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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

冲击荷载下石灰岩裂纹扩展规律研究

为研究含裂纹岩石在循环冲击下的裂纹扩展规律,以 三友矿山边坡石灰石为研究对象,基于分离式霍普金森杆 (SHPB)的基本原理,利用连续 非连续的数值模拟方法,引 入线弹性单元模型,通过在轴向施加正弦波的加载方式,对 石灰岩内裂纹扩展情况进行数值模拟,研究了冲击载荷作用 下,预制裂纹角度为０°、３０°、６０°、９０°的石灰岩的裂纹扩展规 律及力学性能变化等.研究结果表明:岩石起裂位置均在原 有裂纹尖端;随着裂纹角度的增加,岩石破坏的峰值强度和 产生破坏的时间呈先减少后增加的趋势;当裂纹数量增加 时,裂纹的起裂位置不变,向两端扩展的速度加快,岩石破裂 的峰值应力减小,岩石的破坏时间缩短.研究结果对动载荷 引起的含损伤岩石的边坡稳定性分析具有重要意义.     

压应力作用不同裂纹分布下岩石破坏过程的数值模拟

应用岩石破裂失稳软件RFPA2D对压应力作用下裂纹岩石破坏进行数值模拟研究,针对裂纹的不同分布及裂纹对岩石试件破裂过程的影响,得出了不同裂纹分布的岩石破坏过程不同,裂纹离岩石试件边界越近,岩石越容易破裂且水平裂纹比竖直裂纹对岩石强度影响大;另外裂纹的走向对岩石试件影响也不同,裂纹走向为45°时,岩石强度最低,裂纹走向为90°时,岩石强度最大,裂纹走向为0°时,岩石强度居于中间。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。     

Analysis of the mechanic characteristics of the damage propagation of rock under triaxial stress condition

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｏｃｋｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｖｅｒｙａｃｔｉｖｅａｎｄｈａｓｌｅｄｔｏｒｅｍａｒｋａｂｌｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｓｉｎｃｅｄａｍａｇｅｔｈｅｏｒｙｉｓａｐ ｐｌｉｅｄｔｏｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｒｏｍｔｈｅｅｉｇｈｔｉｅｓ.Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｉｅｓａｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｒｏｃｋｉｎｉｔｉａｌｄａｍａｇｅ .Ｈｏｗ ｅｖｅｒ,ｗｅｈａｖｅｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄａｍａｇｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋ ,ｅｓｐｅｃｉａｌｌ…     

考虑闭合效应下基于曲线扩展路径的劈裂模型研究

深部围岩常常产生较深的劈裂破坏区。针对这一现象,引入表征体积单元,考虑原生裂隙的闭合效应,采用双曲线模拟翼裂纹扩展路径,建立了基于曲线扩展路径的劈裂破坏模型。从微观角度出发,运用应力强度因子、最大周向拉应变理论推导了劈裂裂缝扩展演化方程,提出了劈裂破坏的预测新方法。采用FISH语言,将方程内嵌入FLAC软件中,使新方法程序化。新模型与Lajtai经验公式计算结果具有很好的一致性。与旧模型相比,新模型计算结果具有更高的精度,最大相对误差减小量为25.5%。     

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。     

双孔洞式双裂隙类岩石力学特性及裂纹扩展分析

为了研究单轴压缩下含有双孔洞和双裂隙缺陷岩石的力学响应,通过完整类岩石室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC~(2D)模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数及破坏形态的对比分析,最终选取一组合理的细观参数,对双孔洞、双裂隙和双孔洞式双裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究表明:双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性,双孔洞缺陷的弱化效应大于双裂隙,随裂隙的倾角增大,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,且双孔洞和双裂隙对岩石产生的共同弱化效应小于叠加弱化效应;当裂隙的倾角较小时,试样的初始裂纹萌生于裂隙尖端和孔洞与裂隙的岩桥,孔洞与裂隙较容易贯通,随倾角增大,孔洞的上下部开始萌生初始裂纹,且当倾角为90°时,初始裂纹仅萌生于孔洞的上下部,孔洞与裂隙不贯通;双孔洞式双裂隙试样的破坏模式主要为拉伸破坏,且拉伸破坏主要发生在孔洞的上下部、外侧和裂隙的尖端,剪切破坏主要在孔洞与裂隙的岩桥产生。     

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟.结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75...     

A criterion for crack initiation and propagation in intact rocks under creep condition

This paper presents a study on the criterion of crack initiation and propagation under creep conditions, which were investigated using specimens collected from outcropped sandstone rock formations. Beam specimens under three points bending were used in this investigation. The experimental result shows that due to creep deformation, rock crack will inevitably initiate and propagate after a time interval of sustained loading under a load of K1, which is less than fracture toughness KIC but not less than a constant marked as KIC2. KIC2 indicates the ability of rock to resist crack initiation and propagation under creep conditions and it is defined as creep fracture toughness.     

应力波在节理岩体中的传播特性探析

考虑岩石节理非线性法向特征,时域范围内理论分析了应力波在两个平行节理岩体中的传播规律。通过建立波在节理岩体中传播的数值差分模型,时域范围内推导并获得了纵波P波和横波S波垂直入射节理岩体的动力传播方程。可以同时考虑节理的非线性特征和节理间多次透反射的影响,并可求得任意时刻透射波和反射波的数值解。进一步通过参数研究分析了不同因素对应力波传播规律的影响规律,包括节理初始法向刚度、节理非线性系数、入射波频率和节理间间距等。研究表明：由于节理非线性因素以及节理间多次透反射的影响,波在多个岩体节理中的透射系数并非是波在单个节理中透射系数的简单叠乘。     

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。     

法向应力对岩石剪切裂纹演化与贯通机理的影响

利用自主研发的煤岩剪切细观试验装置,以砂岩为研究对象,开展了不同法向应力条件下的岩石剪切细观开裂演化与贯通机理试验研究,分析了砂岩剪切细观开裂演化过程及细观贯通机理,探讨了法向应力对细观开裂和细观裂纹形态特征的影响。研究结果表明:随着法向应力的增加,峰后残余强度呈增加趋势,试件表面起裂裂纹的长度在减小,施加法向应力后裂纹开裂时间均发生在峰前阶段;中部裂纹形成和贯通过程中出现的岩桥,在摩擦滑移的过程中发生不断的偏转,导致脱落,形成局部剥离;端部贯通裂纹形成后,由于法向应力的限制及端部应力集中,出现端部次级裂纹,并与原有的贯通裂纹连通,形成分叉,引起端部局部剥离;法向应力的作用,使得贯通裂纹周边颗粒间产生许多微裂纹,加剧了剪切裂纹左右侧壁的损伤范围;随着法向应力的增大,砂岩剪切过程中出现的宏观间断裂纹的数目呈逐渐增加规律,间断裂纹的长度呈减小趋势,次级裂纹数目和裂纹发育带范围均呈增加趋势。