考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r~(1/2)奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。     

T应力对岩石材料裂纹尖端起裂特性的影响

传统最大周向应力理论只考虑奇异应力项,而忽略非奇异应力项,这导致脆性材料在分析裂纹尖端起裂特性时,理论分析的结果与实验结果不能完全吻合。基于此,本文通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),建立了修正的裂纹尖端起裂准则,重新分析了裂纹尖端的起裂特性。研究结果表明:(1)当裂纹发生纯I型断裂,T应力超过临界点时,裂纹起裂角发生偏转,裂纹更容易起裂;(2)当裂纹发生纯II型断裂时,随着T应力的增加,裂纹起裂角增大,裂纹更容易起裂;(3)Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂特性有重要的影响,本文理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。     

基于最小应变能密度因子断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

建立了考虑裂纹尖端非奇异项T应力的最小应变能密度因子断裂准则,研究了不同裂纹类型条件下T应力和泊松比对起裂角的影响,结果表明裂纹起裂角不仅与奇异项应力强度因子有关,而且还需要考虑非奇异项T应力和泊松比的影响作用.同时计算了含井筒对称双裂纹水力压裂模型的起裂角和临界水压,表明依据本文断裂准则计算得到理论解与实验结果吻合良好.在此基础上,利用该准则从理论上分析了临界裂纹区尺寸、T应力、比奥系数、侧压系数、泊松比等因素对水力压裂裂纹起裂特性的影响.参数分析表明:临界裂纹区尺寸、T应力和侧压系数对临界水压和临界起裂角有显著影响.临界水压随着泊松比增大而减小,而临界起裂角呈现相反变化趋势.比奥系数对临界起裂角没有影响,但是在高水压条件下对起裂角具有显著影响.     

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。     

受压岩石断裂准则研究

首先建立双向压缩条件下形成单一闭合裂纹的力学模型,考虑摩擦力的影响,计算出裂纹面的正应力和剪应力。分别运用有效剪应力准则和最大周向应力准则计算裂纹的初始断裂角。运用有效剪应力准则得出的初始断裂角只与岩石的抗拉强度和抗压强度之比有关。运用最大周向应力准则得出的初始断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响。将两种理论分析的结果与实验结果进行对比分析得出:考虑摩擦力的最大周向应力准则更接近裂纹扩展的实际情况,建议工程中更多的采用该准则,而有效剪应力准则与实验结果不相符,有待完善。岩石闭合裂纹的扩展及断裂是一个复杂的过程,有待深入分析研究。     

基于最大周向拉应变断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

通过对裂纹尖端应力场Williams展开式中非奇异应力项(T应力)的考虑,建立基于最大拉应变准则的岩石裂纹水力压裂的开裂判据,推导临界水压和起裂倾角的计算式。以此为依据计算水压致裂中的临界水压和临界偏转角的变化规律,分析裂隙倾角、围压、临界裂纹区尺寸、T应力、泊松比等因素对其影响作用。研究结果表明:随着围压、临界裂纹区半径以及泊松比的增加,起裂临界水压增大,临界偏转角逐渐减小。T应力对水压驱动型裂纹的扩展影响较小,但对外荷载作用下的裂纹扩展特征却有显著的影响。通过与试验结果的对比,考虑T应力的计算结果更为合理。     

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。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

 通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力 及最大周向拉应变 判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。     

T应力对闭合裂纹断裂行为的理论和实验研究

研究受压情况下T应力对闭合裂纹断裂行为的影响。首先,根据裂纹表面的应力边界条件和Muskhelishvili基本理论得到裂纹尖端附近应力的理论解;其次,采用中心闭合裂纹砂岩试件进行单轴压缩试验,并将砂岩试件和PMMA试件起裂角的实验结果与理论值进行对比,验证该理论解的有效性。结果表明压缩荷载作用下,闭合裂纹尖端的应力应同时包含应力强度因子K的奇异项和3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy))的非奇异项;且引入3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy))的理论预测值能更好的吻合砂岩和PMMA试件的实验结果。通过理论分析可得:(1)忽略T应力将增大裂纹尖端的周向应力并减小起裂角;(2)考虑T应力影响时,包含3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy))的起裂角预测值介于只考虑T_x与考虑T_x和T_y两种情况下的理论值之间。因此闭合裂纹尖端存在3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy)),且这3个分量对闭合裂纹断裂行为有显著影响。     

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。     

A modified maximum tangential tensile stress criterion for three-dimensional crack propagation

The three-dimensional(3D) crack propagation is a hot issue in rock mechanics.To properly simulate 3D crack propagation,a modified maximum tangential tensile stress criterion is proposed.In this modified criterion,it is supposed that cracks propagate only at crack front in the principal normal plane.The tangential tensile stress at crack front in the principal normal plane in local coordinates is employed to determine crack propagation,which is calculated through coordinate transformation from global to local coordinates.New cracks will propagate when the maximum tangential tensile stress at crack front in the principal normal plane reaches the tensile strength of rock-like materials.Compared with the previous crack propagation criteria,the modified crack propagation criterion is helpful in calculating 3D crack stress intensity factor,and can overcome the limitations of propagation step determined by individual experiences in previous studies.Finally,the 3D crack propagation process is traced by element-free Galerkin method.The numerical results agree well with the experimental ones for a frozen resin sample with prefabricated 3D cracks.     

土坝裂缝开展的无单元法数值模拟

结合压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型和弥散裂缝理论,提出了点插值无单元法模拟土石坝坝体裂缝开展过程的数值计算方法。当压实黏土达到其抗拉强度后,在每个积分点建立各向异性刚度矩阵,并构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的无单元与有限元耦合的计算模式。开发的结点自动加密技术对坝体的拉应力区域进行自动结点加密,并根据可视准则确定无单元结点的影响域。以最小结点间距为开裂步长,通过对坝体裂缝离心模型试验的模拟计算,检验了脆性断裂模型和无单元算法对土体拉伸裂缝发展过程的适用性。     

低围压下脆性岩石单裂纹扩展与影响因素分析

为了探究低围压下脆性岩石单个裂纹扩展与影响因素,开展了混合片麻岩室内岩石力学基本实验,确定了Sheorey强度准则参数;利用岩石滑动裂纹模型和非局部线弹性理论,在综合分析裂纹尖端应力场包括非奇异应力项的基础上,建立了混合片麻岩单裂纹扩展USR判据。理论分析认为:脆性岩石单个裂纹扩展过程分为缓慢、中等和加速3个阶段,并且裂纹逐渐向最大竖向压力方向扩展;影响因素分析表明:(1) 随着裂纹摩擦系数和裂纹倾角增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(2) 当侧压力为拉应力时,竖向应力随着裂纹扩展而减小;当侧压力为压应力时,随着测压力系数增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(3) 随着初始裂纹长度增大,竖向应力随着裂纹扩展而减小。     

含预制裂隙黑色页岩裂纹扩展过程及宏观破坏模式巴西劈裂试验研究

为研究在层理和预制裂隙共同作用下黑色页岩的断裂特性及破断机制,对含预制裂隙的圆盘试件进行巴西劈裂试验,并利用高速照相机和声发射监测装置对试件的破坏过程进行监测。结果表明:预制裂隙会削弱试件的强度,随层理和预制裂隙角度的变化,试件的强度会表现出显著的差异性。层理角度和预制裂隙角度会影响试件起裂点的位置和裂纹尖端起裂角的大小,当预制裂隙角度较小时,试件的起裂点会偏离预制裂隙尖端,裂纹沿试件中部或层理面扩展;随预制裂隙角度增大,试件起裂点逐渐转移至预制裂隙尖端,裂纹由预制裂隙尖端向应力加载方向扩展,且层理角度对裂纹起裂角的影响随预制裂隙角度增大而逐渐减弱。根据试件的裂纹形态和形成机制,可将含预制裂纹试件的破坏模式划分为5种类型,其声发射计数的时间分布特征可以划分为2种类型。同时,结合数值模拟和理论分析结果可以看出,黑色页岩表现出一定的横观各向同性特征,其层理效应随层理角度增大而增强,随预制裂隙角度增大而减弱;且最大切向应力准则可以作为预制裂隙起裂的判据。     

Fracture mechanics analysis of cracked discs of anisotropic rock using the boundary element method

This paper is the second of a series of two papers dealing with the determination of the deformability, tensile strength and fracturing of anisotropic rocks by diametral compression (Brazilian test) of discs of rock. It is shown how a new formulation of the Boundary Element Method (BEM), proposed recently by the authors, can be used to determine the stress intensity factors (SIFs) and the fracture toughness of anisotropic rocks from the results of diametral compression tests on initially cracked discs. Crack initiation angles and propagation paths can also be predicted using a numerical procedure based on the BEM and maximum tensile stress criterion. Numerical examples of calculation of mixed mode SIFs are presented for both isotropic and anisotropic media. The calculated SIFs for the special isotropic case are found to be in good agreement with those reported by previous authors. Diametral loading tests were conducted on Cracked Straight Through Brazilian Disc (CSTBD) specimens of a shale in order to evaluate its fracture toughness, the angle of crack initiation and the path of crack propagation. It was found that the numerical simulations of crack initiation and propagation in the CSTBD specimens of the shale were in good agreement with the experimental observations.