单轴压缩下岩石裂纹扩展应力阈值识别与验证

准确识别岩石在单轴压缩变形破坏过程中几个典型阶段的应力阈值,能更好地理解岩石渐进破坏过程中内部裂纹扩展力学行为和岩石破坏机制。通过对5种岩石开展单轴压缩试验,在裂纹体积应变法的基础上引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变2个参数,并结合声发射监测手段对5种岩石的应力阈值进行识别。依据岩石破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的关系,把岩石分成类型I和类型Ⅱ岩石。研究表明,对于类型I和类型Ⅱ岩石,分别利用其裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变曲线特征点能较准确识别出岩石裂纹稳定扩展应力σ_sd、裂纹不稳定扩展应力σ_usd以及岩石裂纹相互贯通应力阈值σ_ct,其结果与利用声发射特征现象所识别的应力阈值相近。该方法合理解释了利用体应变法、裂纹体积应变法与声发射法识别的应力阈值不匹配现象,实现了岩石压缩过程中利用应力、应变数据与声发射数据对应力阈值识别结果的一致性。     

非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析

在拉张外载作用下，应用RFPA^2D程序对端部开切口、内部预制裂纹试样和坚硬颗粒试样进行数值模拟分析，并对不同均质度下岩样的贯通机制和载荷－位移曲线进行分析。结果表明，非均质性存在产生试样的应力分布局部集中和变形局部化，是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通的根源。     

基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grain based model,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性.对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值...     

加载条件对不同尺寸岩石单轴压缩破裂过程的 影响研究

 针对岩石单轴压缩试验中存在的加载条件敏感性的问题,采用自行开发的二维弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,对不同尺寸的非均质岩石试样进行单轴压缩破裂过程模拟,研究不同的加载条件对岩石宏观变形行为和破裂模式的影响。结果表明,均质性相同的岩石试样在单轴压缩破裂过程中所表现的尺寸效应和形状效应现象与岩石本身的非均质性关系不大,加载垫板与试样之间力学性质的差异是造成岩样单轴压缩破裂过程尺寸效应和形状效应的根本原因,模拟结果再现了典型的试验现象。通过研究加载垫板与试样端部之间不同的摩擦情况,结果表明,即使试样端部存在较小的摩擦,仍然会造成岩样单轴强度和变形特性的离散性。因此,通过减小试样端部的摩擦来提高岩石单轴压缩试验质量是不可靠的。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

岩石的非均质性与杨氏模量的确定方法

岩样杨氏模量的数值依赖于确定方法，通常离散性很大。岩层钻孔取芯时岩样会因三轴伸长作用产生分布裂隙，在单轴压缩初期产生闭合、滑移，使应力-应变曲线下凸。因此，从原点计算的割线模量不能反映实际岩体的变形特征。平均模量是应力-应变曲线中近似直线部分的斜率，受试验条件的影响较小，表示了应力与应变的变化关系，但其计算方法不够明确。建议使用最大割线模量，应力差为岩样强度一半的所有割线模量的最大值。此外，从岩层钻孔取得的岩样具有串联特征，应采用其杨氏模量的调和平均值表示岩体的变形特征。该值可以反映岩层局部的软弱结构对整体变形的控制作用。     

基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态，这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

岩石I类和II类曲线形成机制的弹塑性细胞自动机分析

基于弹脆塑性理论和细胞自动机自组织理论相结合来模拟岩石试样的应变软化行为,对岩样单轴压缩破坏过程中产生I类和II类曲线的机制进行模拟分析,利用应力-应变线性组合的控制加载方式,分别考虑不同的均质度和不同的加载控制参数的情况,并模拟非均质岩石单轴压缩破坏过程的I类和II类曲线。研究结果表明,当采用应力-应变线性组合的控制加载方式时,I类和II类曲线的出现与岩石试样的均质度和加载控制参数有很大的关系,均质度越大,岩石脆性越强,峰后越趋向于形成II类曲线;同一种岩石试样,采用不同的线性组合参数,岩样既可以表现为I类行为,也可表现为II类行为。     

岩石裂纹小范围屈服时声发射总数与应力强度因子关系的研究

根据裂纹尖端微裂纹密度理论，假定声发射总数与裂纹尖端的显微裂纹总长度成正比，推导了出了岩石裂纹稳定扩展时声发射总数与应力强度因子之间的关系式。将并一些试验结果与理论推导进行了比较，结果表明；理论推导与试验结果大体一致。     

预制裂隙岩石裂纹扩展相场模拟方法研究

裂隙岩石变形破坏是其内部裂纹萌生、生长和聚合成宏观裂隙的结果。为了模拟裂隙岩石复杂断裂破坏过程，基于传统的相场断裂模型，通过拉、拉剪和压剪应变能密度分解，提出一种新的相场模型。根据Mohr-Coulomb准则分别定义剪切应力和压剪应变能，推导位移场和相场耦合控制方程，采用有限元方法进行空间离散和交错求解算法进行相场理论数值求解。通过对比基准算例的相场模拟结果与解析解，验证编制的相场有限元程序的准确性。然后，基于黄砂岩试验数据确定模型参数，运用该程序对单预制裂隙岩石(α=30°)和双预制裂隙岩石(α=30°，β=30°和α=30°，β=60°)单轴压缩试验进行模拟，再现了裂隙岩石所产生的张拉、剪切和混合裂纹生长和扩展模式，与试验结果吻合较好。因此，改进的相场模型能够模拟裂隙岩石裂纹起裂及后续扩展的动态演化过程。     

三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

 采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明：试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。     

非均质细胞元随机分布对高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究

在平面应变模型下,以花岗岩为样本,采用随机介质固热耦合数学模型及有限元方法进行了高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究。在指数分布、韦泊分布2种随机分布和温度的作用下,研究了材料非均质性对岩石介质中裂纹扩展的影响,并对岩石热破裂做了详细研究,揭示了概率分布形式、分布参数.时间与花岗岩样本的热破裂过程的变化规律。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

 岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。     

三维表面裂纹相互作用扩展贯通机制试验研究

通过对用机械法预制多个硬币状裂纹的冷冻有机玻璃材料进行单轴加载系列试验,研究脆性材料三维表面裂纹扩展演化和贯通机制。研究结果表明,三维裂纹间的相互作用对裂纹萌生和扩展主要有两种影响,即相互促进或彼此抑制,裂纹演化过程中其空间位置起主要作用。三维表面裂纹间的贯通要复杂得多,同时受裂纹切割深度、空间位置影响较大。这一研究加深了对有机玻璃材料(PMMA)等透明脆性材料破坏机制的了解,同时对岩石材料破坏机制的研究也大有裨益。     

煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性试验研究

 利用AG–250kNI电子精密材料试验机,配合自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置,对煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性进行试验研究,得出煤岩在全应力–应变过程中瓦斯流动特性规律。试验结果表明：应变–瓦斯流动速度曲线与应力–应变曲线变化趋势具有相似性,且表现为少许滞后于应变的特点,这表明煤岩受载过程中的损伤演化决定着瓦斯在其内的流动特性,而瓦斯的吸附–解析过程及瓦斯在煤岩内流动需要时间是其表现出滞后性的主要原因。煤岩所受围压通过侧向压缩煤岩侧壁,导致其内部结构变化而对其所含瓦斯流动起到阻碍作用。进行2种不同粒径煤粉组成的煤岩比较试验,结果表明,其所含瓦斯流动特性差别较大,且颗粒组成较大的煤岩试件受外界条件影响较明显。