岩石切割的有限元模拟分析

在建立岩石等脆性材料切割的力学模型基础上，采用有限元法对切割时呈现的力学状态进行了分析，且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展初始阶段进行了模拟，其结果表明，对内部缺陷较少的岩石，以应力其准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关；切削阻力随切入浓度增大呈非线性增加。裂纹扩展的初期路径与刀具的前角有关。     

基于岩石损伤破坏和声发射理论的岩爆发生机理

岩石等脆性材料在加载过程中，随着载荷的增加，材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展，这是其他任何方法都不具有的优势。采用岩石声发射测试技术，对不同孔隙率的岩石的岩爆机理进行了系统的试验研究；利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式；用不同孔隙率的大理岩进行了双轴压缩试验。试验模拟了双向受力状态下的岩爆，研究了其破坏过程中的声发射特征，并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。研究表明，采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程，是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律试验研究

为研究脆性岩石边缘裂纹扩展规律，以自制的类岩石材料试件为研究对象，采用单轴加载、声发射监测及FRACOD2D数值模拟相结合的方法，对预制边缘裂纹的起裂、扩展及声发射特征进行了研究。试验结果表明：随着预制边缘裂纹宽度的增加，试件的起裂强度、单轴抗压强度逐渐减小，I型拉伸裂纹出现的时间越来越早，剪切裂纹出现时间越来越晚；试件的破坏形式不因预制边缘裂纹宽度不同而改变，最终以拉伸破坏为主。声发射监测中，裂纹起裂和试件整体破坏时声发射具有阶梯状波动、能量高的特点；边缘裂纹宽度越大，第1次出现能量峰值时间越早；I型破坏产生在线弹性阶段，而大多数剪切与次生裂纹产生在峰值强度附近，其能量水平远大于拉伸裂纹起裂点能量值。数值模拟试验过程中，随着裂纹宽度增加，裂纹起裂角度越趋近于加载方向，裂纹数目增多，总位移由4.7 mm降低到1.07 mm，最大拉应力由58.2 MPa减小到26.8 MPa，试件的破坏形式与力学试验相同。     

基于PFC2D的单齿直线切削破岩过程分析

在石油钻井、隧道开挖等领域经常遇到关于岩石切削的问题,岩石切削问题的研究成为提高机械开采效率的重要突破口。针对钻井过程中锥形齿切削岩石的塑-脆性破碎机理这一科学问题,以提高钻进效率为最终目的,通过实验测试岩石力学参数和离散单元法（PFC2D）建立了锥形齿平行切削岩石的数值模拟,研究岩石切削过程中在不同切削深度下的切削形貌、切削力、破岩比功等。结果表明：（1）岩屑先产生宏观剪切裂纹形成半脱落岩屑,后于薄弱处发生张拉失效导致岩屑弹出,并且在切削深度较浅时产生小尺寸岩屑,在切削深度较深时产生大尺寸岩屑。（2）研究了不同切削深度下产生岩屑时的切削峰值力,发现与Nishimatsu的峰值力模型更加符合,与切削深度呈线性增长的趋势。（3）切削力的峰值基本对应裂纹的激增,随着切削深度的增加裂纹图中台阶数会随之减少;破岩比功与切削深度在一定范围内呈正相关,并可以根据的关系图将切削过程划分出塑性破坏阶段、小碎屑阶段、脆性破坏3个阶段。     

岩石切削机理模型分析及实验研究

切削机理模型是研究岩石钻进切削过程中的切削力以及切削热的基础。在分析岩石切削机理模型的基础上,基于摩尔理论和裂纹扩展理论,分析中硬岩石切削状态,认为在中硬岩石切削过程中岩石存在着脆性切削和延展性切削2种方式,在此基础上得到新的中硬岩石切削机理模型。以砂岩、大理岩和花岗岩为钻进对象,开展微钻实验研究。结果表明:切削过程为岩石在刀具的扭矩和推进力作用下发生破坏,导致小岩屑、大切屑不断循环产生的过程,小大切屑形成主要源于岩石挤压变形和裂纹生成扩展。实验结果与岩石切削机理表现出较好的一致性。     

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

采用一种新型的透明性和脆性度良好的非饱和树脂材料,制作了一组含有不同倾角椭圆形三维内置单裂隙的试样。研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,分析探讨其产生的条件和机理。试验结果表明：三维单裂隙试件破坏过程大致经历4个阶段。三维单裂隙的断裂比二维断裂复杂得多,产生多种不同形态的裂纹,如鱼鳍状裂纹、花瓣形裂纹等。在FLAC 3D软件框架内还建立了一种新的弹脆性破坏本构关系和分析法,并采用超细单元划分法建模,用以模拟三维裂隙扩展。数值模拟结果与本文和前人的三维裂隙试验对照,相符程度均良好,表明了新的数值模拟方法的有效性。当推广到双轴压缩试验模拟时,也与前人相关试验结果有很好的一致性。     

TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机（TBM）边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明：张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。     

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。     

圆柱体轴向点荷载加载破坏机理

以弹性力学中布西内斯克问题为基础,分析圆柱体轴向点荷载在加荷轴上的应力分布情况.结合脆断破坏强度理论,研究了圆柱体轴向点荷载试验试件的破坏原因与破坏过程.研究结果表明,圆柱体轴向点荷载试验的破坏主要是由于与加荷锥接触的试件的表面在压应力与拉应力的共同下,材料的拉应变达到破坏极限,最先于试件表面处发生拉断破坏;表面的破坏口导致应力集中,并且以裂纹的形式快速向深部扩展;当上下扩展裂纹相遇时,岩石的破坏面便完全产生.     

煤岩组合体峰后渐进破坏特征与非线性模型

利用煤岩组合体的单轴和三轴压缩试验结果,基于轴向裂纹应变,分析了其峰后渐进破坏特征。在此基础上,通过将峰后阶段的煤岩组合体概念化为裂纹体和基体两部分,建立了考虑自然应变的裂纹体在峰后裂纹贯通阶段的本构模型,然后考虑基体的弹性变形,最终得到煤岩组合体峰后阶段的非线性应力-应变关系。实例验证表明,该模型能较好地反映煤岩组合体峰后应变软化行为和残余强度。对模型的2个参数进行分析,结果表明:轴向裂纹扩展应变极值在单轴压缩时取得最大值,围压存在时远小于最大值;等效非弹性柔度与轴向裂纹扩展应变极值存在负相关关系,与能量跌落系数大致存在线性相关关系,表明等效非弹性柔度可间接评价煤岩组合体峰后破坏的脆性程度;等效非弹性柔度比轴向裂纹扩展应变极值对煤岩组合体峰后破坏行为的影响更明显。     

岩石压缩条件下微裂纹扩展机制研究及数值模拟

岩石在压缩加载过程中的变形由岩石母体的线弹性应变和微裂纹引起的非弹性应变组成,微裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子大小有着密切的关系.基于细观力学方法,分析了岩石微裂纹相对滑动的条件及扩展准则.运用RFPA2D程序,对在压缩条件下岩石单一微裂纹的扩展过程进行了数值模拟,结果表明,微裂纹在起裂扩展前,在相当一段时间内,原生裂纹上下2个裂纹面会发生相对摩擦滑动;岩石受压时微裂纹产生沿最大主压应力方向扩展的次拉伸裂纹,该次拉伸裂纹是岩石产生劈裂破坏的主要因素.     

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。     

岩石热损伤破裂的数值模拟研究

基于颗粒流离散元程序PFC^2D建立热力耦合数学模型，针对温度作用下花岗岩的破坏裂纹扩展演化规律展开模拟研究。数值模型计算结果表明：热冲击下数值模型的裂纹均从四周开始向内部延伸，并在边界处产生相对较密的裂纹；升温与降温均会对岩石造成一定的热损伤，升、降温过程中裂纹均率先出现在热膨胀系数较大的颗粒之间，400℃为该岩种的起裂温度；升降温过程分别产生的主要裂纹的力学属性不同；降温导致岩石宏观力学特性小幅增强后大幅劣化，力学性质衰减42%。计算结果与试验现象保持较好的一致性。     

含裂纹缺陷的脆性材料冲击三点弯曲试验

为研究冲击动态载荷作用下,含裂纹缺陷的脆性材料动态断裂行为。采用数字激光动态焦散线实验系统和自主设计的落锤冲击加载平台,记录了含不同裂纹缺陷的有机玻璃(PMMA)试件在落锤冲击作用下的破坏形态和破坏过程,分析了运动裂纹扩展过程中的动态应力强度因子和速度的变化趋势。结果表明:试件中的裂纹缺陷对运动裂纹的扩展具有导向作用。不同倾角的裂纹缺陷对运动裂纹扩展的作用效应也不相同;其中,倾斜裂纹缺陷和水平裂纹缺陷对运动裂纹的扩展具有明显的抑制效应。     

不同品位晶质石墨矿石劈裂拉伸力学行为研究

为分析不同品位对晶质石墨矿石拉伸力学特性的影响,以黑龙江省萝北云山石墨矿为研究对象,基于 矿物成分磨片分析,开展室内巴西圆盘劈裂试验,同时采用高速摄影机记录裂纹扩展过程。 按照矿石品位分级进行 4 组试验,平均品位分别为 3. 28%、8. 24%、13. 41%、19. 11%。 研究结果表明:晶质石墨矿石加载过程可分为原生缺陷压 密、弹性变形、微裂隙发育、宏观裂纹扩展 4 个阶段,随着品位升高,初始压密阶段所产生的变形量逐渐减小;其抗拉强 度、平均单位体积累计吸收能随矿石品位升高逐渐降低;同时结合高速摄影图分析发现晶质石墨劈裂试件破坏过程 中裂纹扩展速度随着品位升高呈下降趋势,整体上岩石由脆性转为延性。     

矿柱裂隙扩展机理分析研究

依据断裂损伤力学理论对矿柱裂隙扩展机理进行了研究。详细讨论了岩石在不同应力状态下裂纹的扩展演化规律,并对裂纹扩展模型及裂纹群的演化与相互作用进行了分析总结;采用滑移裂纹模型对矿柱近自由表面裂纹在压应力下的扩展规律进行了分析,提出了裂纹扩展的应力判据。进一步得出由于裂纹的贯穿与联合复杂作用,最终在矿柱中形成破坏区,从而对矿柱稳定性造成影响的结论。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

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。     

含缺陷砂岩裂纹扩展特征试验与模拟研究

采用岩石力学伺服控制试验机和声发射仪,对含缺陷砂岩进行了单轴压缩试验,研究了岩石的裂纹扩展和声发射特征。同时采用岩石破裂过程分析系统进行了模拟研究,试验结果和模拟结果具有较好的一致性。在此基础上进行了多次重复模拟试验,探讨了材料非均质性对岩石裂纹扩展特征的影响。实验结果表明:岩石材料裂纹扩展特征与材料非均质性密切相关,主裂纹首先在裂隙尖端产生并沿垂直裂隙方向扩展,而后改沿最大主应力方向朝端部扩展,但此后的裂纹扩展方向不同,且主裂纹在各阶段扩展长度、速度不同;同时,次生裂纹参数(数量、长度、宽度、走向)存在差异。     

单齿回转切削力学模型的研究进展

碎岩机理研究是提升碎岩效率和提高钻头寿命的前提和依据,而回转切削力学模型是碎岩机理的重要研究基础。通过对国内外典型单齿回转切削力学模型调研分析,归纳出力学模型研究动态主要表现在基于岩石不同破碎形式及岩石与切削齿不同接触形式方面。岩石切削力的分解由初期的切向力和轴向力,发展为主切削力、摩擦力以及切削齿磨钝后力的分解,认为切削力的分解及传递过程直接影响切削齿对岩石作用的应力分布状态,从而导致岩石破碎形式的差异。这些差异主要体现在岩石宏观和微观2种不同破碎形式:岩石的宏观破碎形式主要是由拉伸作用或者剪切作用导致破碎;岩石的微观破碎形式表现为拉剪联合作用导致破碎。微观破碎以内部裂隙产生到裂纹扩展,最终导致岩石宏观破碎现象。最后对单齿回转切削力学模型研究的发展方向提出一定建议。