层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

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。     

层理对煤岩动态断裂及能量耗散规律影响的试验研究

为研究动态荷载条件下加载率及层理倾角对煤样断裂韧度及能量耗散特征的影响,采用直切槽半圆弯拉法和霍普金森加载装置对煤样开展动态断裂韧性测试。分析不同层理倾角煤样动态断裂韧度的率响应特征;并通过对比不同冲击速度和层理倾角煤样的入射能、吸收能、断裂能和残余动能,得出冲击荷载下不同层理倾角煤样动态断裂过程的能量耗散规律。研究表明:冲击荷载下直切槽半圆弯拉煤样以拉伸破坏为主,且裂纹贯穿后的2个碎片均为匀速转动;煤样动态断裂韧度为准静态断裂韧度的3.52~8.64倍,动态断裂韧度随冲击速度的增大而不断增加,但煤样中层理倾角对动态断裂韧度的影响随冲击速度的增加逐渐减弱;煤样动态断裂能随冲击速度的增大而不断增加,但断裂过程能量耗散率随冲击速度的增大而不断减小。     

基于半圆弯拉试验的煤样抗拉及断裂性能研究

 为研究准静态加载条件下煤的抗拉及断裂性能,采用巴西圆盘劈裂法和半圆弯拉法对煤样进行抗拉性能对比测试;并开展不同切缝深度的半圆弯拉煤样断裂性能测试分析,探讨平面应变断裂韧度KIC和J积分断裂韧度对评价煤的断裂性能的适用性,研究切缝深度对半圆弯拉煤样的2种断裂韧度测定结果的影响;并结合受载过程中煤样表面应变监测和破坏后试样的工业CT扫描图像分别对煤样受载变形特征和破坏后裂纹展布规律进行分析。研究表明：半圆弯拉试验更适于测定煤的抗拉强度;当量纲一化的切缝深度 = 0.28时半圆弯拉煤样平面应变断裂韧度KIC离散度最小;煤样的J积分断裂韧度离散度更小,且更适用于评价煤的断裂性能。     

压缩条件下岩石断裂模式与断裂判据的研究

针对岩石类材料压缩断裂中可能发生的Ⅰ型张拉断裂和Ⅱ型剪切断裂的现象 ,依据裂纹尖端应力集中引发的微裂纹损伤性质 ,提出了主裂纹尖端“微裂纹单元应力模型”的概念。通过对不同方位微裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子变化规律的研究 ,以比应力强度因子和比断裂韧度作为表征参数函数方程 ,提出了压缩条件下岩石类材料复合型裂纹断裂模式与断裂破坏的判据。该判据既可以预测岩石内部斜裂纹在压应力下的Ⅰ型扩展 ,也可以预测它的Ⅱ型扩展。由此判据 ,还给出了Ⅱ型断裂出现的条件 ,讨论了不同的影响因素。其结果较好地说明了实验现象     

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。     

非对称载荷下各向异性砂岩半圆弯曲断裂特性的离散元研究

储集层资源往往赋存于各向异性的节理岩体中,其断裂模式较为复杂,仅根据以往的工程经验难以进行高效开采。为了更好地认识各向异性储层的断裂特征,并实现对裂缝扩展形态控制和预测,从而更为科学地对储层进行采集,利用离散元方法,开展非对称载荷下各向异性砂岩半圆弯曲断裂特性的研究,通过调整底部支座的不对称度,可以实现岩体从纯Ⅰ型到纯Ⅱ型断裂的控制。主要结论如下:(1)半圆弯曲数值试样的峰值荷载表现出明显的各向异性,随节理角度增长,主要呈现出"W"和"增大–平稳–增大"的分布形式。随非对称系数增加,主要呈现出"急降–平稳"的趋势。(2)对于破坏模式,试样破坏模式随切缝倾角和节理分布方式不同,主要表现为偏移式、顺层式、切层–顺层式和复合型切层式4种破坏形式。随着非对称系数增加,试样内应力场发生改变,试样破裂路径逐渐沿支座移动方向发生偏离。(3)获取基于J积分计算求解得出的无量纲几何因子,并基于此设计了纯Ⅱ型、纯Ⅰ型和复合型的加载方案。由几何因子求解所得试样断裂韧度随节理变化呈现出明显的各向异性,而随非对称系数增加,主要呈现出"急降–平稳"的趋势。(4)受节理的影响,Ⅰ型断裂起裂角分布在0°～36.9°范围,Ⅱ型断裂起裂角分布在47.68°～76.12°范围,并非与理论值完全相同。     

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。     

煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究

通过Ⅰ型断裂试验、3D形貌扫描技术,对沁水煤田15#煤的3种不同层理方位条件下Ⅰ型断裂特性、断裂面形貌特征以及层理、内生裂隙等影响下I型裂纹扩展规律进行了分析研究;并通过水压致裂试验,验证了约45°天然裂隙面对水力裂缝扩展的影响。结果表明:沿平行层理方位煤岩的断裂韧度KIC、断裂面面积、线粗糙度在3种方位中最低;在正交及垂直层理方位断裂时,煤岩体中裂纹扩展的有效路径更长,更有利于连通较多的孔裂隙,进而有利于改善煤层渗透性。同时,在该煤岩I型断裂试验中,在内生裂隙影响下裂纹扩展路径在正交层理方位的波动偏转角度最大,近似达30°;在该含天然裂隙煤岩水压致裂试验中,水力裂缝贯穿45°天然裂隙面扩展,沿垂直层理方位压裂后,裂面面积比其投影面积增大约0.3倍。结论对煤层气压裂增透工程具有一定指导意义。     

岩石裂纹扩展过程的动态监测研究

利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩试样裂纹扩展与变形破坏过程；基于动态干涉条纹的定量分析，描述了岩石微裂纹孕育起裂、扩展与闭合的动态交替演化过程，计算了岩石裂纹扩展速度与蠕变扩展速率和裂纹面的扩展变形量与蠕变变形量，实现了岩石内部Ⅰ型、Ⅰ—Ⅱ复合型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹力学性状动态演变的有效判识。     

爆炸载荷下Ⅰ型裂纹的起裂及扩展规律研究

为了研究爆炸载荷作用下I型裂纹的断裂韧度参数及扩展规律,首次将裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)和内部单裂纹圆盘(single internal crack circular disc,SICCD)试件引入到爆炸载荷下的韧度测试中。试验采用了大尺寸PMMA试件和示波器、超动态应变仪搭接的测试系统,并利用动态有限差分软件AUTODYN和有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度等断裂参数。试验结果表明:(1)预制裂纹在扩展过程中,扩展路径出现拐点时,会产生明显的止裂现象,当裂纹再次起裂时,速度会明显上升。(2)CPG能够更加精准地监测裂纹的扩展规律,结合试验–数值法能够很好地计算出裂纹的起裂韧度等动态参数,为爆炸试验断裂参数的获取提供了一种新型的测试方法。(3)初步的分析表明爆炸载荷下动态止裂韧度要大于动态起裂韧度和动态扩展韧度。     

基于SENDB试样的砂岩复合脆性断裂行为研究

基于岩石裂缝多为三维的事实,对不同裂缝长度和支座间距组合下的单边切槽深梁(SENDB)试样3个形状因子(即量纲一化的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子、量纲一化的T应力)进行三维标定,并与已有的二维数值标定结果进行细致对比,相关结果为科学使用SENDB试样开展岩石复合断裂韧度测试,讨论试件厚度对岩石复合断裂韧度计算的影响等奠定了基础。结果表明,由三维模型获得的几何因子相比二维模型所得结果更大,故使用二维计算结果确定的断裂韧度将比实际值小,对水力压裂这类"造缝"岩石工程设计可能带来不利影响。最后,基于SENDB试样开展从纯Ⅰ型到纯Ⅱ型的砂岩复合断裂韧度测试,并利用广义最大周向应力(GMTS)准则从理论上研究SENDB砂岩试样裂纹尖端的三维微破裂区与载荷复合度的关系。研究表明,随着裂缝倾角b的增加,由最大周向应力确定的微破裂区范围从中间大两头小变为中间小两头大;其次,裂纹在扩展方向上的临界微破裂区并非GMTS准则所采用的不变量r0=(2π)-1(KIc/st)2;更为关键的是,纯Ⅰ型裂纹和纯Ⅱ型裂纹对应的临界微破裂区半径并不相等,进而从根本上否定了GMTS准则的理论假定,相关结果为合理使用GMTS准则提供了参考并指明了GMTS准则的改进方向。     

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。     

岩石断裂韧度K_(IC)测试中的几个问题——裂纹亚临界扩展的研究

本文提出岩石断裂曲线大体可分为两类,大理岩等性岩石属Ⅰ型断裂,灰岩等脆性岩石属Ⅱ型断裂,产生Ⅱ型断裂的岩石在失稳断裂前没有或很小裂纹亚临界扩展,产生Ⅰ型断裂的岩石在失稳断裂前裂纹有亚临界扩展.文中并研究了用柔度法计算这一裂纹扩展长度的经验公式,文中还试验和分析了预制裂纹对断裂韧度的影响.     

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。     

剪切断裂韧度(K_(Ⅱc))确定的研究

对含裂纹的试件施加单纯剪应力时，裂纹将偏离原裂纹面扩展，测得的ＫⅠｃ小于ＫⅠｃ。理论分析证明，在剪切载荷作用下裂纹扩展是由于拉伸应力引起的，并非剪切破坏。为了抑制或消除剪切力引起裂纹尖端的拉应力，在给试件剪切力的同时，还必须给试件施加一定方向的压应力，从而在剪应力作用下．获得了剪切断裂。在此条件下测得岩石的剪切断裂韧度 ＫⅡｃ都大于 ＫⅠｃ。研究表明，产生Ⅱ型断裂是有前提条件的，即：裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子ｆｒθｍａｘ与裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子ｆｒθｍａｘ的比值ｆｒθｍａｘ／ｆｒθｍａｘ＞１和ｆｒθｍａｘ／ｆｒθｍａｘ＞ＫⅡｃ／ＫⅠｃ。     

改进的翼形裂纹分析计算模型

1　引　　言　 翼形裂纹是受压缩载荷岩体的断裂破坏分析中常见的一种裂纹模型。判断翼形裂纹是否扩展 ,扩展路径如何 ,岩体是否失稳破坏 ,都涉及到翼形裂纹的应力强度因子计算。岩石类材料通常在压缩载荷作用下工作 ,其中的裂纹面可能发生闭合 ,这与金属断裂研究中裂纹张开型或张剪复合型断裂分析有较大的区别。本文在总结已有翼形裂纹计算模型的基础上 ,提出了一个新的、改进的翼形裂纹分析模型。与其它裂纹模型应力强度因子近似计算公式相比 ,本文模型精度较高 ,更为合理。2　已有翼形裂纹模型如图 1所示的受压缩载荷作用下的翼形裂纹岩体的断裂分析 ,许多学者进行过研究。Ｈｏｒｉｉ和Ｎｅｍａｔ -Ｎａｓｓｅｒ[1     

单调及循环加载下大理岩断裂特性研究

基于大理岩的室内基本力学试验,使用PFC~(3D)获取一组真实反映大理岩特性的细观参数。在此基础上对大理岩人字形切槽圆盘(CCNBD)模型分别进行单调和循环加载,研究不同荷载作用下大理岩的应力分布及断裂韧度、裂纹扩展规律。研究结果表明:逐级和等幅2种循环荷载作用下,大理岩的Ⅰ型断裂韧度均有不同程度降低,且峰后会产生明显的应变软化阶段,发生亚临界裂纹扩展;循环荷载作用下试样的裂纹扩展存在明显初期、稳定、加速3个阶段,微裂纹在加载初期增加明显,裂纹扩展速率稳定,在稳定阶段裂纹扩展速率逐渐降低,最后加速阶段裂纹扩展速率逐渐增大,裂纹数目快速增加直至破坏;拉力链分布相对于单调加载更集中在韧带两端和圆盘两边。     

煤样三点弯曲裂纹扩展及断裂力学参数研究

煤样裂纹尖端存在着微裂纹聚集的非线性过程区,其影响着试样强度及结构稳定性,并使得煤样断裂过程无法用经典线弹性断裂力学模型来描述.为了更好地认识煤样裂纹扩展非线性力学行为,本文开展以含中心切口煤样为测试对象的三点弯曲实验,实现煤样Ⅰ型张拉裂纹缓慢扩展控制,综合采用声发射和数字图像匹配技术追踪可视化了煤样裂纹扩展全过程,基...