基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。     

内置三维裂隙扩展数值模拟研究

文章利用能够反映裂纹扩展贯通的真实破裂过程分析系统(RFPA3D),研究在单轴和双轴压缩条件下裂隙的开裂、扩展和贯通规律。研究结果表明:侧向应力有助于提高试件的峰值强度;单轴加载作用下,首先在预制椭圆形裂隙的两侧端点萌生翼型裂纹,随着轴向应力的不断施加,逐渐出现花瓣状裂纹,最终在峰值强度前后裂纹劈裂贯通;不同方向的侧向压力对试件的裂纹扩展模式具有明显差异,裂纹扩展明显分布于靠近加载面一侧椭圆端点处,而远离加载面预制椭圆裂隙一侧端点处几乎无裂隙扩展。     

围压对岩石裂纹扩展影响的颗粒流模拟研究

采用颗粒流数值软件PFC模拟预设单裂隙岩石在双向压缩状态下裂纹的扩展过程和特征。首先利用黏聚颗粒模型建立岩石试样,并在岩石试样中预置非贯通单裂隙;为研究围压对岩石裂纹扩展的影响,分别在5种围压作用下对预设裂隙岩石进行双轴压缩试验。结果表明在围压为0(单轴压缩)时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙基本垂直,随着加载进行沿着主压力方向扩展,而当围压增加时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙的交角增大,且长度变短直至围压到达一定值后不再发育;次生裂纹的扩展方向不仅与材料的性质有关,同时受到围压值的影响;围压增大对张性裂纹扩展产生限制,并促进剪性裂纹的扩展和合并,且最终剪切破坏面的宽度随着围压的增大而增大;次生裂纹可以由拉应力产生,但其进一步发育和扩展受到剪应力的控制。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明: 不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生; 节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈; 随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为 45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明:不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生;节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈;随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

含裂隙类岩试样破坏行为的宏细观数值分析

为了获得单轴荷载下裂隙岩体的裂纹扩展过程及接触力变化的规律,以石膏为相似材料制作含有2种倾角组合的裂隙试样,在刚性试验机上进行单轴条件下的破坏试验,记录裂隙试样的破裂过程。采用离散元软件PFC^2D建立数值分析模型,通过校核试验数据确定细观参数值,从宏观和细观两方面分析裂隙试样在压缩过程中微裂隙增长与轴向应力关系、接触力变化与裂纹的产生和扩展的关系,进行裂纹扩展的数值模拟和室内试验对比。结果表明颗粒间接触力分布随压缩而变得不均匀,主要集中在裂隙的端部,进而产生微裂隙,微裂隙聚集形成宏观裂纹;微裂隙数量在峰值轴向应力之前增加较缓慢,在峰值轴向应力之后迅速增加,微裂隙的增长与应力增长有一定关系;峰值轴向应力之前,观察到轴向应力暂停增加或略微下降,但微裂隙数量持续增加现象,该现象与裂纹扩展有关;用颗粒流程序能较好地分析加载过程试样内细观变化和裂纹的扩展,与试验现象吻合较好。     

偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟

为研究偏置三维内裂纹在单轴应力下的裂纹扩展过程,利用三维裂纹计算软件Franc3d软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程及裂纹前缘的应力强度因子变化,计算结果表明:(1)单轴拉力作用下,预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹,随后裂纹逐渐向四周扩展,裂纹先贯穿试件左右两面,而后贯穿试件的前后面形成贯穿型裂纹.(2)三维预制内裂纹倾角α=0°、30°时,预制裂纹尖端翼裂纹扩展后期两个翼裂纹呈现相互吸引的规律,而当三维预制内裂纹倾角α=45°、60°时,翼裂纹之间则不存在相互吸引靠近的趋势,预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展要小于预制裂纹外侧尖端.(3)相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化(从相对距离0变化到相对距离1)呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势.     

含三维内裂纹试件单轴拉伸裂纹扩展数值模拟研究

以往研究针对三维内裂纹在单轴拉伸下的裂纹扩展与三维内裂纹尖端的应力强度因子变化较少,为定量化研究三维内裂纹单轴拉伸下的裂纹扩展与应力强度因子的变化,对不同预制内裂纹角度在拉伸荷载作用下的裂纹扩展规律进行了数值模拟研究,将裂纹扩展过程及最终破坏形态与已有研究进行了对比。计算结果表明:当预制裂纹角度为0°时,预制裂纹呈现自相似扩展,当预制裂纹为其他角度时,预制裂纹尖端出现翼裂纹扩展,预制裂纹角度为15°、30°、45°、60°时,翼裂纹与原预制裂纹分别呈18°、49°、64°与80°;随着预制裂纹与水平方向的角度增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,对于同一预制裂纹角度来说,预制裂纹短轴顶点上的Ⅰ型应力强度因子较其他方向要大;随着预制裂纹角度的增大,Ⅱ型应力强度因子整体上先增大后减小;对于同一种预制裂纹角度来说,预制裂纹的左端与右端(对应于距离为0,0. 5,1处)Ⅱ型应力强度因子达到最大,而预制裂纹短轴处顶点(对应于距离为0. 25和0. 75处)Ⅱ型应力强度因子达到最小为0;数值模拟结果与室内试验结果体现出较好的一致性。研究成果为正确认识轴拉情况下的三维裂纹扩展规律提供了一定的参考。     

不同应变速率下双裂隙红砂岩力学特征试验研究

节理岩体在外力扰动下的失稳破坏往往对工程产生较大影响。为探究应变速率对节理裂隙岩体力学特征的影响,室内采用不同加载速率对含两条预制裂隙的红砂岩试样进行单轴加载试验,在此基础上利用数值分析软件进行模拟和分析,并对试验结果进行验证。试验结果表明：在不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同;随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;随着加载速率的增加,在预制裂隙两端萌生的裂隙数量逐渐增多,裂隙的扩展方向更多样,扩展的距离也更远,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展。利用FLAC3D软件数值分析得到,随着加载速率的增加,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围变大。     

曲线翼型裂纹扩展特性的试验和数值分析

采用模型试验研究了受压条件下张开型裂纹的翼型裂纹断裂规律，得出了翼型裂纹的扩展路径及翼型裂纹的扩展载荷特性。通过PYTHON语言对有限元软件ABAQUS进行了二次开发，实现了裂纹扩展中网格自动重新划分功能，对裂纹的扩展过程进行了数值模拟，得出了裂纹扩展路径及其复合应力强度因子的大小，并和试验结果进行了对比。结果表明：(1)压缩作用下张开型裂纹，其翼型裂纹路径具有明显渐近特征，其扩展路径的渐近线为过初始裂纹中心点、且平行于最大主应力方向的一条直线；(2)曲线翼型裂纹的复合应力强度因子大体上随翼型裂纹的长度逐渐变小；对有限尺寸的裂纹体，当翼型裂纹长度较大时，其大小受边界效应影响明显。以上结论为研究真实存在的曲线翼型裂纹扩展和失稳规律提供了基础。     

翼型裂纹扩展特性的试验和数值分析

采用模型试验研究了受压条件下张开型翼型裂纹的断裂规律,得出了翼型裂纹的扩展路径及翼型裂纹的扩展载荷特性。通过PYTHON语言对有限元软件ABAQUS进行了二次开发,实现了裂纹扩展中网格自动重新划分功能,对裂纹的扩展过程进行了数值模拟,得出了裂纹扩展路径及其复合应力强度因子的大小。计算结果与试验结果吻合良好。结果表明：(1)压缩作用下张开型裂纹,其翼型裂纹路径具有明显渐近特征,其扩展路径的渐近线为过初始裂纹中心点、且平行于最大主应力方向的一条直线;(2)曲线翼型裂纹的复合应力强度因子大体上随翼型裂纹的长度的增加逐渐变小;对有限尺寸的裂纹体,当翼型裂纹长度较大时,其大小受边界效应影响明显。以上结论为研究岩土工程中存在的翼型裂纹扩展和失稳规律提供参考     

粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

利用MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机,对标准粉砂岩岩样进行了保持轴向变形恒定的卸围压试验,获得了大量的应力、应变实验数据。研究表明：岩体卸围压试验大致分为3个阶段,即初始阶段、裂纹扩展阶段及破坏阶段;岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂,最终形成近似平行于最大主应力的张拉型破坏面。进一步对岩体卸荷过程中轴压σ₁与围压σ₃的变化曲线进行分析发现：当围压降低到一定程度时,裂纹在拉应力作用下迅速扩展;扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用,相对于加载破坏,岩体更容易发生卸荷破坏;在卸荷过程中岩体弹性模量E,泊松比μ随体积应变ε_v表现出明显的非线性变化趋势。试验结果可为工程提供借鉴。     

页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究

针对次生断裂构造挤压形成倾角差异的外倾单斜页岩,通过原位直接剪切试验,研究页岩结构面抗剪强度特性与裂缝扩展模式。试验结果表明:页岩结构面剪切应力与剪切位移曲线具有明显的阶段性,当结构面倾角处于24°～30°时,岩体存在峰值强度与残余强度阶段,当结构面倾角处于30°～38°时,岩体处于无残余强度阶段;页岩压剪裂缝扩展形态主要有4种,即沿单一层面开启的单裂缝、沿多个层面开启的裂缝网、贯穿基质体的转向裂缝,以及沿天然裂缝尖端开启的裂缝;胶结较弱的结构面易形成裂缝,岩层薄弱处易发生裂缝方向转向并形成贯穿多个层面的"台阶状"裂缝网,在主裂缝周边会产生定向排列的"雁列式"裂缝,进一步扩展与结构面贯通,使得岩体形成多条贯通性裂缝;页岩结构面压剪试验裂缝贯通模式为结构面剪切贯通裂缝、基质体张拉贯通裂缝、天然裂缝处张拉贯通裂缝、拉剪复合型贯通裂缝。研究成果有利于进一步认识倾斜岩层层面剪切力学特性,为顺层岩质边坡稳定性评价提供参数。     

砂岩直接剪切试验三维离散元分析

为了研究高地应力作用下的深部岩体的剪切力学特性,将半经验半理论胶结接触模型植入离散元软件,模拟了砂岩的直接剪切试验,对砂岩的宏、微观特性进行详细的分析。模拟结果表明：砂岩的直剪数值试验过程可以分为3个阶段,即线性剪切阶段、应力衰减阶段及残余强度阶段;剪切过程中,外界做功主要转化为颗粒摩擦耗能,并始终存在着能量守恒;胶结破坏数目会随着剪应变的增大而增加,胶结拉区破坏数目大于胶结压区破坏数目,胶结破坏形式均由弯破坏形式主导;裂纹首先从剪切面两端产生,拉区裂纹产生于剪切面中间,向剪切面两端以及上、下侧扩展,压区裂纹从剪切面两端向中间扩展,最后拉区裂纹与压区裂纹相互贯通布满整个剪切面,在空间上最终形成一个截面呈椭球状的分布域;本文的直剪数值试验结果与砂岩剪切试验结果基本一致。     

半圆弯拉下岩石内裂纹扩展规律数值模拟研究

岩石内部固有缺陷的存在和扩展是导致其断裂的重要因素,半圆弯拉试验是该领域的重要实验。为研究半圆弯拉下含三维内裂纹试件扩展路径及断裂特性,基于Franc3D有限元自适应网格划分技术开展含三维内裂纹SCB试样数值模拟,结果表明:(1)基于Franc3D软件的三维裂纹扩展与室内试验具有较好的一致性,该软件是三维裂纹数值模拟的重要工具。(2)通过M积分得到裂纹尖端应力强度因子,分析得出对称加载模型为K_Ⅰ与底部加载跨距呈正相关的Ⅰ型断裂模式;非对称加载模型中出现复合断裂模式,随着右侧加载跨距的增加,K_Ⅰ先降低再升高,K_Ⅱ及K_Ⅲ先变化至0,再逐渐升高。(3)基于最大拉应力准则得到裂纹扩展路径,对称加载模型在I型断裂模式下进行平面扩展后破坏,非对称加载模型出现复合断裂模式,伴随翼型起裂并扩展至破坏。(4)定量分析对称加载模型裂纹内部扩展规律得出,裂纹下端扩展速率最大,上端扩展速率最小。     

砂质板岩加卸载力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对雪峰山隧道围岩中的砂质板岩开展三轴加卸载试验,研究这种具微面理砂质板岩的变形特性、强度特性及破坏规律,结果表明：平行面理试件(微面理平行最大主应力)加、卸载条件下峰值强度相近;垂直面理试件(微面理垂直最大主应力)卸载条件峰值强度低于加载条件约20%,残余强度低于加载条件25%。平行面理时砂质板岩表现为弹脆性特征,且卸载条件下的脆裂破坏特征比加载条件下更强。平行面理试件破坏面基本沿试样中的微面理面方向发育,破坏是横向强烈扩容引起的张性破坏。垂直面理时,加载条件下破裂面呈现对角线贯通性剪切破坏特征,卸载条件下破坏面从试件两端的剪切屈服面向中部扩展,中部在剪张作用下破裂,与加载条件下单个贯通剪切面有显著差别。