岩石类材料裂纹扩展贯通的近场动力学方法模拟

在连续体内引入预制裂纹的数学描述,运用近场动力学方法对含有预制裂隙(不同倾角的单裂缝和不同岩桥倾角的三裂缝)的岩石类材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。结果表明,随着裂缝倾角的增加,翼型裂纹出现的位置逐渐向预制裂隙的两端移动,次生共面剪切裂纹与次生倾斜裂纹出现的时间与形态也随之改变;不同倾角的岩桥呈现的断裂贯通形式有着明显的差异,但裂纹均是在预制裂缝尖端首先产生,随后逐渐扩展贯通,最终导致试件的整体失稳破坏。数值模拟与室内试验结果的对比分析表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石类材料的裂纹扩展贯通形态,反映裂隙扩展的基本力学机制;作为一种新的非局部数值模型,其在岩石材料与岩体工程数值研究领域具有广阔的应用前景。     

含孔多裂隙岩石力学特性与破裂分形维数相关性研究

为研究含孔多裂隙岩石破裂及分形特征,制备含孔多裂隙岩石试件并对其进行单轴压缩试验,运用RFPA2D软件数值研究破裂过程,构建悬臂梁和结构面力学模型解释拉伸裂纹的形成机制以及裂隙倾角对试件抗压强度的影响效应。此外,引入盒维数法计算分形维数,以此定量表征最终破坏后的物理、数值模型试件裂纹的几何分布特征及其与破裂特性的相关性。研究结果表明:(1)试件破坏模式可划分为穿切裂隙剪切破坏(I型)和沿裂隙剪切破坏(II型)2类,试验与数值模拟结果吻合;(2)孔洞两侧的岩桥可简化为悬臂梁模型,由于非几何对称部位作用的弯矩较大,导致孔洞周边出现较多的拉伸裂纹;(3)预制多裂隙显著弱化了试件的抗压强度,随着裂隙倾角的增大,抗压强度呈先减小后增大的趋势,弱化系数W的变化规律与之相反,与结构面力学模型的解释一致;(4)最终破坏后的含孔多裂隙岩石新生裂纹几何分布的分形维数D与破坏特性密切相关;相比于II型破坏,发生I型破坏的试件抗压强度更大,受力过程中出现的宏观裂纹更多且扩展更充分,导致分形维数更大,数据拟合进一步证明抗压强度与分形维数近似服从正相关关系。     

类岩石材料有序多裂纹体单轴压缩破断试验与翼形断裂数值模拟

为研究断续岩石裂纹产状特性对岩体强度的影响和岩桥破断规律,在水泥砂浆中预制有序多裂纹体,开展单轴压缩下类岩石材料有序多裂纹体破断试验。研究发现：有序多裂纹体破断模式主要为排间翼形拉裂纹贯通、排间拉伸—剪切裂纹贯通和排内倾斜剪切裂纹贯通。当裂纹倾角较小（如倾角为25°和45°）时,随裂纹密度的增加,试件表征峰值强度总体上呈衰减趋势,而残余强度总体上呈增加走势;裂纹倾角较大（如倾角为75°和90°）时,裂纹密度对表征峰值强度无显著影响,其残余强度特性表现不明显;相同裂纹密度下倾角从25°变化到90°,试件表征峰值强度总体上呈增加趋势。提出主控岩桥贯通模式的概念,倾角25°试件的主控岩桥贯通模式大都是斜对角线上排间拉伸-剪切裂纹贯通;倾角45°试件的主控岩桥贯通模式为：翼形裂纹贯通和斜对角线方向上共面次生剪切裂纹贯通两种模式。裂纹尖端应力-应变集中特性揭示了压剪裂纹尖端的拉应变集中是岩石翼形裂纹萌生的本质原因,而裂纹端部的双向压应力-应变集中导致次生剪切裂纹萌生。从岩石断裂力学基本理论出发,引入点剪切安全系数,构建基于ANSYS的岩石多裂纹体翼形断裂扩展的数值分析模型,阐明了单轴压缩下有序多裂纹体翼形断裂贯通的力学机制,其数值结论与物理试验基本相吻合。     

岩石类材料裂纹扩展贯通的颗粒流模拟

采用颗粒流软件PFC2D实现含有不同岩桥倾角的预制双裂纹材料在单轴压缩作用下裂纹扩展贯通过程,并利用函数模块追踪裂纹扩展过程和微裂纹数量。数值结果表明:在单轴压缩作用下随着岩桥倾角增大,岩桥区域裂纹贯通模式由张拉型(≤68°)逐渐演化为拉剪复合型(=90°和113°)和剪切型(=135°);试件峰值强度逐渐降低;并认为宏观的次生剪切带主要由张拉型微裂纹和少量剪切型微裂纹组成。利用室内模型试验对数值结果进行验证,结果表明颗粒流程序能够很好地模拟裂纹贯通过程。     

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。     

节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。     

裂隙岩石的应力-水流-化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征.进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力-应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析.试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大.溶液pH值最终趋于中性.试件弹性波纵波速最终也趋于稳定.预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响.单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致.裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸-剪切模式.浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大.该研究为建立应力-水流-化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础.     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。     

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。     

基于裂纹扩展模式的岩质斜坡阶梯状滑移破裂机制研究

阶梯状滑移破裂作为节理斜坡的一种典型破坏模式,裂隙间裂纹的扩展模式对其变形破裂机制及斜坡破裂面形态具有重要的意义。通过颗粒流程序研究了不同岩桥倾角(0°,45°,90°,135°)和围压条件下双裂隙间裂纹的贯通模式、基本特征与影响因素,揭示含双裂隙岩体在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学机制,并推广到含多裂隙岩体裂纹扩展模式中。主要成果如下:(1)双裂隙的贯通主要通过次生共面裂纹、次生倾斜裂纹和翼裂纹;(2)裂纹扩展具有明显的围压效应,低围压条件下,裂隙的贯通主要通过翼裂纹和次生倾斜裂纹,高围压条件下,裂隙的贯通主要通过次生共面裂纹和次生倾斜裂纹;(3)裂隙的贯通应力受岩桥倾角影响较大,岩桥倾角为45°时,裂隙的贯通应力最小,裂隙最容易贯通。结合双裂隙贯通模式的研究,对多裂隙岩体贯通模式进行研究,多裂隙岩体贯通模式可以理解为多组双裂隙的贯通模式的不同组合,同时,在多裂隙贯通模式中,裂纹会寻找贯通应力最小路径扩展。最后,结合一实际斜坡案例,对阶梯状破坏斜坡的基本破裂特征进行了总结分析,并提出了相应的破裂模式分区。     

Application of the expanded distinct element method for the study of crack growth in rock-like materials under uniaxial compression

The expanded distinct element method (EDEM) was used to investigate the crack growth in rock-like materials under uniaxial compression. The tensile-shear failure criterion and the Griffith failure criterion were implanted into the EDEM to determine the initiation and propagation of pre-existing cracks, respectively. Uniaxial compression experiments were also performed with the artificial rock-like samples to verify the validity of the EDEM. Simulation results indicated that the EDEM model with the tensile-shear failure criterion has strong capabilities for modeling the growth of pre-existing cracks, and model results have strong agreement with the failure and mechanical properties of experimental samples. The EDEM model with the Griffith failure criterion can only simulate the splitting failure of samples due to tensile stresses and is incapable of providing a comprehensive interpretation for the overall failure of rock masses. Research results demonstrated that sample failure primarily resulted from the growth of single cracks (in the form of tensile wing cracks and shear secondary cracks) and the coalescence of two cracks due to the growth of wing cracks in the rock bridge zone. Additionally, the inclination angle of the pre-existing crack clearly influences the final failure pattern of the samples.     

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...     

三维表面裂纹相互作用扩展贯通机制试验研究

通过对用机械法预制多个硬币状裂纹的冷冻有机玻璃材料进行单轴加载系列试验,研究脆性材料三维表面裂纹扩展演化和贯通机制。研究结果表明,三维裂纹间的相互作用对裂纹萌生和扩展主要有两种影响,即相互促进或彼此抑制,裂纹演化过程中其空间位置起主要作用。三维表面裂纹间的贯通要复杂得多,同时受裂纹切割深度、空间位置影响较大。这一研究加深了对有机玻璃材料(PMMA)等透明脆性材料破坏机制的了解,同时对岩石材料破坏机制的研究也大有裨益。     

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。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

 岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。     

A state-of-the-art review of mechanical characteristics and cracking processes of pre-cracked rocks under quasi-static compression

The mechanical characteristics and failure behavior of rocks containing flaws or discontinuities have received wide attention in the field of rock mechanics. When external loads are applied to rock materials, stress-induced cracks would initiate and propagate from the flaws, ultimately leading to the irreversible failure of rocks. To investigate the cracking behavior and the effect of flaw geometries on the mechanical properties of rock materials, a series of samples containing one, two and multiple flaws have been widely investigated in the laboratory. In this paper, the experimental results for pre-cracked rocks under quasi-static compression were systematically reviewed. The progressive failure process of intact rocks is briefly described to reveal the background for experiments on samples with flaws. Then, the nondestructive measurement techniques utilized in experiments, such as acoustic emission (AE), X-ray computed tomography (CT), and digital image correlation (DIC), are summarized. The mechanical characteristics of rocks with different flaw geometries and under different loading conditions, including the geometry of pre-existing flaws, flaw filling condition and confining pressure, are discussed. Furthermore, the cracking process is evaluated from the perspective of crack initiation, coalescence, and failure patterns.     

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

祓岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理，且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞，这使得其力学!特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备，完成了2个锦屏Ⅱ级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验，得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理，从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展，直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程，解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理，推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。