渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

改进的翼形裂纹分析计算模型

1　引　　言　 翼形裂纹是受压缩载荷岩体的断裂破坏分析中常见的一种裂纹模型。判断翼形裂纹是否扩展 ,扩展路径如何 ,岩体是否失稳破坏 ,都涉及到翼形裂纹的应力强度因子计算。岩石类材料通常在压缩载荷作用下工作 ,其中的裂纹面可能发生闭合 ,这与金属断裂研究中裂纹张开型或张剪复合型断裂分析有较大的区别。本文在总结已有翼形裂纹计算模型的基础上 ,提出了一个新的、改进的翼形裂纹分析模型。与其它裂纹模型应力强度因子近似计算公式相比 ,本文模型精度较高 ,更为合理。2　已有翼形裂纹模型如图 1所示的受压缩载荷作用下的翼形裂纹岩体的断裂分析 ,许多学者进行过研究。Ｈｏｒｉｉ和Ｎｅｍａｔ -Ｎａｓｓｅｒ[1     

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。     

压缩条件下岩石断裂模式与断裂判据的研究

针对岩石类材料压缩断裂中可能发生的Ⅰ型张拉断裂和Ⅱ型剪切断裂的现象 ,依据裂纹尖端应力集中引发的微裂纹损伤性质 ,提出了主裂纹尖端“微裂纹单元应力模型”的概念。通过对不同方位微裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子变化规律的研究 ,以比应力强度因子和比断裂韧度作为表征参数函数方程 ,提出了压缩条件下岩石类材料复合型裂纹断裂模式与断裂破坏的判据。该判据既可以预测岩石内部斜裂纹在压应力下的Ⅰ型扩展 ,也可以预测它的Ⅱ型扩展。由此判据 ,还给出了Ⅱ型断裂出现的条件 ,讨论了不同的影响因素。其结果较好地说明了实验现象     

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。     

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。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

岩石类材料滑动裂纹模型

滑动裂纹模型被广泛应用于岩石类材料压剪断裂分析及损伤分析。针对较为典型的6种翼裂纹应力强度因子计算模型,综合考虑主裂面方位、翼裂方位、侧压及翼裂当量长度的影响,对各计算模型进行了系统的对比分析;针对翼裂纹沿主压应力方向的情形,进行有限元分析,并和理论模型计算结果进行比较。最后综合得到一些有益的结论和建议,可为选用滑动裂纹计算模型进行岩石类材料压剪断裂和损伤分析提供参考。     

岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀

介绍了岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀机理,采用双扭试件常位移松弛法,对金川矿区的三种岩样进行亚临界裂纹扩展速率测试,得出了应力强度因子与亚临界裂纹扩展速率间的关系。实验数据按腐蚀理论进行线性回归分析,线性相关系数较高。所测岩样的应力腐蚀亚临界裂纹扩展是拉应力和裂纹尖端物质与环境中的腐蚀介质发生化学反应,使化学键断裂这两种机制联合作用的结果。     

岩石压剪断裂的模型试验研究

本文通过含中心斜裂纹砂浆试件的单轴压缩模型试验，测试并分析了裂纹扩展过程中的声发射特性和裂纹面相对位移。试验表明：岩石类脆性材料的压剪断裂破坏机理与拉剪断裂有本质的区别，裂纹面相对位移随轴压荷载的变化曲线与裂纹扩展过程中的声发射曲线具有一定的同步性，反映出中心斜裂纹压剪断裂的阶段性，以及裂纹的几何尺寸、分布规律和裂纹面物理力学性质对岩石压剪断裂的影响。     

压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则

土体既有裂缝的开裂问题通常被认为是拉剪应力导致,而实际工程中压实黏土多处于压剪应力状态,为探究压剪作用下压实黏土中既有裂缝的起裂机理,对压剪闭合裂缝应力场和断裂准则进行了理论分析,开展了含中心裂缝压实黏土单轴压缩试验,研究了裂缝倾角、裂缝长度及裂缝形态对压剪断裂性状的影响,揭示了压实黏土中闭合裂缝压剪张拉断裂机理,充分验证了闭合裂缝压剪张拉断裂准则在压实黏土中的适用性。根据试验结果与理论预测曲线对比分析,本文压实黏土的临界尺寸rc为2mm左右,明显小于常用经验公式估算值12mm,讨论了rc经验估算公式存在的问题。此外,尝试性地引入T应力,建立了非闭合裂缝的压剪–张拉断裂准则,解释了闭合裂缝和非闭合裂缝的差异化起裂行为,并说明了其局限性及其产生原因。     

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.     

三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

 采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明：试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。     

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。     

Theoretical and numerical studies of crack initiation and propagation in rock masses under freezing pressure and far-field stress

Water-bearing rocks exposed to freezing temperature can be subjected to freezeethaw cycles leading tocrack initiation and propagation, which are the main causes of frost damage to rocks. Based on theGriffith theory of brittle fracture mechanics, the crack initiation criterion, propagation direction, andcrack length under freezing pressure and far-field stress are analyzed. Furthermore, a calculation methodis proposed for the stress intensity factor （SIF） of the crack tip under non-uniformly distributed freezingpressure. The formulae for the crack/fracture propagation direction and length of the wing crack underfreezing pressure are obtained, and the mechanism for coalescence of adjacent cracks is investigated.In addition, the necessary conditions for different coalescence modes of cracks are studied. Using thetopology theory, a new algorithm for frost crack propagation is proposed, which has the capability todefine the crack growth path and identify and update the cracked elements. A model that incorporatesmultiple cracks is built by ANSYS and then imported into FLAC3D. The SIFs are then calculated using aFISH procedure, and the growth path of the freezing cracks after several calculation steps is demonstratedusing the new algorithm. The proposed method can be applied to rocks containing fillings such asdetritus and slurry.
2014 Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences. Production and hosting byElsevier B.V. All rights reserved.     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

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。     

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。     

化学腐蚀下裂隙岩石的损伤效应及断裂准则研究

对不同化学溶液腐蚀的岩石试件试验结果的分析表明,化学溶液腐蚀作用下,矿物颗粒间联结受到扰动,同时颗粒受到溶蚀等作用,使岩石强度显著下降,岩石结构产生损伤。因此,化学溶液对岩石材料的腐蚀影响可以归结为岩石颗粒骨架部分性质的劣化和空隙的增大两部分。对于裂隙岩体来说,化学溶液的腐蚀则主要体现在断裂应力的减小和裂隙的增大。从这两个主要影响因素出发,引入应力放大系数,建立了化学腐蚀下裂纹体的断裂准则。给出了考虑化学溶液作用的裂隙岩石断裂准则的研究思路。