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。     

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。     

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。     

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。     

岩石压剪耦合破坏过程的实时监测研究

将实时激光全息干涉光路布置与岩石力学压剪加载装置组构成光学-力学最优匹配测量系统，通过数据图像采集系统，实时动态捕获了压剪应力作用下花岗岩岩样压剪耦合破坏全过程的实时全息干涉图；根据全息干涉条纹解释原理和图像处理计算，试样表面动态干涉条纹的分布与移动规律高精度直观地揭示了岩石压剪耦合破坏过程中局部变形场分布、微破裂微裂纹的演化路径与速率以及岩石失稳破裂的力学性状。结果表明，该方法能够为岩石损伤与断裂力学问题的研究提供有效的试验技术支持。     

裂纹几何特征对压剪复合断裂的影响分析

针对岩石类材料中压剪裂纹的复合断裂问题，理论上一般将其抽象为没有厚度的Griffith线裂纹，这样就会导致翼裂纹初始起裂角与主裂纹方位角及围无关的结论。而己开展的压剪裂纹复合断裂试验表明，翼裂纹起裂角与主裂纹方位角和围压明显相关。首先较系统地讨论原生（或预制）裂纹的几何特征（如厚度、裂纹尖端曲率半径等）及围压对翼裂纹起裂角的影响：然后结合含预制裂纹大理岩压剪试验进行翼裂纹起裂角的理论预测和试验结果的对比分析。该分析为压剪复合断裂试验提供了一个理论分析框架，也为进一步研究具有复杂几何形状的裂隙提供了一定的理论基础。     

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。     

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。     

含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究

用水泥砂浆模拟含裂隙岩石试样，在刚性压力机上进行单轴压缩试验，通过声发射测试技术，分析含裂隙岩石在受压力过程中新裂纹的萌生———扩展———断裂破坏全过程。得到含中心斜裂纹试样受压破坏的声发射特征，揭示了含裂隙岩石压剪断裂破坏的内在机理。     

反平面剪切(Ⅲ型)加载下脆性岩石的断口分析

采用反平面冲剪和反平面剪切盒实验研究反平面剪切（Ⅲ型）加载下脆性岩石断裂特征。反平面冲剪试样的断裂轨迹是一空间螺旋面，断口微观特征表现为沿晶断裂，晶体大部分有3个陡峭的台阶面，晶面出现较多的河流状和鱼骨状张拉条纹，试件破坏以张拉断裂（Ⅰ型）为主。反平面压剪试样的断裂轨迹基本上沿原裂纹面，断口微观特征表现为穿晶断裂，晶面上多而密的平行线条纹和较多的岩屑表现出强烈的剪切破坏特征，试件破坏以剪切断裂（Ⅲ型）为主。增加侧压可抑制裂纹尖端的拉应力，导致岩石产生沿原裂纹面扩展的反平面剪切（Ⅲ型）断裂。反平面压剪实验是实现岩石Ⅲ型断裂和测定岩石Ⅲ型断裂韧度KⅢc的一种有效实验方法。     

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。     

岩石类材料中压剪裂纹的相互作用分析

将一种多裂纹相互作用的分析方法推广到类岩石材料的压剪裂纹相互作用分析中，并作为特例讨论了两共线压剪裂纹及两偏置平行压剪裂纹。结果表明：两压剪裂纹桥联区几何特征对其相互作用有决定性影响，该方法为进一步研究压剪裂纹的扩展和聚合提供了基础。     

岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究

博士学位论文摘要 针对含裂纹岩石压缩断裂的性质，进行了较为全面和深入的实验研究、机理分析和理论模拟。了解并掌握了岩石压缩断裂的主要规律，提出了相应的判据和模拟模型。 实验研究采用的是含中心斜裂纹的矩形石膏试件，加载方式为单向或双向施压。分别对张开型裂纹，闭合型裂纹和不完全闭合型裂纹等不同的裂纹状态，进行开裂位置、开裂角、临界载荷、压应力集中、拉应力区、断裂模式及Ⅱ型断裂条件等实验观察和研究。其中，为实现实验受力要求，自行设计并研制了液压伺服自动控制的横力加载装置，与电子万能试验机一起构成了有效的二向压缩状态。数据采集采用密集应变片布点，配合多通道动态应变测量系统，对裂纹附近应力变化实施全程监控。压缩裂纹设计为不同短长轴比的各种扁椭圆形状，裂纹倾角从0°到90°等间隔安排，以反映出压缩断裂过程的变化规律。等量增加围压轴压比系数和改变裂纹面摩擦系数，探寻Ⅰ型断裂模式向Ⅱ型断裂模式转变的条件。 基于实验结果以及相关数据分析，并结合力学模型和复变函数方法，研究了岩石压缩断裂各主要现象的产生机理。着重研究裂纹起裂的应力特征；压应力强度因子性质，它的变化规律及其对断裂的影响；Griffith型断裂（裂尖开裂）的几何范围和限定条件；裂     

高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析

以前研究均认为水力劈裂的必要条件是岩体中发生Ⅰ型张拉破坏。实际上，在众多岩体工程中，其断裂破坏型式多属压剪破坏。本文根据断裂力学原理对高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂作用进行了研究，首先研究水工压力隧洞围岩区各种类型裂纹的Ⅰ型应力强度因子的计算方法，讨论分析张开型复合型裂纹发生水力劈裂的理论判据。然后研究压剪断裂的力学机理，分析有水压力作用的压剪断裂应力强度应力的计算及其断裂判据。最后将以上理论应用于某水电工程引水发电隧洞的高压竖井的水力劈裂安全性分析中。     

反平面剪切(III型)加载下脆性岩石的断口分析

采用反平面冲剪和反平面剪切盒实验研究反平面剪切(III型)加载下脆性岩石断裂特征。反平面冲剪试样的断裂轨迹是一空间螺旋面,断口微观特征表现为沿晶断裂,晶体大部分有3个陡峭的台阶面,晶面出现较多的河流状和鱼骨状张拉条纹,试件破坏以张拉断裂(I型)为主。反平面压剪试样的断裂轨迹基本上沿原裂纹面,断口微观特征表现为穿晶断裂,晶面上多而密的平行线条纹和较多的岩屑表现出强烈的剪切破坏特征,试件破坏以剪切断裂(III型)为主。增加侧压可抑制裂纹尖端的拉应力,导致岩石产生沿原裂纹面扩展的反平面剪切(III型)断裂。反平面压剪实验是实现岩石III型断裂和测定岩石III型断裂韧度KIIIC的一种有效实验方法。     

岩石裂纹扩展过程的动态监测研究

利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩试样裂纹扩展与变形破坏过程；基于动态干涉条纹的定量分析，描述了岩石微裂纹孕育起裂、扩展与闭合的动态交替演化过程，计算了岩石裂纹扩展速度与蠕变扩展速率和裂纹面的扩展变形量与蠕变变形量，实现了岩石内部Ⅰ型、Ⅰ—Ⅱ复合型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹力学性状动态演变的有效判识。     

地壳岩石压剪断裂核形态探讨

给出了当KⅠ<0时KⅠ,KⅡ,KⅢ地壳岩石压剪断裂核的形状方程;分析了KⅠ,KⅡ叶状压剪断裂核和KⅠ,KⅢ花蕾状压扭断裂核的形状与性状并介绍了岩石压扭直剪断裂试验和大理岩试件的破坏状况。在压剪断裂试件临破坏前切口区域的微观照片中可见岩石破碎情况,与理论分析相符。探讨了地壳岩石压剪断裂核的延深长度,并借矿床地质调查的成果加以实证。     

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。     

岩石压剪断裂机理及强度准则的探讨

岩石压剪断裂机理及强度准则的探讨王桂尧孙宗颀徐纪成（中南工业大学资源开发系，长沙，４１００８３）１前言压剪断裂在水利、地震及矿山岩体破坏中的极其重要性已引起人们的普遍关注。目前国内外已开展了有关岩石压剪断裂的初步研究，并在压剪断裂判据等方面取得了进...