射定位技术及其实验验证

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等),在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。对含不同预制裂纹及完整岩样进行单轴压缩实验,应用声发射仪器及其盖格尔(Geiger)定位算法对岩样破裂过程的裂纹扩展过程进行实验验证。实验结果表明:在单轴压缩加载条件下,含预制裂纹的岩样发生剪切破坏;完整岩样发生劈裂破坏。声发射事件的定位达到较高的精度,很好地反映了岩样内部微裂纹孕育、萌生、繁衍和扩展的三维空间演化模式,不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果与实际破坏模式非常吻合,这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。     

单轴压缩岩石不同边界裂纹扩展数值模拟研究

对于单轴压缩的岩石试件,其破坏形式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展.基于断裂力学机制,运用FLAC的显式有限差分数值模拟技术,对单轴压缩荷载下三种不同边界形状,即直边、凸形、凹形情况下含近边界预置斜裂纹的岩石模型进行了数值模拟研究.研究结果表明,基于Interface界面单元建立的裂纹扩展模式以Z型翼裂纹扩展为主,可以较好地模拟裂纹扩展过程.预置裂纹倾角和边界形状对近边界裂纹起裂应力及裂纹扩展过程都有一定的影响.凹边界情况下裂纹扩展较为稳定,无非稳定扩展情况的出现,而直边界和凸边界情况裂纹扩展均由稳定扩展到非稳定扩展逐步进行.     

单轴压缩条件下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为准确得到甘肃北山核废料地质处置区花岗岩围岩强度与变形特征。在MTS815岩石电液伺服机上对花岗岩进行了单轴压缩试验,并对试验结果进行了系统的分析。结果表明:北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹,而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展,并纵向贯通,将岩石分为竖向块体,呈现出脆性破坏特征;将花岗岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段,初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展阶段。应用裂纹体积应变模型求得各阶段终止时分别对应岩石的四个特征应力值:起裂应力、弹性应力、损伤应力和峰值应力;依据裂纹体积应变概念,将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变,提出可以通过比较轴向与径向裂纹应变间的大小来确定其起裂方向。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

 对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

多围压脆岩压缩破坏特征及裂纹扩展规律

为揭示脆岩三向受压时的破坏特征与裂纹扩展分布规律,首先通过室内试验得到油页岩试件在变围压条件下的力学参数和变形破坏特征;其次基于离散元软件UDEC自带的Voronoi块体划分逻辑,采用内置Fish语言编译三角块体群数值模型的构建程序,通过参数反演确定块体接触面的微观参数,并选用最佳块体边长均值建立标准压缩数值试件;然后对数值试件进行不同围压下的压缩模拟,并依据接触面破坏准则,应用Fish语言编译相关程序,统计试件压缩过程中发生破坏的接触面的累积数量及长度,接触面的累积破坏伴随着裂纹的萌生与扩展,最终得到数值试件的压缩破坏形态及裂纹发育规律。结果表明,随围压升高,脆岩破坏剪裂角小幅增大,试件破坏形态均为包含一组共轭剪切面的脆性剪切破坏,与数值模拟结果较吻合;试件三轴压缩时以剪切破坏为主,同围压试件剪破坏裂纹数量约为拉破坏的6倍,剪破坏裂纹长度为拉破坏裂纹长度的40~70倍;随围压增大,剪破坏裂纹长度最大值逐渐增加,由开始的77.3%逐渐增加至94%;而拉破坏裂纹长度最大值逐渐减小,由开始的16.3%减少至12.1%。