石油工程中岩石裂纹扩展与破坏机理研究

石油工程中岩石特点是理藏深，受高温，高压的作用，它是一种非均质不连续体的脆性材料，其破坏过程是水力或机械作用下，岩石内部裂纹的产生，扩展，合并和贯通的过程，本文对工程作业中的岩石裂纹扩展与破坏机理进行了较详细的理论分析，并通过实验研究对岩石裂纹的产生，扩展和贯通的全过程进行了探讨，得出了射流水楔作用是岩石裂纹产生，扩展，贯通以及破坏的重要方式，为石油工程作业的设计与施工提供了理论依据。     

岩石多裂纹相互作用破坏机制的研究

 博士学位论文摘要　岩石是一种含有多裂纹的高度非均匀材料, 其变形破坏过程实质上是岩石材料中裂纹的萌生、扩展、相互作用直至最后贯通破坏的动态演化过程。考虑非均匀性影响的岩石多裂纹扩展中相互作用及其贯通破坏机制研究是岩石断裂力学的重要研究课题, 同时也对裂隙岩体开挖工程稳定性、边坡滑坡预防及构造地震产生机制及预测预报等研究具有重要的理论和实际意义。本文主要通过自主开发的基于岩石细观损伤模型的二维岩石破裂过程分析软件RFPA2D 并辅以一定的相似材料试验, 结合已有的研究成果对岩石多裂纹的破坏机制进行了分析, 探讨了岩石中预置裂纹的空间排布几何特征、力学参数、加载方式和非均匀因素等对其演化过程中的应力场分布、声发射分布、岩桥区的贯通模式及贯通准则的影响。通过上述研究取得了如下主要认识:(1) 多裂纹相互作用主要表现为应力场的相互扰动。根据裂纹的相对几何位置和加载方式等条件, 进行不同叠加后的应力场可产生两种效应, 即相互增强或减弱效应。裂纹相互作用的应力场叠加强度和应力属性决定了裂纹扩展和贯通的基本模式。由于岩石的抗拉强度较之抗压强度小一个数量级左右, 因而裂纹的萌生总是首先出现于预置裂纹端部拉应力集中区, 产生拉2张性质的翼形裂纹, 随着裂纹的扩展, 裂纹尖端的拉应力集中逐渐变小, 当扩展至与主应力方向近于平行时,裂尖出现压应力集中。(2) 数值模拟和相似材料试验都发现, 裂纹间的贯通模式有4 种, 即拉模式( T2Mode) 、剪模式(S2Mode) 、压模式(C2Mode)和混合模式(M2Mode) 。扩展裂纹最终以何种形式连接、贯通, 在裂纹间摩擦系数不变情况下, 则主要取决于裂纹之间的几何位置。裂纹的贯通模式决定了裂纹贯通时的贯通应力的大小。一般以S 模式的贯通应力最高, M 和C 模式次之, T 模式的贯通应力最低。在三个以上裂纹相互作用贯通时服从由贯通应力所决定的最弱贯通路径原则。(3) 侧压对裂纹萌生、扩展、相互作用及贯通机制有很大影响。随着侧压的增大, 翼形裂纹的生长受到抑制, 以次级裂纹的扩展成为主要贯通因素。在较低的侧压下为拉破坏贯通模式的裂纹, 随着侧压增加, 逐渐变为以拉剪混合模式或剪切模式贯通。不同长度的裂纹在侧压变化时对试样破坏所起的作用不同。在较低或无侧压时裂纹群试样破坏模式中较大的裂纹起到控制作用。随着侧压增大, 成条带状态集中排布小裂纹对试样的最终破坏起到了决定作用。随着侧压增加, 裂纹的起裂应力、贯通应力和峰值强度都随之增大。(4) 非均匀性的存在产生的岩石中应力分布局部集中和变形局部化, 是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通方式的根源。由于非均匀性的影响, 裂纹的扩展路径变得断续、粗糙和曲折。裂纹扩展前方遇到不同性质的包裹体时, 裂纹的扩展会出现很大的不同。即当裂纹扩展遇到较强的介质时, 裂纹的扩展方向会发生偏转, 并绕过强介质继续扩展; 较弱的介质和已贯通的裂纹组对其它组裂纹的贯通有屏蔽作用。非均匀性对多裂纹试样的起裂应力、贯通应力和峰值强度都有很大影响。随着岩桥均质度的提高, 试样的特征应力都相应随之提高。以上所得结果和相关的试验观测取得了较好的一致性。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

带裂纹花岗岩试件三点弯变形演化及破裂机制

为建立岩石工程灾害精准预测预报体系,开展含预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验,研究岩石试样变形演化及破裂机制。以声发射技术和数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过矩张量反演方法研究岩石破裂类型。通过对岩石预制裂纹扩展长度及声发射振铃计数、能量和体积参数进行分析,研究岩石试件变形演化特征和破裂机制。研究结果表明:(1)三点弯岩石试样裂纹扩展具有明显的阶段性和不连续性,其过程为某次裂纹扩展 微裂纹静默积累-裂纹再次扩展;(2)预制裂纹扩展与不同破裂类型裂纹的声发射指标具有相关性。预制裂纹扩展时,张拉裂纹体积参数、能量和振铃计数随之出现;预制裂纹扩展前后,3种类型裂纹体积参数、能量和振铃计数随机产生;在预制裂纹长度保持稳定不变时,没有声发射信号产生;(3)裂纹扩展后到下一次裂纹扩展前,先是在贯通裂纹尖端附近随机出现各种破裂类型的裂纹,随着微裂纹的积累,贯通裂纹所主导的裂纹类型占比开始增加,直至产生新的贯通裂纹。     

岩石剪切破坏裂纹演化特征量化分析

 为深入研究岩石破坏过程表面裂纹演化规律,探讨表面裂纹与内部破裂之间的内在联系,对砂岩剪切过程中表面裂纹演化特征进行量化,分析砂岩剪切破坏表面裂纹演化模式,建立表面裂纹量化参数与应力状态和声发射特征之间的关系,并探讨含水状态对岩石剪切破坏表面裂纹量化参数的影响。研究结果表明：砂岩在剪切过程中伴随着表面雁行裂纹的形成与贯通,雁行裂纹宏观形态出现于破坏前的极短时间内,随后岩石发生剪切贯通;最大AE事件率总是出现在剪应力急剧下降来临之前极短时间内,且出现在表面裂纹非稳定快速扩展之前;饱水系数影响了表面裂纹出现的时间和相对于峰值剪应力的位置,随着饱水系数的增加,砂岩表面裂纹出现时间变早,最大瞬时贯通速度呈依次递减规律,贯通时间变长,表面裂纹快速扩展滞后时间呈明显增加趋势。     

基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态，这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

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。     

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。     

不同倾角裂隙粉砂岩扩展过程试验与模拟

为研究裂隙扩展及最终破坏形式,以淮北矿区顶板粉砂岩为例,基于岩石力学伺服试验,结合岩石力学理论概化试验模型,利用离散元PFC~(2D)建立数学模型,通过调整预制裂隙水平角度分析岩石试样裂纹萌生、扩展及最后破坏过程。研究结果表明:采动破坏下,裂隙倾角越大,岩体所受压应力越大,裂隙越容易闭合;不同倾角裂隙岩石破坏形式基本相同且多为轴向裂隙贯通或劈裂;随荷载增加,预置裂隙端部首先萌生微裂纹,达到应力峰值之前微裂纹增长缓慢,微裂纹数目逐渐增加进而发展为包裹状裂纹,最后发展成主生裂纹,微裂纹数目与裂隙倾角呈正相关;荷载继续增加,预置裂隙边界产生反翼裂纹,内部裂隙发生贯通,岩石发生破坏;裂隙扩展程度与裂隙倾角呈负相关。     

Numerical study of shear behavior of intermittent rock joints with different geometrical parameters

The purpose of this paper is to investigate shear behavior of rock specimens containing several intermittent joints with different geometrical parameters. Through three series of direct shear tests based on rock failure process analysis (RFPA^2D) code, the whole shear failure process is visually observed and the failure patterns in reasonable accordance with other experimental results are obtained. In general, the failure pattern is mostly influenced by the geometrical parameters of rock joints while shear strength is closely related to the failure pattern and its failure mechanism. It is observed that the propagation of wing cracks depends on the joint separation and the joint azimuth angle, and the connection of wing cracks dominates the eventual failure pattern and determines the peak shear load of the rock specimens. The results also show that macro shear fracture is due to the mesoscopic tensile damage of a large number of elements. This numerical study has made a more reasonable theoretical explanation for the shear mechanism of jointed rock due to the inner damages that are difficult to observe in an experimental testing.     

断裂破坏强度模型在大型油库山体边坡支护中的应用

岩体中存在大量孔洞、节理和裂隙，它们作为岩体的初始损伤而存在其中。正是由于这些节理裂隙的初始损伤、损伤演化、扩展断裂等缺陷导致岩体产生了各种形式的破坏。根据节理裂隙的扩展断裂机理，深入研究了节理扩展及扩展相互作用对岩体强度特性的影响，建立了节理岩体断裂破坏强度模型，并将该模型用于指导广东大湾油库山体高边坡支护设计，取得了令人满意的效果，创造了显著的经济效益。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

Applications of rock failure process analysis （RFPA） method

Brittle failure of rocks is a classical rock mechanical problem.Rock failure not only involves initiation and propagation of single crack,but also is associated with initiation,propagation and coalescence of many cracks.The rock failure process analysis(RFPA)tool has been proposed since 1995.The heterogeneity of rocks at a mesoscopic level is considered by assuming that the material properties follow the Weibull distribution.Elastic damage mechanics is used for describing the constitutive law of the meso-le...     

含孔洞岩石试样三维破裂过程的并行计算分析

岩石破裂过程中裂纹的萌生、扩展、贯通和相互作用都呈空间三维分布，采用三维数值模拟才能更真实地模拟岩石的破裂过程。基于东北大学的大规模并行计算环境，利用 RFPA ^3D -Parallel 程序进行了含孔岩石试样在单轴、双轴和三轴加载条件下破裂过程的数值模拟。数值模拟表明：①数值模拟再现了单轴载荷作用下孔洞周边裂纹区的分布规律，这证实了数值模拟程序的正确性；②在双轴压缩载荷作用下，试样的承载能力的提高非常有限，含孔试样的破裂模式为劈裂破裂，破裂面大致平行于加载平面；③在三轴压缩条件下，试样的承载能力大幅度提高，试样的破裂模式与最大主应力的作用方向有关，在平行于孔轴的高压应力和侧向约束条件下孔周围岩才会发生分区破裂。     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹,用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值,以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系,基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟,再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明,预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时,考虑基质材料力学属性的差异,研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式,结果表明,裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性,从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件 ,对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究 ,试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征 ,这表明它们的损伤断裂过程的不同机制 ,对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样 ,还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂 ,其破坏具有不同于其他试件的特征 ,破坏之前有相当长一段时间 ,声发射也较为活跃 ,且增幅越来越大 ,破坏时出现最高峰值 ,破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半 ,这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性 ,对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响     

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。