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。     

岩石类材料滑动裂纹模型

滑动裂纹模型被广泛应用于岩石类材料压剪断裂分析及损伤分析。针对较为典型的6种翼裂纹应力强度因子计算模型,综合考虑主裂面方位、翼裂方位、侧压及翼裂当量长度的影响,对各计算模型进行了系统的对比分析;针对翼裂纹沿主压应力方向的情形,进行有限元分析,并和理论模型计算结果进行比较。最后综合得到一些有益的结论和建议,可为选用滑动裂纹计算模型进行岩石类材料压剪断裂和损伤分析提供参考。     

压缩作用下岩石裂纹闭合判据的研究

 采用复变函数和保角变换的方法,分析压缩作用下张开型裂纹面的变形规律,并求解裂纹面的变形参数;在此基础上,建立裂纹面闭合分析的几何模型。通过对几何模型的分析,首先得出裂纹面的闭合规律,结果表明：张开型(椭圆型)裂纹面在压缩作用下,或者完全闭合,或者完全不闭合,这和岩石力学的普遍观点相符。其次建立裂纹面的闭合判据,并将裂纹面闭合临界载荷值的大小归结为一个一元二次方程的解,求解方便。该判据以裂纹面变形参数作为基本的参量,所得的结论不受加载模式的影响,消除了以往闭合条件的应用局限性;且判据中参数物理意义明确,数学形式简单,便于应用。最后运用相应的算例和数值方法对裂纹的闭合过程进行分析,验证以上的结论的正确性。     

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。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

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。     

水压诱发裂缝拉伸与剪切破裂的理论模型研究

 基于断裂力学理论,分别研究水压诱发的拉伸与剪切破坏特征。在水压诱发拉伸破坏方面,建立考虑井筒影响的地应力与水压耦合下的射孔尖端裂缝应力强度因子计算方程,推演该条件下拉剪复合应力状态下的断裂准则以及临界水压和启裂角的计算式。运用该方法从理论上分析了井筒周围存在对称的2条裂纹时,启裂水压和角度受射孔倾角、射孔长度、井筒半径及主应力差的影响。研究结果表明,依据推演的拉剪复合型断裂准则计算得到的射孔启裂水压和角度与试验结果吻合良好。参数分析表明：随着射孔长度或井筒半径的增加,临界水压减小。在水压诱发剪切破坏方面,则根据裂纹面的应力状态,分别推导裂纹处于压剪闭合状态和压剪不闭合状态下,水压诱发剪切破坏的断裂准则,并考虑非奇异应力对剪切断裂的影响,进一步推导压剪闭合应力状态下发生剪切破坏的临界水压计算公式。     

岩石类材料中压剪裂纹的相互作用分析

将一种多裂纹相互作用的分析方法推广到类岩石材料的压剪裂纹相互作用分析中，并作为特例讨论了两共线压剪裂纹及两偏置平行压剪裂纹。结果表明：两压剪裂纹桥联区几何特征对其相互作用有决定性影响，该方法为进一步研究压剪裂纹的扩展和聚合提供了基础。     

水力致裂法测定分形裂纹下岩石的断裂韧性

 引入分形几何理论,应用分形方法来描述岩石断裂裂纹的曲折形态,进而建立分形裂纹下的岩石断裂韧性理论模型。在此基础上,应用自主研制的内压法岩样断裂韧性测试系统对不同假设条件下的岩石断裂韧性进行测定。结果表明,分形裂纹模型测试得到的岩石断裂韧性大于直线模型的断裂韧性,这也从理论上证实了目前水力压裂作业中理论计算值常低于施工压力的结论,说明应用该文的模型计算结果更接近实际情况。     

剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性，并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行了探讨。实验结果表明，剪切荷载作用下，裂隙在剪动前渗透性随剪应力的增加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线件关系。     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。     

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。     

高围压条件下含充填裂隙类岩石水渗流试验研究

 进行高围压、高水压条件下的含充填裂隙类岩石的渗透性试验研究,根据配比试验,制作模拟砂岩的试样,并应用自主研发的三轴试验仪器进行试验研究。研究发现：(1) 不同充填裂隙试样的渗透系数不同,但不同围压下渗透系数均处于同一数量级;(2) 围压升高时,充填裂隙介质的渗透系数呈下降趋势;(3) 渗透结构面几何特征是影响试样渗透性的主要因素之一;(4) 试样渗透性规律应建立在试验的基础上。     

裂纹几何特征对压剪复合断裂的影响分析

针对岩石类材料中压剪裂纹的复合断裂问题，理论上一般将其抽象为没有厚度的Griffith线裂纹，这样就会导致翼裂纹初始起裂角与主裂纹方位角及围无关的结论。而己开展的压剪裂纹复合断裂试验表明，翼裂纹起裂角与主裂纹方位角和围压明显相关。首先较系统地讨论原生（或预制）裂纹的几何特征（如厚度、裂纹尖端曲率半径等）及围压对翼裂纹起裂角的影响：然后结合含预制裂纹大理岩压剪试验进行翼裂纹起裂角的理论预测和试验结果的对比分析。该分析为压剪复合断裂试验提供了一个理论分析框架，也为进一步研究具有复杂几何形状的裂隙提供了一定的理论基础。     

石材裂纹扩展分形特性

 利用楔形劈裂试验系统观测石材裂纹起裂与扩展，利用应变片系统量测出试件在不同加载速率下裂纹尖端附近裂纹扩展速度的分布及其分形特性。所得结果如下：在考虑不同加载速率下，得到在静态或准静态加载条件下试体的断裂韧性基本上变化不大；但加载速率愈快，裂纹扩展实测平均速度愈高。考虑分形特性，在相同加载速率条件下，所得分形维数越大，则分形裂纹速度也越大，这与理论推导是相符的；分形维数与相关参数(断裂韧性、加载速率)的关系，在静态或准静态加载下近似为一个常数关系。     

石材裂纹扩展分形特性

利用楔形劈裂试验系统观测石材裂纹起裂与扩展,利用应变片系统量测出试件在不同加载速率下裂纹尖端附近裂纹扩展速度的分布及其分形特性。所得结果如下：在考虑不同加载速率下,得到在静态或准静态加载条件下试体的断裂韧性基本上变化不大;但加载速率愈快,裂纹扩展实测平均速度愈高。考虑分形特性,在相同加载速率条件下,所得分形维数越大,则分形裂纹速度也越大,这与理论推导是相符的;分形维数与相关参数（断裂韧性、加载速率）的关系,在静态或准静态加载下近似为一个常数关系。     

渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。