裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下,受到往复的冻融荷载作用,导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验,分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程,并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明:含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型:沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏;板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展,灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展,花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因,表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似,裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

应力波形对岩石爆生裂纹扩展机制影响的数值模拟

为研究三裂纹岩石的静力学破坏特征,采用离散元数值模拟软件PFC^2D和模型试验方法,分析三裂纹岩石的峰值应力、应力—应变曲线及裂纹扩展特性,验证离散元数值模拟方法的可行性。通过改变岩石的水平围压和裂纹长度,分析单轴压缩载荷作用下三裂纹岩石的力学响应机制。研究结果表明：中间横向裂纹对裂纹岩石的峰值应力影响较大,中间竖向裂纹对裂纹岩石的峰值应力影响较小;加载过程中裂纹尖端最先出现应力集中现象,最后形成2条约70°的主裂纹贯通3条预制裂纹;随着围压的增大,三裂纹岩石的峰值应力先增大后减小;随着裂纹长度的增加,三裂纹岩石的峰值应力不断减小。

     

基于扩展有限元的渗流作用下岩石裂纹扩展研究

基于弹性力学和断裂力学的理论对裂纹的起裂准则、扩展长度进行了理论分析。使用扩展有限元方法建立裂纹岩体模型,针对单裂纹在渗流应力状态下的扩展规律进行了数值模拟,对渗流-应力耦合下的裂纹扩展规律进行了研究。     

岩石Ⅱ型裂纹扩展的一般规律

对大理岩Ⅱ型裂纹的扩展规律进行了实验研究，认为岩石Ⅱ型裂纹的扩展具有机理安全不同的Ⅰ型，Ⅰ－Ⅱ复合及Ⅱ型３种断裂形式，因而有３个不同的剪切断裂韧性Ｋ＾ＩＩＩｃ，Ｋ＾Ｉ－ＩＩＩＩｃ及Ｋ＾ＩＩＩｃ。在纯剪断裂条件下，Ｋ＾Ｉ－ＩＩｃ＝Ｋ＾Ｉ－ＩＩＩＩｃ＜ＫＩＣ，Ｋ＾ＩＩＩｃ＝３ＫＩｃ，由此认为剪切裂纹的扩展应有３个不同的判据。     

水中高压电脉冲荷载下页岩应力分布及预制裂纹扩展规律研究

为了研究水中高压电脉冲荷载作用下页岩应力分布和裂纹扩展长度、偏转角度的变化规律,采用应力叠加原理从理论角度探究了水中高压电脉冲作用下的页岩原生和诱导应力场分布规律,结合水中高压电脉冲致裂系统开展了三轴压力作用下的水中高压脉冲破岩及预制裂纹扩展试验,从宏观角度探究了不同预制裂纹长度（10、20 mm）和角度（60°、90°、120°）对裂纹扩展的影响规律;并利用数值模拟软件ABAQUS的扩展有限元模块（Extended Finite Element Method,XFEM）开展了水中高压脉冲破岩及预制裂纹扩展数值模拟计算,进一步从细观角度研究了不同预制裂纹长度和角度对裂纹扩展的影响规律。研究结果表明：在水中高压电脉冲荷载作用下,井筒周边易发生张拉破坏,裂纹在原生地应力场及诱导应力场的共同作用下易出现竞争、偏转等现象;预制裂纹间夹角越大、长度越长,则裂纹的总偏转角度越大、延展长度越长、缝间干扰作用越弱;预制裂纹尖端、裂纹偏转处应力集中现象明显,预制裂纹之间的应力场集中分布于夹角之间区域,并且随着预制裂纹夹角的增大,集中应力区域范围逐渐减小,应力值随之减小,裂纹扩展偏转角度逐渐减小,裂纹间相互干扰程度越来越小。     

冲击荷载下对称裂纹动态扩展规律研究

为研究冲击荷载下岩石等脆性材料中对称裂纹的断裂机理,利用数字激光动焦散试验系统,对含不同倾角对称初始裂纹有机玻璃板试件进行了冲击试验,研究了裂纹倾角对对称裂 纹 动 态 断 裂 力 学 行 为 的 影 响,并 利 用 有 限 元 程 序ABAQUS对试验进行了模拟.试验研究结果表明:裂纹扩展轨迹受试件中初始裂纹倾角的影响,初始裂纹倾角为６０°和９０°时,裂纹 扩 展 表 现 为 相 互 排 斥,初 始 裂 纹 倾 角 为 １２０°和１５０°时,裂纹在扩展过程中逐渐汇聚;Ⅰ型应力强度因子的变化规律受初始裂纹倾角的影响,裂纹起裂时刻的应力强度因子随初始裂纹倾角的增大而减小;初始裂纹倾角会影响裂纹尖端应变能累积和释放的快慢,当初始裂纹倾角为９０°时,起裂难度最小,裂尖应变能释放较为平缓;当初始裂纹倾角为锐角和钝角时,起裂难度加大,应变能释放都较为迅速.数值模拟研究表明:初始裂纹对称轴上的最大主应力与裂纹尖端到该点的距离呈负相关,模拟所得裂纹扩展路径与试验结果相符.     

裂纹在层状岩石中扩展特征的研究

为研究裂纹在层状岩石中的扩展特征,通过数字图像相关方法观测裂纹在层状岩石中的扩展过程,并通过数值模拟方法研究岩石强度对裂纹在层状岩石中扩展的影响。研究表明,裂纹在层状岩石的扩展过程中,载荷曲线具有双峰值特征,各峰值时刻分别对应于界面层两侧岩石的起裂时刻,峰值大小随岩石强度的增高而升高;界面层破裂及界面滑动,对裂纹扩展具有止裂作用,止裂效果随界面层不含裂纹一侧岩石强度的增高而提高;受界面层破裂和界面滑动的作用,裂尖沿界面层发生迁移,裂纹在层状岩石中的扩展呈非连续性扩展特征。     

拉伸载荷作用下裂纹扩展及应力强度因子计算

拉伸载荷是造成材料破坏的主要载荷形式。对于含初始裂纹的材料,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展路径对材料的破坏形式起着非常关键的作用。断裂力学认为不同形式的裂纹在不同的外力作用下其扩展的路径是有很大差别的,本文根据断裂力学的基本原理,利用数值流形方法对拉伸载荷作用下方形岩石试件中的中心及单边水平裂纹、中心及单边斜裂纹的裂纹扩展路径进行了模拟,并对裂纹扩展过程中的应力强度因子进行了计算,发现这些裂纹扩展都是非稳定扩展。最后还利用该方法对这四种模型的裂纹尖端应力强度因子进行了计算,结果表明裂纹尖端应力强度因子最大计算误差仅为6.8%,且斜裂纹的误差要稍大于水平裂纹的误差。     

空孔孔径对深部岩石爆破裂纹扩展影响规律的数值模拟研究

针对深部岩石炮孔与空孔间裂纹扩展方向性差的问题,以山西永宁煤矿10204切顶卸压沿空留巷为工程背景,运用LS-DYNA有限元动力模拟软件,研究空孔孔径对岩石应力分布、孔间爆生裂纹扩展及峰值有效应力的影响规律,并进行了现场验证。研究结果表明：随着空孔直径的增大,最大主应力值与范围增大,且最大主应力方向在整个炮孔连线方向不发生改变,使得孔间裂纹扩展更具有定向性;随着空孔孔径的增大,孔间裂纹扩展长度呈现出由快速增长趋于稳定的规律;侧压力系数小于1.0时,空孔直径的增大对孔间有效应力的影响较小;侧压力系数大于1.0时,空孔直径的增大可有效提高孔间峰值有效应力。     

填塞长度对单孔爆破轴向损伤分布影响研究

为研究在爆破过程中填塞长度对圆柱岩样爆破效果的影响,通过数值模拟方法建立了分区域圆柱岩样单孔装药的三维模型。通过改变填塞长度,对爆破过程中填塞物及圆柱岩样的损伤情况、位移变化和裂纹扩展进行了对比分析。结果表明：模拟结果与圆柱岩样实验室爆破裂纹扩展与损伤情况相一致,验证爆破模型可有效模拟岩石爆破过程。在填塞长度为炮孔长度的23.7%内,填塞长度的增加可显著抑制填塞物冲出炮孔程度,而超过此区间后,单位抑制效应微弱。填塞长度从炮孔长度的7.9%到39.5%,岩柱表面裂纹网络复杂程度逐渐降低,但裂隙宽度显著增加。在炸药引爆后岩柱中部区域的损伤值最高,在填塞长度为炮孔长度的23.7%时取得最高值为0.75。在岩柱上部区域,损伤随填塞长度呈现凹形变化,差值在0.0543;而五种填塞长度在岩柱中部区域的损伤差值最大,为0.0679;对岩柱下部区域的损伤影响较小,变动幅度为0.0099。填塞长度的合理选取为实现精确区域爆破和提高爆破效果提供了新的途径。     

不同抵抗线影响下层状岩体爆破的破岩规律

层状岩体是地下工程建设常见的地质构造,钻爆法施工在层状岩体中表现为爆破成型效果差、超欠挖现象严重、振动传播不均衡等问题。抵抗线是影响爆破效果的关键参数,本研究以最小抵抗线为控制指标,研究初始应力与节理角度等影响下的层状岩体爆破破岩规律。以Ⅲ级围岩为地质背景,采用分层浇筑的方法制备不同节理参数的混凝土试块作为层状岩体的模拟材料,进行了一系列不同爆破条件下的爆破试验,结合高速摄影机、动态信号分析系统以及智能五段爆速仪等设备监测了试验过程;利用LS-DYNA三维数值仿真模型,分析了地应力静载与爆炸动载耦合作用下层状岩体的损伤及应力波传规律。研究结果表明：节理对爆破应力波地传播有阻隔作用,改变了裂纹扩展的方向和形态,应力波传至节理面后大量能量发生反射现象,少量能量发生透射现象穿过节理面,爆破效果上表现为主裂纹首先沿节理弱面贯穿,垂直于节理方向迎爆侧的岩石裂纹发育优于背侧裂纹,迎爆侧岩石内的应变强度大于背爆侧;随着抵抗线在6～10 cm增大,层状岩体爆破产生的爆破粉碎区及裂隙区范围逐渐减小,但爆破空腔范围先增大后减小,抵抗线较小时爆炸能量主要以气体形式逸出造成能量浪费,较大时爆炸能量作用于岩石内部难以抛掷岩石,当抵抗线为H=8 cm时,爆破产生的破岩效果最好;节理面迎爆侧有效应力随最小抵抗线的增加呈现先增大后减小趋势,合速度呈现先减小后增大趋势,节理面背爆侧有效应力峰值和合速度峰值变化趋势平缓。研究成果有助于加深对地下工程中层状岩石爆破破岩机理的认识。     

单向静载下柱状药包爆破裂纹扩展规律及机制

将岩体内柱状药包爆破简化为平面应变问题,采用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算,研究单向静应力对爆破裂纹的影响规律及机制。结果表明:无静应力时,爆破裂纹区形状大致为圆形;而施加单向静应力后,裂纹区形状演化成椭圆形,椭圆的长轴方向与静应力方向相同,且随着静载荷增加,裂纹区长轴基本保持不变,短轴长度降低。这是由于随静载荷变化,沿着加载方向单元的最大主应变基本不变;而垂直加载方向单元的最大主应变随着静载荷增加而减小,从而导致该方向裂纹长度降低。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生\"翼形裂纹\",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。     

应力波透射煤岩结构面传播衰减数值分析方法

针对一维动态节理角度和轴向静载差异的煤岩结构面承载损伤下应力波透射问题,采用室内实验、理论分析和计算机仿真等方法,揭示了界面倾角与轴向静载对煤岩结构面透射应力波的作用机制,结合Barton-Bandis节理本构模型、UDEC离散元仿真与灰狼算法优化BP神经网络技术,对分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实验过程中应力波透射进行仿真和机器学习,在充分考虑各项参数的基础上进行了显著性正交试验和多因素方差分析,筛选出了主要影响因素并确定了修正方案,得到了煤岩结构面轴向静载与倾角差异下Barton-Bandis本构数值模拟参数修正的机器学习模型,极大地提升了煤岩结构面受冲击状态下变形行为与本构参数之间关联机制的计算效率。研究结果表明：基于BP人工神经网络技术的机器学习预测模型具有良好的适用性,可快速确定当前煤岩结构面倾角与轴向静载下模型参数,提供了一种基于数据驱动的煤岩结构面Barton-Bandis本构模型参数的高效修正方法,同时可以预测给定训练样本以外更大倾角与轴向静载范围下煤岩结构面数值模拟参数。     

不同切槽孔方向爆生裂纹扩展行为试验与分析

为研究炮孔不同切槽方向对爆生主裂纹动态扩展行为的影响,采用数字激光动态焦散线实验系统,研究了5种不同切槽方向时爆生裂纹扩展及相互影响规律。研究结果表明:1切槽方向夹角角度不同,爆生主裂纹的扩展轨迹有明显差异。2切槽方向夹角度数越大,则在爆生主裂纹扩展中期裂纹扩展速度越大。3切槽方向夹角为90°,135°,180°试件的爆生主裂纹尖端KdI会出现第2次峰值。     

节理岩体巷道的稳定性分析

由于节理、断层等不连续面的存在造成岩体变形的不连续性,并且这些不连续面对岩体变形、应力等力学行为造成重要影响。对已有的非连续变形分析程序进行了两点改进,分别在程序中加入了锚杆的塑性模拟和改进的SSOR-PCG方法,并且通过与试验数据的对比验证了改进程序的正确性。分析了某节理岩体巷道围岩的破坏过程,得到在原来支护方式的基础上在顶拱应力集中的位置增加3根锚索的支护方式对巷道的支护效果较好。最后通过对巷道关键点位移的监测优化了支护参数,得到锚杆长度为 3 m,施加预应力为120 kN为支护的最优方式。     

采空区下煤层开采覆岩破坏规律数值模拟

基于古书院矿煤层的实际地质资料,利用RFPA2D分析软件对采空区下15#煤层开采覆岩破坏进行了模拟,观察开采后15#煤层坚硬顶板的裂隙发育状况,研究采动覆岩中三带的发育高度,并对结果从采场上覆岩层移动破坏规律、15#煤层顶板位移及应力变化特征方面进行了分析。通过对15#煤层三带分布研究,编制矿井冒落带和导水裂隙带高度的等值线图,确定15#煤层的导水裂隙带最大发育高度,预测在15#煤层回采过程中,9#煤层采空区积水下渗的可能性。根据裂隙发育情况,结合顶板岩性,为15#煤建立抽放系统、治理瓦斯的论证提供依据。