硬脆性玄武岩破裂变形特征研究

为了深入研究白鹤滩坝址区杏仁状玄武岩的破裂变形特征,重新整理室内单轴和三轴压缩试验成果,获取杏仁状玄武岩的应力应变曲线、破坏特征和强度特征,结果表明,杏仁状玄武岩的脆性特征显著,试件最终形成贯穿的从左上延伸到右下的倾角约70°的大裂缝。采用连续非连续的数值分析方法CDEM进行细观数值模拟,确立杏仁状玄武岩的应力应变曲线、破坏特征和裂纹演化特征,结果表明,随着围压增大,试件逐渐从拉剪破坏过渡为剪切破坏。同时利用CDEM模拟圆形洞室开挖过程中的破裂现象,研究成果表明,连续非连续的数值分析方法CDEM在模拟硬脆岩石的渐近破坏方面具有一定优势,数值模拟结果与室内试验结果具有较好的一致性,为进行下一阶段工程尺度的数值模拟奠定基础。     

地下强爆炸岩石破坏动力效应分析

为研究地下强爆炸岩石破坏动力效应,借助有关地下爆炸试验成果,研究强爆炸作用下岩石的单轴抗压强度、纵波速度及孔隙度等物理力学性状的变化规律,分析初始荷载强度、荷载压力波形等爆源参数对爆炸破坏效应的影响,对爆炸近区、剪切破碎区及非破坏荷载区岩石的状态方程分别进行阐述.结果表明:在地下强爆炸近区,岩石的单轴抗压强度降低,在距爆心35～40 m/kt1/3的比例距离,岩石的单轴抗压强度与没有破坏时的单轴抗压强度值接近;爆源参数对岩石动力破坏效应有较大影响;破坏区半径、药室腔壁膨胀速度及最大质点速度等随爆源初始荷载强度的增大而增加;裂缝开展及分布尺度受荷载率的控制.     

深埋洞室围岩分层断裂现象模型试验解析

 对深部围岩分层断裂破坏机制模型试验进行再分析,研究模型介质断裂形态,指出模型裂缝存在剪切和拉伸2种形式。采用锯齿形岩石模型和极限应变破坏准则,推导洞室围岩的应力场,定量分析试验结果。通过与试验对比,证明解析方法的正确性。研究结果表明,在很大的轴向水平压力作用下,介质会产生间隔的拉伸裂缝,形成分层断裂现象。拉伸裂缝的几何形状逐渐趋于圆形,每形成一道拉伸断裂,模型等效于形成一个受支护作用的洞室,随着等效洞室半径的增大,其受到的支护力迅速增大,使得分层断裂现象局限在一定范围内。该解析方法可为研究不同条件下深部洞室围岩破坏规律奠定理论基础。     

高强砂浆材料爆炸作用下破坏分区试验研究

选用高强砂浆材料模拟同等强度岩石介质,开展TNT炸药在内部不完全封闭爆炸条件下对模拟岩石介质破坏效果的研究,采用宏观现象分析、钻芯取样及理论计算的方法确定破坏分区范围。结果显示:配制的高强砂浆材料强度可达105.6 MPa,能够模拟中等强度以上岩石介质;TNT炸药爆炸作用下高强砂浆模拟岩石介质分为粉碎、压碎、裂隙和弹性等4个区域,其范围与钻孔装药的尺寸参数有关;粉碎区半径约为钻孔装药半径的2.2倍,压碎区半径约为5.2倍,裂隙区半径约为32倍;3种分析方式结果相当,试验能够较真实地反映高强砂浆模拟岩石介质钻孔装药爆炸后的破坏情况。     

砂岩加载试验峰后变形、破坏与应变能特征

 为认识峰后破裂岩样在连续载荷作用下的变形、破坏特征及应变能变化情况,利用MTS815岩石力学试验系统,对永川煤矿砂岩样进行三轴等围压试验。在试验基础上提出岩样破裂比(r)概念,它反映峰后破裂岩样相对于完整岩样的破裂程度,r越小表示岩样破裂程度越高,r最大值为1,最小值为岩样残余强度与峰值强度之比。结果分析表明：低围压作用下破裂比与其对应割线模量、轴向应变量、应变能之间的线性关系较好;峰后破裂砂岩样在连续加载后,呈现“X”剪切破坏模式;岩石最大泊松比可通过峰后连续加载试验确定。研究结论对认识岩石突出和岩爆机制有重要意义。     

细观介质拉压比对岩石破坏过程的影响

通过应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D，模拟了不同细观单元拉压比的岩石试件在单轴压缩试验下的破坏过程，分析了细观介质拉压比对岩石破坏过程中的力学行为和破坏机理的影响。结果表明，随着拉压比的提高，岩石的整体抗拉强度和残余强度逐渐降低，同时岩石的宏观破坏形式也由剪切破坏向拉伸破坏转变。当拉压比低于某一确定值时，拉压比对岩石的变形行为影响很小。     

含裂隙类岩石材料的局部化渐进破损模型研究

结合含裂隙类岩石材料模型试验观测结果，从含裂隙类岩石材料破坏过程和破坏机制出发，将表征体单元（RVE）划分为弹性区及剪切局部化带两个部分，并把剪切局部化带内的变形过程抽象为胶结强度弱化及摩擦强度增强两个阶段。重点考虑了这两个阶段一前一后发挥作用这一由试验所揭示的结构性破坏本质，同时借助于试样的滑移变形定义与胶结强度弱化相关的破损变量，抓住试样渐进性破坏的特征，进而采用细观链式模型及均匀化方法将破坏过程的细观特征与宏观力学特性相结合，建立含裂隙类岩石材料局部化渐进破损模型的理论公式。最后对已建立的含裂隙类岩石材料局部化渐进破损模型进行试验验证，模型计算结果与M．Yumlu和M．U．Ozbay的试验结果吻合很好，证明所提出模型的正确性。     

产气具弱化坚硬顶板力学机制及损伤特征分析

为研究新型压裂装置——产气具弱化坚硬顶板的力学机制及损伤特征，建立产气具多阶段弱化坚硬顶板的动力学模型，计算弱化过程中顶板的有效应力和损伤程度，得到顶板的形态特征和损伤特征演化。结果表明：在产气具燃烧阶段，高压气体预先扩展钻孔周围岩体的原生裂缝；在气压达到压敏材料强度后引发的爆轰阶段，由于冲击波、应力波和爆生气体的共同作用，造成顶板近场粉碎、中场破裂、远场震动。产气具压裂技术弱化后的顶板损伤特征区域，相较于爆破压裂技术，粉碎区半径减小约22%，破裂区半径增大约23%，损伤区半径增大约5%；相较于水力压裂技术，粉碎区半径增大约133%，破裂区半径和损伤区半径减小，但损伤均匀性显著提高。产气具适用于节理、裂缝发育较少的稳定顶板，可充分发挥高压气体的作用效果，其与压敏材料强度、原生裂缝长度均呈正相关，与岩体初始围压呈负相关。结合现场试验效果，验证了产气具弱化坚硬顶板的有效性和优越性。     

圆形巷道围岩应变软化弹塑性分析

 岩土类材料广义上都呈应变软化力学行为,考虑峰后岩石应变软化过程中引起后继强度面收缩的特性,认为岩体在足够小的局部范围内材料特性保持不变,将后继破坏岩体分为多个塑性区,给出基于平面应变和Mohr- Coulomb准则的围岩准应变软化弹塑性应力解析式,并给出符合围岩后继强度和变形演变规律的各软化区半径求解方程组。洞室围岩变形特征曲线是地下工程支护设计的重要依据,考虑岩体破裂过程中变形参数不断劣化的特性,分析剪切模量劣化对围岩变形、软化半径及破裂半径的影响。最后通过算例对模型进行验证,计算结果可以对地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

考虑爆破瞬态卸荷的深部岩巷损伤范围研究

为了研究深部岩石巷道爆破瞬态卸荷的损伤效应,本文采用弹性动力学方法,利用Laplace变换和留数定理求解了深部岩巷爆破卸荷瞬态应力场的动态解析解,结合拉伸损伤和剪切损伤的阀值条件,给出了损伤破坏区的范围和损伤程度,并探究了损伤区分布的影响因素。算例表明,围岩以拉伸损伤破坏为主,岩石的脆性越强,损伤变量越大。爆炸荷载越大,拉伸和剪切损伤破坏区范围越大;原岩应力越高,拉伸损伤破坏区越小,剪切损伤破坏区越大,原岩应力对拉伸损伤效应有显著的“抑制”作用。当岩石单轴抗拉强度较小、内聚力较大时,围岩只存在拉伸损伤区不存在剪切损伤区;当岩石单轴抗拉强度较大、内聚力较小时,围岩既存在拉伸损伤区又存在剪切损伤区。     

岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响

 基于二维颗粒流软件,采用2种不同算法生成clump和cluster模型,研究细观参数和结构(结晶颗粒大小形状分布、预制微裂纹)对宏观力学特性的影响,量化宏细观参数对应关系,探讨微裂纹发展演化规律及试件破坏的细观机制。研究表明：(1) 2种模型生成算法各有优势,圆形区域标记法模型力学特性随细观参数变化规律性较好,波动较小,搜索算法能较好地控制结晶级配组成;(2) 单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS与clump半径、无黏结比例(随机分布微裂纹)呈指数函数变化,与黏结强度比呈幂次函数关系;弹性模量、泊松比与上述三细观参数均呈线性变化,且二者变化趋势相反;UCS/TS比值随clump半径、黏结强度比、cluster黏结强度比值n、无黏结比例的增加而增大,且黏结强度比对其影响最大;张拉裂纹比例受黏结强度比影响最大,clump半径影响次之;(3) 单轴压缩下试件以张拉破坏为主,张拉裂纹优势导向主要沿轴向扩展,剪切裂纹则主要沿与轴向夹角20°～40°扩展,巴西劈裂试样张拉破坏裂纹均贯穿试件中心。clump与cluster模型微裂纹扩展演化过程及破坏模式差异较大,相比cluster模型,clump模型剪切裂纹比例相对较大,裂纹破碎带更宽,破裂面粗糙不平整。     

Fracture initiation and propagation in intact rock—A review

The initiation and propagation of failure in intact rock are a matter of fundamental importance in rock engineering. At low confining pressures, tensile fracturing initiates in samples at 40%-60% of the uniaxial compressive strength and as loading continues, and these tensile fractures increase in density, ultimately coalescing and leading to strain localization and macro-scale shear failure of the samples. The Griffith theory of brittle failure provides a simplified model and a useful basis for discussion of this process. The Hoek-Brown failure criterion provides an acceptable estimate of the peak strength for shear failure but a cutoff has been added for tensile conditions. However, neither of these criteria adequately explains the progressive coalition of tensile cracks and the final shearing of the specimens at higher confining stresses. Grain-based numerical models, in which the grain size distributions as well as the physical properties of the component grains of the rock are incorporated, have proved to be very useful in studying these more complex fracture processes.     

利用爆炸技术改善低渗透储层的实验研究

 为了更好地开发低渗透油气藏,首先介绍“层内爆炸”增产技术的基本思路,然后用水中炸药界面爆炸对水泥试样损伤破坏的实验来模拟水力裂缝“层内爆炸”增产中激波使岩石损伤开裂的现象。通过实验观察到3个损伤区域：压剪损伤区,拉伸损伤区和边界损伤区,并且微裂纹的启裂扩展与水泥试样的初始损伤有关。分析发现：压剪损伤区和拉伸损伤区内裂纹的密度与装药量相关;压剪损伤区和拉伸损伤区半径分别为装药当量半径的2～5和20～30倍;量纲分析表明,损伤区半径与装药当量半径成线性关系。通过简易渗透率实验,发现压实区有一定的渗透率,这对“层内爆炸”采油技术的研究具有重要意义。最后,定性分析激波在试样中的传播过程以及试样微裂纹的启裂扩展机制。     

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。     

Experimental Determination of Softening Relations for Cement-Treated Sand

Three-point bending tests and plane strain compression tests were conducted to investigate tensile and shear failure in cement-treated sand. The bending test results were used to evaluate the tension fracture energy and crack opening displacements. From these results, the tension-softening relation was obtained using the energy balance approach. In the plane strain compression tests, the strain localization zone that occurs during a strain-softening process and the local displacements across the shear band were identified by an image analysis. The shear-softening relation and the energy consumed during the shear failure were estimated based on these local displacements. After the test, the shear bands that appeared on the specimen surface were observed with a microscope. This microscopic observation revealed the appearance of shear fracture zone and provided information on the thickness of the shear band. Moreover, we discussed the difference in the energies consumed by the tensile failure and the shear failure.     

高温后砂岩单轴压缩加载速率效应的试验研究

温度是影响岩石材料物理力学性质的重要因素,为考察温度对砂岩加载速率效应的影响规律,对25℃～800℃之间6种温度水平后的砂岩试样分别进行不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明：① 高温后砂岩的物理性质出现一定的劣化,由25℃升高至800℃,密度和纵波波速分别减小了5.89%和73.72%;② 随着温度的升高,砂岩峰值强度和弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而峰值强度随温度的变化过程受加载速率的影响较大;③ 高温后砂岩的峰值强度和峰值应变具有明显的加载速率效应,且服从正线性关系,相关性参数A表征了材料受加载速率影响的显著程度,随着温度的升高参数A呈现先减小后又增大的趋势;④随着温度和加载速率的增大,砂岩破坏形态由拉剪混合破坏逐步转化为单一斜剪破坏,破坏程度愈渐剧烈,分形维数也逐渐增大。     

GFRP筋活性粉末混凝土梁受力性能试验研究

为了研究GFRP筋活性粉末混凝土梁的受力性能,对8根梁进行三分点加载试验,获得了试验梁的开裂弯矩、极限弯矩以及各级荷载作用下的变形及裂缝分布与开展。试验结果表明：活性粉末混凝土试验梁纯弯区段开裂应变 (750×10-6) 约为普通混凝土梁的7倍,开裂弯矩及截面塑性系数计算应考虑纵向受拉GFRP筋的有利影响。GFRP筋活性粉末混凝土梁正截面受弯破坏形式可分为纵向受拉GFRP筋被拉断而受压边缘活性粉末混凝土未被压碎的受拉破坏,受压边缘活性粉末混凝土被压碎(5500×10-6)而纵向受拉GFRP筋未被拉断的受压破坏,以及纵向受拉GFRP筋被拉断的同时受压边缘活性粉末混凝土被压碎的界限破坏等三种。对于受压破坏可按拉区应力为0.25倍活性粉末混凝土抗拉强度来考虑拉应力对正截面受弯承载力的贡献。对于受拉破坏则基于材料应力-应变关系通过数值积分迭代计算正截面受弯承载力。刚度及裂缝宽度计算的关键是合理计算使用阶段GFRP筋的拉应力,在计算GFRP筋拉应力时所用弯矩应为外荷载弯矩减去拉区活性粉末混凝土拉应力合力对压区合力点的弯矩。图9表12参10     

雁型断裂的分形模型和能量耗散

现场和实验室观察表明，在断裂区内的雁型裂纹具有一个Ｒｉｅｄｅｌ几何结构。本文应用剪切裂纹位错堆积（Ｐｉｌｅ－ｕｐ）模型，描述了雁型裂纹形成的拉破坏机理，建立了雁型裂纹的分形模型来模拟Ｒｉｅｄｅｌ几何结构。根据这个模型，可以直接量测出现场和实验中出现的雁型裂纹的分形维数。在此基础上，应用分形损伤演化模型，推导出了雁型裂纹的能量耗散，进而解释了雁型裂纹形成过程的分形本质。     

Initiation of tensile and mixed-mode fracture in sandstone

Initiation of failure under three-point bending was observed in sandstone specimens with and without a stress concentrator. Acoustic emission (AE) and electronic speckle pattern interferometry (ESPI) were used to quantify the fracture phenomena through AE locations and ESPI images of an intrinsic damage zone. To investigate mixed mode fracture, beam tests with off-center notches were studied as well. Before about 95% of peak load, the locations of AE were somewhat random for beams with a smooth boundary (no notch). From 96–100% of peak, microcrack hypocenters indicated localization in the form of an intrinsic zone, which was also identified by the high resolution technique of ESPI.The discrete element technique was used to mimic the failure process. A synthetic rock was composed of rigid circular particles that interact through normal and shear springs, and the particles were glued to each other using normal and shear bonds. A microcrack forming in tension or shear was simulated by breakage of the bond between two particles in contact. The synthetic rock was calibrated for elastic properties, unconfined compressive strength, and bending tensile strength. The beam strength with and without notches and the fracture path were studied in the numerical experiments, and the results compared favorably with those obtained from the laboratory experiments.