基于最小应变能密度因子断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

建立了考虑裂纹尖端非奇异项T应力的最小应变能密度因子断裂准则,研究了不同裂纹类型条件下T应力和泊松比对起裂角的影响,结果表明裂纹起裂角不仅与奇异项应力强度因子有关,而且还需要考虑非奇异项T应力和泊松比的影响作用.同时计算了含井筒对称双裂纹水力压裂模型的起裂角和临界水压,表明依据本文断裂准则计算得到理论解与实验结果吻合良好.在此基础上,利用该准则从理论上分析了临界裂纹区尺寸、T应力、比奥系数、侧压系数、泊松比等因素对水力压裂裂纹起裂特性的影响.参数分析表明:临界裂纹区尺寸、T应力和侧压系数对临界水压和临界起裂角有显著影响.临界水压随着泊松比增大而减小,而临界起裂角呈现相反变化趋势.比奥系数对临界起裂角没有影响,但是在高水压条件下对起裂角具有显著影响.     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

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。     

基于最大周向拉应变断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

通过对裂纹尖端应力场Williams展开式中非奇异应力项(T应力)的考虑,建立基于最大拉应变准则的岩石裂纹水力压裂的开裂判据,推导临界水压和起裂倾角的计算式。以此为依据计算水压致裂中的临界水压和临界偏转角的变化规律,分析裂隙倾角、围压、临界裂纹区尺寸、T应力、泊松比等因素对其影响作用。研究结果表明:随着围压、临界裂纹区半径以及泊松比的增加,起裂临界水压增大,临界偏转角逐渐减小。T应力对水压驱动型裂纹的扩展影响较小,但对外荷载作用下的裂纹扩展特征却有显著的影响。通过与试验结果的对比,考虑T应力的计算结果更为合理。     

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。     

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。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

岩体的压剪损伤机理及其在岩爆分析中的应用

本文探讨了压剪裂纹的启裂和扩展准则，对前人的经验性判据进行了理论分析，在此基础上建立了考虑裂纹闭合效应和裂纹相互作用的岩体压剪细观损伤力学模型。根据压剪损伤模型，发现岩爆是在洞室开挖过程中（或开挖完毕后）围岩发生应力调整（切向应力增加、径向应力减小）而诱发岩体中的预存裂纹发生摩擦滑移、界面扩展、裂纹扭折以至裂纹相互连接而导致围岩发生宏观脆性断裂的产物。数值模拟结果表明：本文建立的压剪损伤模型的计算结果与实验结果具有良好的一致性，并且裂纹闭合应力对岩体的应力－应变关系具有明显的影响，表现为损伤应变随裂纹闭合应力的增加而增加，尤其是侧向应变更加显著。     

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。     

压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则

土体既有裂缝的开裂问题通常被认为是拉剪应力导致,而实际工程中压实黏土多处于压剪应力状态,为探究压剪作用下压实黏土中既有裂缝的起裂机理,对压剪闭合裂缝应力场和断裂准则进行了理论分析,开展了含中心裂缝压实黏土单轴压缩试验,研究了裂缝倾角、裂缝长度及裂缝形态对压剪断裂性状的影响,揭示了压实黏土中闭合裂缝压剪张拉断裂机理,充分...     

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Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

Numerical investigation of blasting-induced crack initiation and propagation in rocks

To investigate the dynamic fracture mechanism related to blast-induced borehole breakdown and crack propagation, circular rock models containing a single centrally located source of explosive were numerically blasted using the AUTODYN 2D code. According to the material properties and loading conditions, four kinds of equations of state, linear, shock, compaction and ideal gas, are used. A modified principal stress failure criterion is applied to determining material status. The dynamic stresses at the selected target points in a rock sample are computed as a function of time following application of explosive load. It is shown that shear stress (resulting from intense compressive stress) causes a crushed zone near the borehole, the major tensile principal stress causes radial cracks, and the reflected stress wave from free boundary causes circumferential cracks some distance away from the free boundary. The influences of the factors of boundary condition, coupling medium, borehole diameter, decoupling and joint on rock dynamic fracture are discussed.     

运用等效应力法建立压剪型危岩破坏判据的研究

基于断裂力学理论,构建压剪型危岩断裂力学模型。模型考虑了主控结构面的贯通段有水压和无水压两种情况,建立了两种情况下主控结构面的非贯通段等效应力场,结合D-P理论,建立了压剪型危岩的破坏判据。算例分析的结果表明:当贯通段无水压作用时,将有关参数代入破坏判据式,即可判定该危岩体是否失稳;当贯通段有水压作用时,危岩体的失稳破坏与水压应力在裂缝尖端产生的应力场距离r有关,只要求得r的具体值,就可以利用破坏判据式判断该危岩体是否失稳破坏。     

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。     

砂岩拉剪强度和破裂特征试验研究及数值模拟

岩石高边坡和地下工程开挖等易诱发岩体拉剪破坏灾害。设计一种可在伺服控制压剪试验机上使用的岩石拉剪装置,该装置可保证荷载和位移控制精度,利用其开展砂岩单轴拉伸、拉剪和压剪试验。砂岩拉剪强度包络呈非线性,在全法向应力区的强度包络可用Hoek-Brown准则描述。针对常规PFC平行黏结Mohr-Coulomb强度准则无法有效模拟岩石非线性强度包络,基于砂岩试验结果建立平行黏结Hoek-Brown强度准则并通过简单转换方法编入PFC程序,方便有效地模拟砂岩拉剪强度和破裂特征及细观力学机制。拉剪情况下破裂面裂纹相对较细,更具张性,而压剪情况下微裂纹数量相对较多,损伤更强烈。随着法向应力sn增加,破裂面张性减弱而剪性增强,但因剪切膨胀原因,较小法向应力的压剪情况下破裂面仍以拉剪裂纹为主。根据数值模拟结果,可将拉剪和压剪应力状态下岩石的损伤演化过程大致分为弹性变形、稳定破裂发展、不稳定破裂发展和整体破裂4个阶段。sn较大时弹性变形阶段和不稳定破裂发展阶段相对较长,峰前塑性变形较多,拉剪情况下更具弹脆性。     

裂缝性地层水力裂缝张性起裂压力分析

 室内实验和矿场压裂实践表明,裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网,这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有巨大差异。由于水力裂缝延伸形态受起裂和延伸2个过程的控制,为此,研究裂缝性地层水力裂缝起裂机制是认识径向缝网扩展的前提。基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交,结合张性起裂准则,建立裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性起裂的起裂压力计算模型。计算结果表明：天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼指端,张性起裂压力越小;天然裂缝与孔眼相交点越靠近孔眼顶部,张性起裂压力越小;受天然裂缝和水平地应力方位的影响,井眼周向上不同方位孔眼的张性起裂压力差可能急剧减小,这种作用效应将导致水力裂缝从井眼周向上不同方位的孔眼同时起裂延伸,产生径向缝网。实例计算表明,文中建立的起裂压力模型计算精度高,计算结果可靠,可用于裂缝性地层水力裂缝起裂压力计算和径向缝网扩展分析。