考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r~(1/2)奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。     

基于损伤断裂理论的岩石破坏机理研究

首先建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型，求出裂纹端部的应力分量。然后采用最大周向应力理论（σθ准则），求出岩石的断裂角，得出断裂角只与裂纹和荷载方向的夹角有关。在压-剪复合应力状态下，裂纹将沿着初始断裂角θ0的方向开始扩展。进而得出岩石的宏观断裂模式，即裂纹的发展形状是折线形的，最终详细地阐述了岩石的破坏机理。     

考虑T应力的最大周向应变断裂准则研究

岩石的裂纹扩展问题需要确定所采用的断裂准则。为克服最大周向应力准则与材料参数以及平面应力和平面应变无关的不足,该文基于最大周向应变准则思想,推导既包含裂纹尖端r1/2奇异应力项,又考虑非奇异项的应变型断裂准则。通过在KII中考虑摩擦的影响作用,进而实现不同摩擦系数条件下裂纹的起裂角度和起裂强度的研究。运用文中所提出的断裂准则,分别研究含单裂纹的无限板在双轴拉伸和双轴压缩两种条件下的断裂特征,进一步揭示泊松比、侧压系数、摩擦系数等材料参数对裂纹扩展的影响作用,计算结果与相应的试验及理论结果具有较好的一致性。     

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ-Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子（SIF）的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。     

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ–Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子(SIF)的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

 通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。     

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

 通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力 及最大周向拉应变 判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。     

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。     

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

 通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。     

偏心圆孔圆盘破坏模式的数值和试验研究

为了考察偏心圆孔圆盘在径向加载条件下,圆孔偏心位置和孔径大小对其破坏模式的影响,采用不同孔径大小和偏心距的偏心圆孔砂岩试件在RMT-150B试验机上进行了径向加载试验。基于Griffith强度准则,采用ANSYS有限元软件对44种不同构型的偏心圆孔圆盘模型径向加载条件下的应力集中系数进行了计算。数值模拟和试验结果表明,偏心圆孔最大应力集中系数随着偏心距的增大逐渐减小,且主要出现在圆孔的孔边和加载端点处,该位置对应试件的起裂点,试件的破坏角度与偏心距和圆孔孔径相关,给出了破坏角度的计算公式。偏心圆孔圆盘主要有两种破坏模式,Griffith强度准则能够判断其起裂位置。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于MogiCoulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明:具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr-Coulomb强度准则解答和Matsuoka-Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数b=0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

水压诱发裂缝拉伸与剪切破裂的理论模型研究

 基于断裂力学理论,分别研究水压诱发的拉伸与剪切破坏特征。在水压诱发拉伸破坏方面,建立考虑井筒影响的地应力与水压耦合下的射孔尖端裂缝应力强度因子计算方程,推演该条件下拉剪复合应力状态下的断裂准则以及临界水压和启裂角的计算式。运用该方法从理论上分析了井筒周围存在对称的2条裂纹时,启裂水压和角度受射孔倾角、射孔长度、井筒半径及主应力差的影响。研究结果表明,依据推演的拉剪复合型断裂准则计算得到的射孔启裂水压和角度与试验结果吻合良好。参数分析表明：随着射孔长度或井筒半径的增加,临界水压减小。在水压诱发剪切破坏方面,则根据裂纹面的应力状态,分别推导裂纹处于压剪闭合状态和压剪不闭合状态下,水压诱发剪切破坏的断裂准则,并考虑非奇异应力对剪切断裂的影响,进一步推导压剪闭合应力状态下发生剪切破坏的临界水压计算公式。     

An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks

In this paper, the Mohr-Coulomb shear strength criterion is modified by mobilising the cohesion and internal friction angle with normal stress, in order to capture the nonlinearity and critical state concept for intact rocks reported in the literature. The mathematical expression for the strength is the same as the classical form, but the terms of cohesion and internal friction angle depend on the normal stress now, leading to a nonlinear relationship between the strength and normal stress. It covers both the tension and compression regions with different expressions for cohesion and internal friction angle. The strengths from the two regions join continuously at the transition of zero normal stress. The part in the compression region approximately satisfies the conditions of critical state, where the maximum shear strength is reached. Due to the nonlinearity, the classical simple relationship between the parameters of cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength from the linear Mohr-Coulomb criterion does not hold anymore. The equation for determining one of the three parameters in terms of the other two is supplied. This equation is nonlinear and thus a nonlinear equation solver is needed. For simplicity, the classical linear relationship is used as a local approximation. The approximate modified Mohr-Coulomb criterion has been implemented in a fracture mechanics based numerical code FRACOD, and an example case of deep tunnel failure is presented to demonstrate the difference between the original and modified Mohr-Coulomb criteria. It is shown that the nonlinear modified Mohr-Coulomb criterion predicts somewhat deeper and more intensive fracturing regions in the surrounding rock mass than the original linear Mohr-Coulomb criterion. A more comprehensive piecewise nonlinear shear strength criterion is also included in Appendix B for those readers who are interested. It covers the tensile, compressive, brittle-ductile behaviour transition and the critical state, and gives smooth transitions.     

考虑主应力轴方向的砂土各向异性强度准则与滑动面研究

主应力加载方向对土体强度产生影响的根本原因是土体存在各向异性。对于横观各向同性砂土而言,沿不同平面的抗剪强度随该平面与沉积面夹角增大而增大。认为砂土固有各向异性强度与该平面的各向异性参数密切相关,给出了各向异性砂的峰值强度表达式。在SMP准则中,各个潜在滑动面上的剪正应力比相同,各向异性砂土的抗剪强度和滑动面位置由强度最低的潜在滑动面所决定。综合考虑主应力轴、滑动面以及沉积面之间的位置关系,得到了砂土的各向异性强度准则。采用福建标准砂进行了一系列定轴剪切试验,系统地观测了定轴剪切试验中试样滑动面的特征。已有试验数据和理论结果的对比表明,各向异性强度准则可以较好地预测各向异性砂土的强度与滑动面位置。