基于GDEM的交叉节理岩体破坏数值模拟研究

交叉节理是广泛存在于岩土工程中的一种不连续体,其受荷后裂隙扩展对岩土工程的安全性具有重大影响。该文对不同工况下的交叉节理试件在单轴压缩试验的断裂过程进行了模拟研究,分析了交叉节理岩体的破坏模式、裂纹扩展速率、峰值强度随节理角度的变化规律。研究结果表明：岩体起裂位置主要发生在主节理或次节理尖端,裂纹扩展方向与加压方向平行。当次节理为β=30°、β=60°时,主节理倾角改变对岩体的峰值强度影响规律相近,次节理为30°的试件达到峰值前的变化相近,达到峰值后表现出不同的软化特征。研究结果对深入认识交叉节理岩体破坏模式有一定意义。     

含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

基于两种破裂判据的裂隙岩体单轴压缩起裂分析

该文引入Rankine最大拉应力准则和Mohr-coulomb剪切破坏准则分别作为岩石基质的拉伸和压剪破裂判据,分析了单轴压缩下裂隙岩体的起裂机制。根据含单个椭圆裂隙的无限域岩体在单轴压缩下的应力理论解,编制了Matlab程序,计算分析了不同短轴与长轴比k和倾角α(加载轴与裂隙长轴间的夹角)下的岩石基质应力集中系数、两种不同起裂机制的破裂函数值、开裂位置和开裂临界荷载。对多裂隙岩体,采用ABAQUS有限元软件进行了应力计算和起裂机制分析。计算结果表明:1)与单裂隙岩体相比,多裂隙岩体的岩石基质应力集中系数略大、起裂临界荷载略小,但起裂位置相同;2)随着裂隙倾角α的增大,岩石基质的主拉应力集中区由裂隙端部附近很小的区域逐渐变为裂隙中部的大面积区域,而主压应力集中区则反之;3)存在临界裂隙倾角α0,其值在45°附近。当裂隙倾角0<α≤α0时,在裂隙端部同时有拉应力和压剪应力集中,拉破裂临界荷载小于压剪破裂临界荷载,但随着裂隙轴比的增大二者逐渐相等,表明岩体受拉破裂和压剪破裂共同影响越来越明显;当α0<α≤90°时,尽管拉破裂临界荷载大于压剪破裂临界荷载,但首先发生在裂隙端部的压剪破裂区范围很小,而随后将在裂隙中部或端部发生大量的拉伸破裂。上述分析结果与实验现象较为吻合。     

混凝土直切槽平台巴西圆盘冲击劈裂拉伸断裂特性试验和数值模拟研究

采用变截面霍普金森压杆(SHPB),对高速冲击荷载下混凝土的断裂特性和裂纹演化进程进行了研究。对含复合型裂纹直切槽平台巴西圆盘(CSTFBD)进行劈裂拉伸试验,并结合理论研究了不同水灰比、不同应变率、不同预设裂纹长度和倾角对裂纹分布及断裂韧性的影响;采用扩展有限单元法(XFEM)模拟了具有不同预设裂纹倾角试件的开裂进程,得出开裂过程中试件内部的应力分布情况。结果表明,复合断裂韧性比对预制裂纹倾角的变化敏感,与裂纹长度和倾角呈负相关,而与应变率无关;次生裂纹的开裂并非发生在预设裂尖处,且裂纹倾角越大,裂尖应力集中越小、主裂纹发展越缓慢。     

含倾斜裂纹三点弯动态断裂试验研究

为研究冲击荷载下巷道围岩不同角度径向裂纹的破坏机制,采用落锤冲击加载平台和数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃为试验材料,设计冲击荷载下半圆孔上不同角度裂纹的三点弯动态断裂试验,记录预制裂纹的角度α的改变对裂纹动态力学行为的影响,通过分析动态应力强度因子和裂纹扩展轨迹的分形维数对实验现象进行归纳总结。研究发现:①预制裂纹角度对裂纹尖端应变能的积累和释放的快慢有较大影响,随着角度的增大,起裂时间变短,起裂更容易,裂纹尖端应变能积累的更快;②裂纹尖端应变能释放的快慢在α=45°两侧表现出不同的规律;③不同角度裂纹的Ⅰ型动态应力强度因子随时间的变化规律具有相似性,但最大值却具有差异性;④不同角度裂纹的扩展轨迹满足一定的分形规律。     

动载下含预制裂纹砂岩的力学特性及破裂过程研究EI北大核心CSCD

深入研究缺陷岩石的动力特性对保障深部煤矿巷道等地下硐室在掘进爆破、老顶来压等强扰动作用下的长效稳定具有重要意义。该研究基于天然裂纹长度的幂律分布假设,利用颗粒流软件建立了分离式霍普金森压杆试验系统以及含不同数量分布裂纹的砂岩试件模型,研究了在冲击荷载作用下预制分布裂纹数量对砂岩试件强度、破坏等力学特性的影响。结果显示:(1)随预制裂纹数量(number of prefabricated cracks, NPC)的增加,砂岩试件强度近似呈线性减小趋势,而弹性模量降低规律更接近三次方程,并且随着NPC的增加,试件强度、弹性模量的离散性逐渐增大,试件峰后应力的降低过程也更为复杂;(2)随着NPC的增加,试件的AE事件曲线由单峰值、高极值向多峰值、低极值转变;(3)在冲击荷载作用下,试件中新生裂纹沿应力波传播方向渐进分布,由散斑形式逐渐连通扩展为片层状,并且随着NPC的增加,试件的破坏模式由四周破坏形式转变为自左至右的渐弱破坏形式;(4)试件主要沿应力波传播方向发生破裂,并且NPC越少,倾角沿应力波传播方向的新生裂纹占比越大。     

冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验

采用动态光弹性实验方法,对简支深梁进行冲击实验,研究其冲击动态断裂行为。实验得到了冲击断裂过程中深梁的等差条纹变化图片,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。研究结果表明:由于应力波的作用,在试件开裂前,预制裂纹尖端应力强度因子KdI始终呈波动上升的趋势,最大值为1.995MPa·m~(1/2);试件起裂后,裂尖动态应力强度因子KdI先迅速下降,然后保持在1.222~1.677 MPa·m~(1/2)内震荡,平均值为1.458 MPa·m~(1/2);裂纹起裂后,扩展速度先迅速增大,后保持在310~380 m/s,动态裂纹基本呈匀速扩展,平均扩展速度为345.703 m/s。     

空孔-裂纹偏置方式对PMMA冲击断裂动态行为的影响

为研究空孔-裂纹偏置方式对材料冲击断裂行为的影响,以有机玻璃(PMMA)为实验材料,采用动态焦散线实验方法开展了冲击加载的三点弯实验研究。结果表明:在冲击载荷作用下,空孔与预制裂纹相对偏置位置影响裂纹的起裂方向以及裂纹与空孔的贯通。预制裂纹偏置情况下,裂纹起裂时KdⅡ0,起裂方向指向空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是吸引,裂纹扩展路径呈抛物线型,并与空孔贯通,在空孔上端裂纹会再次起裂。空孔偏置条件下,裂纹起裂时KdⅡ 0,起裂方向背离空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是先排斥后吸引再排斥,裂纹扩展路径呈S型,裂纹未与空孔贯通。当运动裂纹与空孔贯通后,裂纹发生止裂,从时间尺度上延迟了试件的破坏,但当裂纹由空孔上边界处二次起裂后,裂纹扩展速度、动态应力强度因子均相应提高,进而会加剧试件的破坏。     

冲击荷载作用下非贯通节理岩体细观破坏模式研究

地应力作用下节理岩体的动态力学特性及对应力波传播规律的影响对深部地下工程的稳定性有着重要影响,采用颗粒流离散元软件(PFC2D)建立了含非贯通节理岩体的冲击作用数值模型,并通过与室内试验的对比验证了模型的有效性.通过对不同节理倾角、节理长度非贯通节理岩体的冲击压缩仿真试验,分析了岩体的变形特征、破坏模式及应力波传播规律.结果表明:随节理倾角从15°增加至75°,岩石强度呈现先减小后增大的近"V"字型变化规律,节理试件始终处于拉伸主导作用下,并在45°倾角时拉伸作用最为明显;随着节理长度的增大,岩体的初始损伤增大,动态抗压强度减小.15～25 mm"短"节理试件的贯通破坏由反翼裂纹主导,而30～35 mm"长"节理试件是在反翼裂纹和共面裂纹共同作用下断裂破坏.     

相互贯通裂纹动态断裂的试验研究

为了研究动荷载作用下裂纹角度对相互贯通裂纹动态断裂特性的影响,采用动焦散试验系统进行了含预制裂纹的三点弯冲击试验。试验结果表明:两分支裂纹相互贯通,在动荷载作用下翼裂纹只会从与竖直方向夹角较小的分支裂纹尖端起裂扩展,当有一支分支裂纹起裂后,另一分支裂纹动态应力强度因子快速下降,试件内应变能重新分布;起裂的翼裂纹首先沿准竖直方向扩展,当扩展到试件约2/3高度后,翼裂纹扩展速度下降,扩展轨迹弯曲程度加大,I-II复合型断裂明显;分支裂纹起裂瞬间的KdI和KdII随着该裂纹与竖直方向夹角θ的增加而增大,其扩展的平均速度随着夹角θ的增加而减小。     

低渗煤层预裂爆破裂纹扩展规律数值模拟研究

针对低透气性煤层实施深孔预裂爆破过程中爆炸应力波和爆生气体作用下裂纹扩展范围和规律现场难以测量的问题,采用理论和数值模拟相结合的方法,对低渗透煤层进行单孔和双孔预裂爆破数值模拟,得到了不同爆破参数下应力、压力和单位质量塑性功等物理量动态变化规律和裂纹扩展范围,分析了深孔预裂爆破裂纹扩展规律和煤体在高温高压爆生气体及应力波作用下破坏区域的演化规律。炸药在煤体内爆炸的瞬间,产生的压力远大于煤体所能承受的动态抗压强度,煤体被破坏形成爆破空腔,当爆炸冲击波在孔壁上产生初始径向裂隙后,爆生气体楔入裂隙中使其继续扩展,在煤体内形成粉碎区、裂隙区、震动区,揭示了煤层在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。     

含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

不同加载条件下含预制单裂隙岩石强度和变形特性研究

为揭示不同加载条件下含预制单裂隙岩石强度和变形特性,配制相似材料,分别预制裂隙倾角α为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°,设置侧压为0,5,10 MPa,在常规压缩、循环加卸载条件下开展试验。试验结果表明:循环加卸载对岩样有弱化作用,其峰值强度小于同条件下常规加载的岩样。试验中一共观察到9种贯通模式。常规加载时,当α≥45°时,贯通模式以张性贯通为主;当α<15°时,贯通模式以剪性贯通为主;当α为15°、30°时,贯通模式以张剪性贯通为主。循环加卸载时,更容易发生剪性贯通。岩样变形过程中,由PIV粒子成像测速系统导出的流场可知,产生裂纹的区域位移方向线都发生显著变化,但并非所有位移发生变化的区域都会形成裂纹,只有当位移矢量差达到一定值时裂纹才会产生。     

爆破荷载对边坡岩体共线含水裂隙扩展的扰动机制

边坡岩体含水裂隙在爆破开挖扰动下的扩展贯通是引发边坡滑坡的主要因素之一，也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度出发分析了爆破荷载对边坡岩体含水共线双裂隙的扩展扰动机制。结果表明：爆破荷载作用下边坡岩体含水共线双裂隙的扩展与爆破应力波的幅值、裂隙水压、静态地应力大小、裂隙间距、裂隙长度和裂隙角等因素有关，边坡岩体裂隙系统之间的扩展与贯通由这些因素共同决定；给出了广义临界扰动荷载Q和混合应力强度因子K^A_Ⅱ(D)的表达式。爆炸应力波的作用实际上是增大了裂隙中的裂隙水压力。爆破开挖作用导致岩体侧压力系数m变化，会引起裂隙水压的改变，对裂隙的扩展的影响较为复杂；裂隙内端的II型混合应力强度因子K^A_Ⅱ(D)和广义临界扰动荷载的Q随爆破载荷幅值的增加而增加。K^A_Ⅱ(D)随着裂纹倾角的增加先增加后减小，在45°裂隙最容易出现起裂扩展。K^A_Ⅱ(D)随着裂隙长度的增加而增加，K^A_Ⅱ(D)...     

爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

为探究邻近巷道裂纹缺陷受爆炸荷载作用的扩展机理,采用透射式动态焦散线实验系统进行模拟实验。结果表明,对迎爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道左壁相对距离10 mm时,裂纹右尖端扩展因巷道的存在使预制裂纹导向作用更显著,引导爆生主裂纹与预制裂纹左尖端贯穿,衍射后作用于右尖端反射拉伸引起;对背爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道右壁相对距离4 mm时,裂纹扩展源于薄弱的巷道临空面将绕射的应力波能传递并导向裂纹缺陷,裂纹受拉扩展贯穿。巷道存在会增加其围岩裂纹缺陷处动应力集中,在爆炸应力波作用下会诱发裂纹扩展。     

基于断裂力学的裂隙岩体强度分析初探

基于断裂力学讨论裂隙岩体的强度一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题。通过分析单个线性裂纹在压缩载荷作用下的剪切断裂条件,明确了压缩状态下张破裂剪切断裂韧性的物理意义及求解办法。使用复变函数和边界配置法求解了裂尖应力强度因子无量纲系数,进而对张破裂压剪准则进行了改进,使之更加便捷地进行有限裂纹体断裂的预测。基于修正的压剪判据推导了裂隙岩体试件的抗压强度求解公式,算例表明该文方法所建立的强度公式是准确、可靠的。最后,详细讨论了摩擦系数、裂隙倾角、裂隙长度、黏聚力以及围压对裂隙岩体试件抗压强度的影响机理。     

束状炮孔爆破倾斜张开节理的动态断裂特性研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值模拟,对束状炮孔柱部区域和端部区域节理处裂纹的动态断裂特性进行了研究。结果表明,在炮孔柱部区域,初始爆炸应力波在张开节理处产生透射波与绕射波并与其相互叠加,节理端部产生拉剪应力集中形成翼裂纹,垂直于节理面起裂扩展。且节理近端翼裂纹扩展速度、扩展长度和裂纹尖端应力强度因子较节理远端处翼裂纹的相应值大。而次生裂纹是爆炸应力波在试件边界处产生的反射拉伸波与倾斜张开节理相互作用起裂的,并沿水平方向扩展。远端次生裂纹的起裂韧度约为翼裂纹的0.5倍,且由于反射波较弱,次生裂纹的扩展长度远小于翼裂纹。炮孔端部区域翼裂纹和次生裂纹是在倾斜张开节理处的反射拉伸波和绕射波与倾斜张开节理的相互作用下先后起裂的,翼裂纹偏向炮孔方向起裂,并向相反方向扩展,而次生裂纹近似沿着爆炸应力波的传播方向扩展。     

共面双裂隙类岩石材料抗拉强度试验研究

研究裂隙充填下岩石的力学特性对确保裂隙岩体的稳定性具有重要意义。该文首先配制了不同裂隙倾角下充填与非充填共面双裂隙巴西圆盘类岩石试样,然后在DNS 300岩石伺服机上进行巴西劈裂试验。基于试验结果,分析了裂隙倾角及裂隙充填与否对试样抗拉强度的影响,并结合其声发射特征和数字散斑系统对试样的裂纹扩展过程进行分析。结果表明:相比非充填试样,裂隙充填一定程度上增加了试样的完整性,使其抗拉强度有所增加;无论试样裂隙充填与否,其抗拉强度都受裂隙倾角的影响,随着裂隙倾角的增加,充填与非充填试样的抗拉强度逐渐呈现下降趋势;裂隙倾角在15°以内和为90°时,裂隙充填与否对试样的破裂模式基本没有影响;而裂隙倾角介于30°和75°之间时对其破裂模式影响较大,且随着裂隙倾角的增加,在形态上充填与非充填试样的破裂模式都由拉张裂纹向翼裂纹转变。