受压脆性岩石Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂研究

在线弹性断裂力学理论的基础上,运用最大周向拉应变理论,分析了受远场地应力作用及裂纹面受水压力作用下脆性岩石裂纹的起裂方向及起裂条件。论述了泊松比μ对开裂角θ0,θ0-β关系以及断裂包络线的影响,给出了满足最大周向拉应变理论的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂包络线;定义水力压裂裂纹扩展影响因子D并分析其对水力压裂裂纹起裂及扩展的影响,D值逐渐增大时,KⅡ 逐渐减小,KⅠ逐渐发挥主导作用,与数值计算结果一致;最后进行实例分析,并与现场水力压裂结果比较,二者结果比较接近。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先对破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α对岩石的应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σcd、峰值强度σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表面裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,预制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂方式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩体的轴向应力-横向应变曲线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

层理方向对含预制裂纹页岩Ⅰ型断裂特性的影响

层状页岩受内部层理方位分布特征的影响,其力学性质常表现出明显的各向异性特征。为了探究层理方向对层状页岩Ⅰ型断裂特性的影响,针对不同层理倾角β、预制裂纹角度为0°的半圆盘试件开展三点弯曲静态压缩试验和数值模拟试验。试验结果表明,试件的Ⅰ型标准化应力强度因子Y_Ⅰ会随着层理倾角的变化呈现出明显的差异性,并与层理倾角呈现出良好的三次函数关系,且仅在层理倾角β为0°和90°时,试件表现为纯Ⅰ型断裂模式,即层理倾角的变化会改变试件的断裂模式。同时,试件的Ⅰ型断裂韧度随着层理倾角的增大而逐渐减小,并与层理倾角呈二次函数关系;当层理倾角与预制裂纹角度垂直时,试件的Ⅰ型断裂韧度最大;而当层理倾角和预制裂纹角度平行时,试件的Ⅰ型断裂韧度最小。另外,基于扩展有限元法(XFEM),对半圆盘层状页岩试件的破断机制进行研究,验证了试验和计算结果的准确性。     

复合充填结构体承载破坏演化特征

针对力学性质存在差异的材料组合而成的复合充填结构体在承载过程中内部应力分布不均的现象,开展了由不同强弱介质组合而成的复合充填结构体的单轴压缩试验。结合声发射特征分析,研究了复合充填结构体的承载特征、损伤演化和破坏特征。研究表明：①单轴压缩状态下复合体内部应力分布不均,强介质内部应力大于弱介质内部应力,整体荷载主要由强介质承担;②当复合体中强介质强度一定时,复合体整体强度与弱介质强度呈正相关;③当弱介质强度小于等于3.21 MPa时,复合体应力—应变曲线出现两个弹性阶段,且第一弹性阶段的斜率大于第二弹性阶段,随着弱介质强度增加,第一弹性阶段增长、第二弹性阶段缩短,当弱介质强度大于3.21 MPa时,第二弹性阶段消失;④声发射信号演化特征表明：两个弹性阶段的拐点处弱介质出现大量损伤破坏,弱介质先于强介质破坏,当弱介质强度大于3.21 MPa时,损伤主要发生在压密和屈服后阶段,弱介质与强介质同时破坏。研究成果可为地下采场复杂应力场控制措施研究提供基础。     

不同距离应变片测定Ⅰ型动态应力强度因子对比试验研究

基于线弹性断裂力学理论,采用应变片法开展了冲击动荷载作用下的三点弯曲试验,探讨距扩展裂纹不同距离的应变片测定Ⅰ型应力强度因子的差异。当应变片与扩展裂纹成特定锐角和钝角时,采用与裂纹扩展速度和应变片的位置相关的二项式表征裂纹尖端附近应变场,并结合理论解析和试验实测的应变与裂纹扩展时间曲线,推导得到了应力强度因子计算公式。同时,采用动焦散线试验对比分析应变片法测定的动态应力强度因子值。结果表明,应变片在裂纹尖端附近合理区域内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好;明确了不同距离对测定Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响,随着应变片粘贴距离变大,测定的动态应力强度因子值与动焦散线法相差增大。研究结果为进一步应用应变片法研究岩石类材料的断裂性能提供了试验基础。     

基于雁型裂纹模型的高地应力巷道劈裂破坏机理分析

基于雁型裂纹模型,对高地应力巷道的劈裂破坏形成机理进行探讨.利用应力强度因子理论,分析了雁型分支裂纹尖端的应力强度因子及其主应力,结合Hoek-Brown岩石破坏准则,得到了高地应力巷道劈裂破坏的判据.将劈裂破坏判据编成FISH语言,内嵌到FLAC软件中,计算得到围岩的劈裂破坏区域.研究表明:雁型裂纹长度越长,造成的劈...     

煤的微细观裂纹损伤模型

本文通过对煤样受载变形过程中其内部微细观裂纹的产生、扩展、演化的分析,结合煤样的变形损伤特征,选取合适的损伤参量,建立了单轴压缩下煤样的损伤本构模型。试验结果表明试验曲线与理论曲线较好地相吻合。     

基于声发射b值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法

岩石裂纹起裂应力的识别和研究对认识脆性岩石受载变形及破坏过程具有重要意义。系统总结了现有的裂纹起裂应力确定方法(裂纹体积应变法、侧向应变法、移动点法、声发射振铃计数法)及存在的问题,并以单轴压缩条件下岩石破裂过程中声发射幅值及b值分析为基础,提出了一种基于声发射b值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法。采用GAW2000单轴刚性试验机和声发射测试仪开展了一系列变辉长岩和花岗岩的单轴加载试验,根据力学及声发射测试结果,对所提方法及现有方法进行了评价。研究结果表明:声发射b值演化法具有明确的物理机制及意义,可以方便准确地确定起裂应力大小,测定应力结果与现有方法所得结果具有一致性。通过方差分析可知,所提方法与现有方法不存在统计差异,验证了该方法测定裂纹起裂应力的可靠性。2类岩样的起裂应力均与单轴抗压强度呈正线性相关,使用所提方法确定的变辉长岩起裂应力约为单轴抗压强度的0.51倍,花岗岩起裂应力约为单轴抗压强度的0.48倍。所提方法及研究成果对于丰富岩石裂纹起裂应力测试手段和探究岩石脆性破坏机制具有一定的价值。     

基于卸加载响应比的煤岩变形破坏研究

基于加卸载响应比理论,克服加卸载响应比的不足与局限,提出卸加载响应比的基本概念,推导卸加载响应比与弹性模量之间的关系。从损伤力学的基本理论出发,结合材料的弹性模量与损伤变量之间的关系,建立卸加载响应比与损伤变量之间的关系模型。然后,利用WE-100型万能材料试验机,对煤试样进行了单轴应力试验研究,结合煤试样的应力-应变曲线,计算卸加载响应比值并分析其变化趋势,从而得到在卸加载过程中煤试样的损伤情况。因此,基于煤岩的单轴应力试验,研究由煤岩变形破坏的应力-应变关系定义的卸加载响应比及其演化规律,用于预测煤岩的变形破坏程度是可行的。     

单侧开半圆孔PMMA试件Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹动态扩展及数值模拟研究

为研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展问题,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含有预制裂纹的单侧开半圆孔(Unilateral Semicircular Hole,USH)PMMA 试件进行冲击,得到了Ⅰ型裂纹和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹,同时采用动态焦散线实验方法研究了裂纹扩展时程关系及裂纹扩展尖端动态应力强度因子的变化规律,利用ABAQUS 软件对试验过程进行数值模拟,研究其扩展路径。结果表明:通过试验得到的Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹轨迹和数值模拟的结果基本相似,证明了利用数值方法模拟裂纹扩展轨迹的可行性;两种类型的裂纹在扩展过程中尖端均会出现停顿,最终都会朝着试件中轴线方向移动;使用单侧半开圆孔试件进行SHPB以及动态焦散试验可以有效研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展过程,为后续研究裂纹扩展提供思路。     

陕蒙地区厚硬砂岩顶板定向水力压裂预割缝倾角优化及防冲实践

预割缝倾角是深孔顶板定向水压致裂重要施工技术参数之一。通过半圆盘试件3点弯(SCB)断裂力学试验以及水压致裂力学模型解析分析,研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的断裂特性。结果表明:水压裂纹的起裂方向明显受到预设裂纹倾角影响,但最大主应力对裂纹扩展方向起到控制作用。在地应力一定条件下,随着预割缝倾角增加,临界注水压力减小,Ⅰ型应力强度因子K_Ⅰ逐渐增加,Ⅱ型应力强度因子K_Ⅱ先增加后减小。为保证水压裂纹既受到较大的张拉作用,又能利用地应力的作用发生剪切扩展,K_Ⅱ达到最大值时的预割缝倾角被选为施工水力压裂参数取值。该参数设计被应用到巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水压致裂工况,对比压裂过程中顶板的煤炮强度和频次以及压裂前后辅回撤通道附近的微震、应力变化,证明了设计参数下水压致裂裂隙范围有效的起到了防冲效果。     

砂岩裂纹发育过程的温度场变化特征

利用热电偶多路温度测试仪和红外热像仪,分别测定了砂岩平台巴西圆盘试样Ⅰ型起裂裂纹发育过程中的物理温度和红外辐射温度变化.热电偶多路温度测试过程中,约95％的试样裂纹起裂时载荷发生应力调整,与此同时其物理温度突增,最高升温幅度0.74℃(平均0.16℃).红外热像仪测试过程中,约20％的试样裂纹起裂时红外辐射温度升高(平...     

爆生气体驱动双共线Ⅰ型裂纹的扩展行为

在光面预裂爆破中相邻炮孔间的共线裂纹相向扩展时会先互相排斥后相互吸引,裂纹扩展路径呈“勾连”状现象。为解释这一现象,基于T应力修正后的最大拉应力准则,联合Abaqus软件与Hypermesh软件研究了爆生气体驱动相向扩展的双共线Ⅰ型裂纹的起裂和扩展行为。结果表明：模型尺寸(模型宽度W与高度H的比值)、初始裂纹尺寸(初始裂纹长度a和圆孔半径r的比值)和裂纹面上爆生气体压力对裂纹起裂行为的影响显著,Ⅰ型裂纹扩展中裂纹扩展路径出现“勾连”状现象的先决条件是“Ⅰ型裂纹起裂时或扩展中发生偏转”;裂纹面上的爆生气体减弱了Ⅰ型裂纹扩展中发生偏转的程度,使裂纹扩展路径更难出现呈“勾连”状的现象。通过裂纹增量扩展法模拟了裂纹扩展路径,Ⅰ型裂纹扩展会产生“勾连”状的裂纹扩展路径;裂纹扩展路径呈“勾连”状的现象与裂纹间的相互作用有关,该相互作用可通过裂纹扩展角θ的正负来表示。     

基于RMT煤的微细观裂纹损伤本构模型

通过对煤样受载变形过程中其内部微细观裂纹的产生、扩展、演化的分析,结合煤样的变形损伤特征,选取合适的损伤参量,建立了单轴压缩下煤样的损伤本构模型。试验结果表明试验曲线与理论曲线较好地相吻合。     

复合岩石的微结构损伤破坏

在实验的基础上对构成层状煤系地层的岩石进行了损伤破坏过程的研究，提出了微结构损伤模型，建立了本构方程与损伤演化方程，分析了复合岩层的损伤破坏及稳定性     

岩体层面力学特性对层状复合岩体的影响

为了研究岩体工程中大量出现的层状复合岩体特殊力学性质,采用电子显微镜观察了他们的三维网状微结构特征和初始损伤．分析了层间结合状态和各亚层的应力σ1＋,σ2＋,σ3＋和应变εi;以及其他力学参数E,h,I等对层状复合岩体力学特性的不利影响．试验研究表明：层状复合岩梁中的应力σi与第j层的Et,层间抗剪强度τi以及荷栽性质密切相关,而挠度是复合岩梁尺寸及弹性模量等参数的函数．不同岩石构成的层状复合岩体表现出各自特殊的变形与破坏特性．岩体的工程强度及抗变形能力随着层间结合力的下降、 层间厚度的减小和岩石约束的降低而降低,而破坏的时间及变形量则会增大．     

裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性及破坏模式的影响

天然岩体常常包含不连续体,比如孔隙、裂隙、断裂以及其他缺陷等,这些缺陷的存在将导致岩体力学强度产生较大的劣化作用。为了研究不同裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性、裂纹扩展演化及断裂机制的影响,基于室内砂岩力学参数测试结果,借助颗粒流平行黏结模型对预制裂隙试样进行一系列的模拟研究。结果表明：当裂隙倾角恒定时,随着岩桥角度的增加,砂岩峰值应力与峰值应变呈现出先降低后增加的趋势;当岩桥角度恒定时,峰值应力与峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。初始裂纹从预制裂隙尖端萌生,起裂应力水平为 0.68σ _c;累积微裂纹数呈指数函数形式增加;试样破坏形式主要有拉伸破坏、剪切破坏及拉剪混合破坏;岩桥贯通模式主要有间接贯通和直接贯通两类。     

法向应力对岩石剪切裂纹演化与贯通机理的影响

利用自主研发的煤岩剪切细观试验装置,以砂岩为研究对象,开展了不同法向应力条件下的岩石剪切细观开裂演化与贯通机理试验研究,分析了砂岩剪切细观开裂演化过程及细观贯通机理,探讨了法向应力对细观开裂和细观裂纹形态特征的影响。研究结果表明:随着法向应力的增加,峰后残余强度呈增加趋势,试件表面起裂裂纹的长度在减小,施加法向应力后裂纹开裂时间均发生在峰前阶段;中部裂纹形成和贯通过程中出现的岩桥,在摩擦滑移的过程中发生不断的偏转,导致脱落,形成局部剥离;端部贯通裂纹形成后,由于法向应力的限制及端部应力集中,出现端部次级裂纹,并与原有的贯通裂纹连通,形成分叉,引起端部局部剥离;法向应力的作用,使得贯通裂纹周边颗粒间产生许多微裂纹,加剧了剪切裂纹左右侧壁的损伤范围;随着法向应力的增大,砂岩剪切过程中出现的宏观间断裂纹的数目呈逐渐增加规律,间断裂纹的长度呈减小趋势,次级裂纹数目和裂纹发育带范围均呈增加趋势。     

基于损伤-断裂力学的岩体地基承载力影响因素研究

损伤-断裂力学模型能够综合反映岩体中裂隙的几何性状、分布规律以及力学性质,并能考虑其进一步的演化规律及对最终岩体宏观力学性质的影响。采用所建立的损伤-断裂力学模型,开展了裂隙的倾向、倾角以及间距对某核电站核岛区地基承载力的影响的研究,结果表明裂隙的倾向对承载力影响不大,倾角对地基承载力和应力分布形式起控制性作用,裂隙的间距越大,对承载力的影响越小。