断裂力学及其在岩体工程中的应用初探

介绍了断裂力学的基本理论,包括应力强度因子的计算、裂纹扩展方向和断裂判据,并对岩石断裂力学研究中所涉及的岩石破坏机理和岩石断裂韧度进行了阐述,以供参考。     

岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。     

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。     

基于断裂—损伤力学的岩石材料断裂发展进程研究综述

岩石材料的断裂过程是一个初始缺陷的演化,宏观裂纹的产生及扩展、最后导致材料宏观断裂破坏的连续变化过程,可以用断裂力学来描述和研究。关于岩石材料断裂的研究已慢慢的发展起来,许多学者对这方面的研究也作出非常重要的贡献,同时也提出了一些很经典的理论,为岩石材料的损伤与断裂研究开辟了新的道路,本文着重对岩石材料的断裂理论进行系统性的综述。     

扩展有限元法在重力坝断裂分析中的应用研究

扩展有限元法是近年来发展起来的分析不连续问题(特别是断裂问题)的一种有效方法。介绍了扩展有限元法的基本原理,给出了采用扩展有限元法进行裂纹扩展分析的方法,最后采用扩展有限元法模拟了混凝土重力坝坝踵裂缝扩展过程,分析了其变形、应力场分布规律。算例表明扩展有限元法在进行断裂分析时克服了常规有限元法的缺点,避免了常规有限元法在分析断裂问题时繁琐的前处理过程,不需要裂纹面与有限元网格一致,不需要在裂缝周围布置高密度网格,模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,展示了扩展有限元法在大坝开裂分析中的独特优势。     

液氮超低温诱导岩石类材料裂缝形成机制研究

液氮压裂是一种采用温度极低的液氮对储层进行压裂的方法。与常规压裂方式不同,液氮的超低温作用会使得储层岩石温度急剧降低,产生强烈的温度应力,诱导储层岩石产生裂缝。为探究液氮超低温作用诱导岩石裂缝的起裂和扩展机制,分别对裸眼井筒、预制裂缝和水力裂缝进行液氮超低温冲击作用模拟实验,获得诱导裂缝分布特征,并测量超低温冲击作用过程中井筒径向和预置裂缝法向温度场变化,研究最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则,判定超低温诱导裂缝扩展范围的适用性。结果表明,超低温诱导裂缝主要垂直于裸眼井筒井壁、预制裂缝和水力裂缝等已有裂缝面起裂,且诱导裂缝两侧同样会出现垂直于诱导裂缝起裂的次级诱导裂缝,形成复杂裂缝网络。根据超低温诱导裂缝扩展尺度的实验结果,提出采用最大拉应力准则和应力强度因子断裂准则分别判定诱导裂缝扩展长度下限和上限的方法。此外,提出水力压裂结合液氮压裂改造储层的方法,并进行实验验证。研究结果为液氮压裂可行性和设计提供了依据。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论及应用

本文在总结前人已有成果的基础上,在裂缝性低渗透油藏流-固耦合研究方面完成了以下工作: (1)通过大量的岩芯实验,研究发现低渗透岩石渗流时存在明显的流-固耦合效应,并通过理论分析对该现象做以解释。 (2)建立裂缝性低渗透油藏渗流场和岩土变形场的等效连续介质模型。推导出考虑裂缝影响情况下,渗流场和岩土变形场参数的等效处理方法。利用等效连续介质渗流模型研究了不同裂缝形态对水驱油效果的影响。 (3)研究了地应力和孔隙压力对裂缝开度及渗透率的影响,得出裂缝性低渗透油藏渗流场与岩土变形场之间的耦合关系式。 (4)利用断裂力学的知识,研究了注水过程中,储层裂缝扩展的动力学机理,给出考虑裂缝扩展情况下的渗透率演化方程,并结合流-固耦合模型给出数值模拟的方法。 (5)利用有限元和有限差分方法,给出了裂缝性低渗透油藏流固耦合模型的计算方法,并编制了相应的数值模拟软件。 (6)探讨了本文理论在工程上的应用。 论文利用所编制的油藏流团耦合计算软件,对大庆油田卯六区块开发过程中孔隙度、渗透率演化及耦合效应对开发过程的影响进行了数值模拟;结合断裂力学知识,给出了开发过程中裂缝扩展的数值计算方法,并对一简单情况下裂纹扩展情况进行了数值计算;最后,通过解析分析的方法,对渗流作用井壁力学     

压剪应力条件下岩体裂纹扩展概率模型研究

经典Ｗｅｉｂｕｌ统计断裂理论从统计的角度建立了拉剪应力条件下裂纹扩展的统计断裂模型。而岩体工程中的断续节理岩体的裂纹有相当一部分是处于压剪应力作用下,应用经典Ｗｅｉｂｕｌ统计断裂理论建立的裂纹扩展概率模型是不适宜的。本文对断续节理岩体中压剪应力条件下裂纹扩展的随机性从断裂力学角度进行了研究,建立了压剪应力条件下裂纹的断裂力学概率模型,并讨论了节理岩体的失效概率与裂纹几何、力学各参数之间的关系。     

混凝土,纤维混凝土裂纹扩展分析

介绍了近代混凝土，纤维混凝土材料的有关断裂力学研究理论，对混凝土，纤维混凝土材料的裂纹扩展作了一些探讨分析，涉及到混凝土材料应用软化曲线及其应用，裂纹尖端应力奇异性的解释和处理等内容，就混凝土断裂不同于经典断裂力学中的“裂纹失稳扩展”断裂，提出了一种断裂力学模型来描述混凝土的裂纹扩展过程。     

混凝土、纤维混凝土裂纹扩展分析

介绍了近代混凝土．纤维混凝土材料的有关断裂力学研究理论，对混凝土．纤维混凝土材料的裂纹扩展作了一些探讨分析。涉及到混凝土材料应变软化曲线及其应用、裂纹尖端应力奇异性的解释和处理等内容。就混凝土断裂不同于经典断裂力学中的“裂纹失稳扩展”断裂，提出一种断裂力学模型来描述混凝土、纤维混凝土的裂纹扩展过程。     

裂纹线场分析方法在岩石力学中的应用

 将岩体破坏主控结构面上的裂纹视为共线等间距裂纹,利用裂纹线上的合理条件将共线裂纹受压剪应力的问题简化为有限宽岩体内含有一条裂纹受压剪应力的问题;把岩体材料的屈服准则作为求解该问题的基本方程,运用线场分析方法在裂纹线附近区域得到弹塑性解析解。分析裂纹面闭合所产生的裂纹面上的摩擦强度对裂纹线附近应力场的影响,通过在裂纹线上提出的合理条件和弹塑性应力场在其边界上的匹配条件,得出裂纹线上塑性区范围与压剪荷载的关系,并获得岩体沿主控结构面的裂纹贯通破坏的强度准则。通过与试验结果的对比分析后发现所提出理论是合理的,研究结果可为岩体断裂力学的发展提供有力依据。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

三点弯曲蠕变试验中裂缝扩展 的有限元计算分析

应用破坏接近度的概念，将压应力作用下的非线性粘弹性模型扩张成了拉应力作用下的岩石力学模型。应用该模型，对三点弯曲蠕变试验中裂缝的扩展过程进行了有限元计算，发现裂缝扩展随时间的变化与应力—应变曲线的形状，尤其是强度破坏点以后的曲线形状密切相关。     

Correlation between tension softening relation and crack extension resistance in concrete

Changes of the material fracture energy consumption with crack propagation can be described by a crack extension resistance curve, one of the fundamental fracture criteria in crack mechanics. Recently, experimental observation of the fracture behavior in concrete was used to develop a new fracture criterion, the crack extension G_R resistance curve, to analyze crack propagation during the entire concrete fracture process. The variation of the crack extension resistance is mainly associated with the energy consumption in the fracture process zone ahead of the stress-free crack tip. The crack extension resistance is then a function of the softening curve, which is a basic mechanical property in the fracture process zone. The relationship between the softening curve and the crack extension G_R resistance curve is then analyzed based on results of three-point bending beams tests. The results indicate that the characteristic points of the crack extension resistance G_R curve is closely related to the characteristic point on used tension softening curve.     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。     

岩石临界CTOD的确定及失稳断裂过程区的研究

通过对花岗岩、大理石的三点弯曲预制缺口梁的断裂力学研究,成功地揭示了主裂缝随载荷增加而延伸变化的规律以及微裂缝区的形成过程与载荷之间的关系等。同时测出了临界ＣＴＯＤ值,进行了ＣＯＤ裂纹宽度和岩石晶粒尺寸对断裂过程区特性的研究。     

Dynamic crack propagation in plates weakened by inclined cracks: an investigation based on peridynamics

Peridynamics is a theory in solid mechanics that uses integral equations instead of partial differential equations as governing equations. It can be applied to fracture problems in contrast to the approach of fracture mechanics. In this paper by using peridynamics, the crack path for inclined crack under dynamic loading were investigated. The peridynamics solution for this problem represents the main features of dynamic crack propagation such as crack bifurcation. The problem is solved for various angles and different stress values. In addition, the influence of geometry on inclined crack growth is studied. The results are compared with molecular dynamic solutions that seem to show reasonable agreement in branching position and time.