土体干缩裂隙发育过程及断裂力学机制研究进展

土体干缩开裂是一种常见的自然现象,能极大弱化土体的工程性质,是许多岩土、水利和地质工程问题的直接诱因。然而,目前学界关于干缩裂隙的发育机理尤其是裂隙现象中蕴含的力学机制尚缺乏深入认识,重视程度严重不够。基于国内外近些年来围绕土体干缩开裂所开展的研究,着重对裂隙发育机理和断裂力学理论的应用进行了系统的归纳和总结,并基于当前的研究不足,提出了今后的研究重点和方向。结果表明:①蒸发为土体干缩开裂的前提,对于初始饱和的土体而言,土体开裂发生时仍处于饱和状态,水分蒸发处于常速率阶段,此时对应的含水率为临界含水率;②土体发育干缩裂隙是内部应力作用的结果,在干燥过程中,基质吸力引起的张拉应力达到或超过抗拉强度时,土体发生开裂,因此,基质吸力和抗拉强度是影响土体开裂的两个关键力学参数;③土体开裂与体积收缩密切相关,收缩是土颗粒在张拉作用下发生移动的宏观表现,可以分为正常收缩、残余收缩和零收缩阶段,且大多数裂隙发生在正常收缩阶段,少部分发生在残余收缩阶段,体积收缩为开裂提供了空间,因此,收缩是裂隙形成和发育的必要条件;④断裂力学是研究土体开裂破坏的主要工具之一,运用断裂力学对土体裂隙发育过程进行解释一般有两种途径,即从应力的角度和从能量的角度,涉及的土体断裂力学参数包括应力强度因子、断裂韧度和能量释放率,是用来判断土体是否开裂以及什么时候开裂的有力依据;⑤用于测定土体断裂参数的方法主要有三点弯曲断裂试验和直接拉伸试验,以及基于这两种方法改进的试验方法。     

干湿循环作用下膨胀土裂隙开展室内试验研究

为了解裂隙开展演化规律,以合肥黑色中膨胀土为研究对象,对模型试样进行一系列干湿循环试验,研究降雨蒸发作用下膨胀土裂隙演化规律。利用图像识别程序对面积裂隙率等进行定量分析并观测土样侧面裂隙开展形态以及深度。结果表明:单次脱湿情况下,土体的面积裂隙率、裂隙分形维数等形态参数和裂隙深度随时间逐渐增加,且土体表面形态参数存在极限值;干湿循环作用表现为裂隙的反复开裂、愈合使得土体结构趋于松散,裂隙率、裂隙分维趋于稳定;由侧向剖面观测得到边坡失稳是横向裂隙发展贯通而引起的。     

聚酯纤维对水泥碎石干缩开裂影响的试验研究

为了有效解决水泥碎石材料易产生裂缝的问题,将聚酯纤维掺加到水泥碎石中以防治其干缩开裂,据此设计制作了干缩应变测试装置.通过失水和干缩试验,研究了聚酯纤维对水泥碎石干缩开裂的影响,获得了失水率、干缩应变、干缩系数随着龄期、纤维量的变化规律,并阐述其根本机理,提出聚酯纤雏最优掺量.研究结果表明:聚酯纤维防治水泥碎石干缩裂缝的效果显著;纤维含量达到0.7×10-3左右时水泥碎石混合料的失水率降到最低;随着纤维含量的增加,干缩系数呈"Z"型走势,防治干缩开裂的最佳纤维含量约在0.75×10-3左右;超过最佳含量时材料将产生膨胀.     

基于最小二乘法的压实膨胀土裂隙参数关系分析

利用图像处理软件对干湿循环作用下的压实膨胀土表面裂隙参数进行提取,同时基于最小二乘算法定量分析了各裂隙参数之间的关系.结果表明:1第一次脱湿对土样开裂的影响最为明显,裂隙参数变化幅度最大,随着干湿循环次数的增加,块区个数、裂隙率、分形维数、节点个数等相关裂隙网络参数都逐渐增大,而裂隙平均长度和块区面积逐步减小;2运用最小二乘法对土样表面裂隙参数关系进行分析非常有效,拟合结果合理,预测精度较高;3裂隙的节点个数、块区个数、裂隙率和分形维数能很好地表征其他裂隙网络参数,可以简化对裂隙的量测.     

玻璃纤维复合材料拉伸损伤的声发射信号模式识别分析

对玻璃纤维复合材料进行常温拉伸破坏实验,利用声发射检测技术实时监测其损伤过程。研究了材料在拉伸破坏过程中的损伤演化规律,发现玻璃纤维复合材料的损伤演化过程可分为损伤发展阶段、损伤加剧阶段和试件失效阶段。同时为了研究材料内部破坏的损伤模式,提取了声发射特征参数上升时间、持续时间、计数、幅值和峰频,结合主成分分析法和K-means聚类的方法对声发射信号进行聚类分析,将聚类的结果与损伤模式相关联,结果表明复合材料损伤模式基体开裂、纤维脱粘和纤维断裂所产生的声发射信号在幅值、计数、持续时间参数上具有不同的响应特征。     

游离氧化铁对压实花岗岩风化土崩解特性的影响

为研究游离氧化铁对花岗岩风化土崩解特性的影响,使用还原-络合方法(DCB法)去除花岗岩风化土中的游离氧化铁,并在不同干密度及含水率条件下,以除铁前后两种土样为对象进行室内崩解试验,同时对两种土样进行电镜扫描(SEM)。结果表明：在同一干密度及含水率条件下,除铁后的花岗岩风化土试样完成崩解所需时间大幅增长,且崩解过程中崩解速率的变化更为稳定;在不同干密度及含水率条件下,两种状态的土样完成崩解的时长均随干密度及含水率的增长而增长。通过SEM观察到除铁前的土样中存在易被水破坏的桥状结构,可削弱花岗岩风化土在水中的稳定性。     

土遗址裂隙加固桩-浆协同效果与机制研究

研究表明以生石灰为掺料的浆液与土遗址兼容性良好,并且发现在此浆液中添加微型石灰桩能够更好消除浆-土界面的干缩分异的现象。为探究桩-浆协同作用下裂隙的加固效果与机制,通过开展单独注浆工艺和宽径比（裂隙宽度与石灰桩直径的比值）为1.5、2.0、2.5和3.0桩-浆协同工艺下室内遗址土裂隙注浆实验。浆液养护63天后,首先对裂隙两侧等距土体的宏观性质指标（贯入阻力、密度、液塑限和颗粒组成）进行测试;而后通过扫描电子显微镜、比表面积（SSA）和阳离子交换量（CEC）,以及基于孔隙率变化建立的强化变量对裂隙注浆后加固效果进行定性和定量联合分析。结果表明：桩-浆协同作用下宽径比小于2.5时对裂隙的加固效果均优于单独注浆条件,宽径比为2.0时效果最佳;宽径比大于3.0时加固效果弱于单独注浆条件。而结果所反映的本质是分属于石灰桩和浆液的膨胀和离子迁移对裂隙两侧土体的挤密和团聚作用不是简单的线性叠加,而是当宽径比超过2.0时出现浆液对石灰桩的挤密和团聚作用产生明显抑制反馈。     

压实黏土膨胀与收缩特性试验研究

为了研究压实黏土遇水膨胀与失水收缩特性,开展了压实黏土的膨胀与收缩试验。试验结果表明,土样的压实度和初始含水率对其膨胀与收缩影响显著。压实黏土样的膨胀量随浸水时间延长基本呈现“S”型增大。压实黏土的干缩在初期属于正常收缩;在失水干缩后期,干缩体积小于失水体积,收缩量随时间变化为下凹型曲线;最后进入稳定的零收缩阶段。压实密度越大,收缩率越小;初始含水率越高,收缩率越大。压实黏土的干缩变形具有显著的各向异性。此研究对干旱及半干旱地区黏土干缩开裂机理的研究提供理论基础。     

干湿循环条件下有机聚合物复合黏土保水与开裂特性研究

针对添加不同浓度有机聚合物的复合黏性土开展室内干湿循环蒸发试验,通过记录试验过程中试样的含水率变化以及获取裂隙发育特征图片,以研究聚合物浓度的变化、干湿循环次数对黏性土内部的水分变化以及干缩开裂的影响.试验结果表明:(1)黏土干燥失水过程主要分为三个阶段,土体内部水分散失主要发生在常速率蒸发阶段,由于聚合物与水反应所形...     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...     

三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征。卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷（主）方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征。而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张拉裂缝较多,张裂面一般垂直于卸荷主方向,高初始围压时双向卸荷甚至在次卸荷方向也可产生环形张拉裂缝。破坏围压较高时破裂面剪性特征相对明显,但剪性裂面一般追踪张性破裂面发展而成,并在剪切面两侧发育较多微张裂缝。而相对较高围压下常规三轴压缩岩石一般为剪切破坏,张性裂缝很少;常规三轴压缩岩石的应力脆性跌落系数随围压的增大而增大,而在卸荷条件下却随初始围压的增大而减小。相同初始围压时,卸荷条件下比加载时的应力脆性跌落系数小得多,方案Ⅱ在初始围压达到30 MPa时甚至出现负值,应力脆性跌落系数R依次为：RⅢ〉RⅠ〉RⅡ。     

Spatial–temporal evolution of gas migration pathways in coal during shear loading

Custom designed and built meso shear test equipment was used to examine the shear crack propagation in gassy coal under different gas pressures. The spatial–temporal evolution of gas migration pathways in the coal during shear loading was also researched. The results show that gas pressure can hasten crack growth at the shear fracture surface, can reduce the shear strength of gassy coal, and can accelerate the shear failure process. Shear failure in gassy coal exhibits five stages: the pre-crack stage; the stable crack growth stage; the unsteady crack growth stage; the fracture stage; and, finally, the friction crack stage. The shear breaking creates two kinds of crack, shear cracks and tensile cracks. Cracks first appear in the shear plane at both ends and then extend toward the center until a shear fracture surface forms. The direction of shear crack propagation diverges from the predetermined shear plane by an angle of about 5°–10°.     

清水压裂多场耦合下裂缝扩展规律数值模拟分析

利用室内实验测试研究层段页岩储层的物性参数、岩石力学参数和天然裂缝分布特征参数,建立了清水压裂过程中缺陷性岩体应力场—损伤场—渗流场耦合本构模型和破坏准则。通过Comsol软件进行有限元数值模拟,分析地层分别在拉伸和压剪应力下裂缝的扩展规律,天然裂缝系统开启时,页岩储层水力压裂可以形成人工裂缝网络。当水力裂缝扩展至天然裂缝时,裂缝的宽度有明显的增加,且水力裂缝方向发生改变,沿天然裂缝两翼的其中一翼扩展,另外的一翼并没有扩展。天然裂缝间存在着明显的互相干扰。多裂缝产生的过程是从多个小裂缝向少数大裂缝发展的过程,最终的裂缝条数取决于裂缝之间的连接性;地应力、天然裂缝、射孔井段、射孔方式、地层倾角、施工排量与液体黏度等,是影响多裂缝形成的主要因素。     

大型混凝土底板温度与收缩裂缝分布特征计算

大型地下结构物的渗漏问题一直以来都较难解决,作为主要构件的混凝土底板其裂缝宽度和数量直接决定整个地下结构的渗漏严重程度,目前关于底板开裂后的裂缝分布特征研究还较少。作者以解析方法得出不断增大的温度及收缩效应下混凝土底板的裂缝出现位置、宽度及间距表达式,实现对裂缝分布特征的描述。假定滑脱钢筋表面受均匀摩擦力（为混凝土抗拉强度）,滑脱临界处混凝土为极限拉应变（约100×10^-6）的情况下,求解出钢筋拉力、滑脱长度、钢筋变形量等参数之间关系式。把滑脱钢筋作为边界条件,带入通解,计算第一条裂缝的宽度及新底板块体内位移和应力分布。在已发生裂缝位置和滑脱钢筋刚度恒定的情况下,从坐标原点和端部的块体向某裂缝处叠加计算,得出该处底板块体的新组合刚度和自由位移值,进而求解应力重分布后的裂缝宽度。持续增加温度与收缩应变,计算新裂缝出现后的底板块体组合刚度、最大拉应力值,存储已有裂缝位置和滑脱钢筋刚度,用于下步计算。循环计算过程,直至应变的上限值,得出整块底板的多条裂缝宽度和间距,建立大型混凝土底板温度与收缩裂缝分布特征的计算方法。最后以尺寸80 m×20 m×0.4 m的混凝土底板为例,持续施加0～350×10^-6的温度或收缩应变,实现裂缝5次出现时分布特征的计算。     

考虑张裂缝的地震边坡屈服加速度计算方法研究

传统边坡地震稳定性分析方法鲜有考虑土体拉裂破坏引起的张裂缝。基于极限平衡-拟静力法建立了水平地震力和竖向地震力作用下的力与力矩平衡方程,运用变分理论获得其临界破坏面及其对应的正应力分布,考虑土体没有抗拉强度建立考虑张裂缝的地震边坡屈服加速度的闭合解答。张裂缝的出现会显著降低地震边坡的稳定性,对于垂直边坡将达到50%。当边坡坡度较大时,竖向地震力向下作用获得的屈服加速度更小,当边坡坡度较小时,竖向地震力向上作用获得的屈服加速度更小。     

基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体（S-RM）的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征. 基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法. 根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理. 试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.     

Theoretical and experimental study of initial cracking mechanism of an expansive soil due to moisture-change

Swelling and shrinkage due to moisture-change is one of the characteristics of the expansive soil, which is similar to the behavior of most materials under thermal effect. If the deformation is restricted, stress in expansive soil is caused by the swell-shrinking. The stress is defined as “moisture-change stress” and is adopted to analyze swell-shrinkage deformation based on the elasticity mechanics theory. The state when the total stress becomes equal to the soil tensile strength is considered as the cracking criterion as moisture-change increases. Then, the initial cracking mechanism due to evaporation is revealed as follows: Different rates of moisture loss at different depths result in greater shrinkage deformation on the surface while there is smaller shrinkage deformation at the underlayer in expansive soil; cracks will grow when the nonuniform shrinkage deformation increases to a certain degree. A theoretical model is established, which may be used to calculate the stress caused by moisture-change. The depth of initial cracks growing is predicted by the proposed model in expansive soil. A series of laboratory tests are carried out by exposing expansive soil samples with different moisture-changes. The process of crack propagation is investigated by resistivity method. The test results show good consistency with the predicted results by the proposed theoretical model.     

地壳上部岩体中水平应力的估算方法

地壳上部岩体的垂直应力一般可用其上覆岩体的平均比重乘以其深度来估算,但是水平应力却很难估算。岩体的断裂韧度是一个常数,如果裂隙岩体是稳定的,水平应力必须在一定的范围内,如果水平应力超过了这一范围,岩体内的裂隙可能会发生扩展、破坏,并可能导致地震的发生,因此从裂隙岩体稳定的条件出发,可以估算出水平应力的范围。利用一共线双裂纹模型建立了裂纹稳定的应力条件,并对该应力条件的有效性进行了实验验证,实验结果表明该应力条件是有效的;然后利用该应力条件来估算水平应力的范围,其结果符合现场的测试结果,表明这一估算方法是有效的,可行的。并利用该理论能很好地解释为什么水平应力与垂直应力之比在浅部地壳中分布在较宽的范围内,但在深部区域内却分布在一个狭小的范围内。     

急倾斜煤层开采诱发地表裂缝数值模拟

为了研究急倾斜煤层开采诱发地表裂缝的演化过程,探讨急倾斜煤层开采诱发地裂缝分布规律.利用可描述拉张破裂的有限元方法,对地表裂缝演化过程进行数值模拟.结果显示:最大拉应力集中在地表,地表优先于采空区破裂,采空区下山方向对应的地表一侧形成裂缝.急倾斜煤层开采地表和采空破裂的顺序与水平、倾斜煤层的破坏顺序相反.煤层倾角很陡时,地表先破裂到一定程度后,采空区才开始破裂.煤层倾角很缓或水平时,采空区先破裂,之后地表才破裂.