层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

预制裂隙类岩石材料的分步卸载试验研究

采用聚乳酸(PLA)树脂材料预先充填开挖卸载区域、预埋云母片的方法制作类岩石裂隙试件,利用聚乳酸的热熔特性进行了分步开挖卸载试验研究。结合微裂纹扩展过程、发育形态、破坏面受力特征以及卸载破坏的应力应变关系,分析了预制裂隙在分步卸载下的起裂、扩展及贯通破坏机制。研究结果表明,靠近开挖断面的预制裂隙尖端最初起裂有拉伸裂纹和剪切裂纹,且极易与开挖断面贯通,而远离开挖断面的尖端最初起裂均为拉伸型翼裂纹。法向应力较低时,裂纹扩展所需的卸载步较多,更易引起裂隙尖端拉伸裂纹的扩展;法向应力较高时,裂纹扩展所需的卸载步较少,更易引起剪切裂纹的萌生与扩展。翼裂纹拉伸贯通与次生倾斜裂纹拉剪复合贯通的速率较慢,表现出明显的塑性屈服特性,而次生共面裂纹的剪切贯通速率较快。     

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。     

不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验

 采用数字激光动态焦散线系统,研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。结果表明,切缝药包爆破主裂纹以I型拉伸断裂模式为主,爆破主裂纹难以穿过邻近炮孔的预制裂缝继续扩展;分支裂纹是预制裂缝尖端在爆破应力波衍射拉伸形成应力集中而萌生、起裂,相向分支裂纹分别扩展,最终呈“牵手状”贯通、止裂,分支裂纹贯通后扩展速度及动态应力强度因子急剧降低。对比不同药量模型试验结果发现,小药量炮孔相比大药量炮孔的爆破主裂纹、分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子均较小,分支裂纹起裂时间较迟,且稳定扩展时间、扩展长度也较短,延长了分支裂纹贯通时间。相同药量两炮孔爆破主裂纹及分支裂纹断裂力学特征量近似相等,单炮孔的分支裂纹不贯通。试验研究为分析爆破裂纹扩展物理过程提供了参考。     

基于3D-ILC单轴拉伸双平行内裂纹扩展规律研究

多裂纹相互作用是断裂力学研究的重要内容,但是针对单轴拉伸下的三维多内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC技术,在完整立方体试件中生成三维双平行内裂纹,对不同错距d开展单轴拉伸试验,分析了断裂过程、应力云纹、起裂与破坏荷载及断口特征,基于M积分和MTS准则开展裂纹扩展路径及相互作用模拟。结果表明：①内裂纹错距为2 mm时相互“吸引”,错距为6与10 mm先相互“吸引”后“排斥”;②三维双内裂纹单轴拉伸下具有“合并分界”、“漏斗状”特征等断裂形态,其中裂纹中心侧发生I-II型复合断裂,外侧发生纯I型断裂;③初始应力云纹在预制裂纹尖端呈现“花瓣状”,裂纹相互“吸引”过程中应力云纹在中心侧裂纹尖端呈现“括弧状”;④试样强度与裂纹间错距成正比,错距为2,6,10 mm抗拉强度相对完整试样下降百分比分别为63.39%,50.79%,41.09%。起裂荷载与最终破坏荷载的比值分别为12.92%,15.16%,13.57%;⑤基于M积分,得出内裂纹I、II型应力强度因子分布规律,基于MTS裂纹扩展判据,实现三维双内纹的相互作用扩展全过程数值模拟,与试验一致。研究结果为三维双平行内裂纹相互作用研究提供试验与理论基础。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而，到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此，对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明，页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致，因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力，与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的，这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外，对微裂纹长度的统计分析表明，页岩在断裂韧性方面表现出各向异性，并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

基于3D-ILC三点弯脆性固体内裂纹扩展规律及破坏特征研究

岩石内裂纹扩展问题是岩土工程学科的重要问题之一。基于3D-ILC技术,选用理想脆性材料,在对试样表面无影响的前提下,生成任意参数的真实内裂纹,进行含内裂纹试样三点弯试验,并与完整试样进行对比。开展试样破坏过程、特征荷载、破坏形态、断口特征、动态分叉、应力云纹分析,通过数值模拟得到裂纹尖端K分布规律及扩展路径,与试验对比。结果表明:(1)内裂纹的存在极大的降低试样的起裂与破坏荷载;(2)应力双折射技术可与3D-ILC联合应用进行内裂纹应力信息监测,内裂纹尖端呈现"花瓣"状应力云纹;(3)三点弯下空白试样发生动态断裂,断口呈现雾化、羽毛区特征,由动态裂纹分叉引起。含裂纹试样,从内裂纹下尖端到上尖端逐渐起裂,呈现水滴状,为纯I型破坏,断口呈现交汇Wallner线特征;(4)基于M积分的裂纹尖端K分布与试验起裂规律一致;基于MTS的内裂纹扩展路径模拟与试验一致。3D-ILC相对于目前透明类岩石研究中主流方法,在脆性度、裂纹真实性、应力场可视化、断口特征等方面具备一定进步性,试验与数值模拟成果将为岩石等脆性材料的三维断裂、内裂纹扩展等问题的研究,提供试验和理论参考。     

冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验

采用数字激光动态焦散线试验系统,利用落锤冲击含预制裂纹(倾斜角度分别为0°,30°,45°)的缺陷介质,研究裂纹扩展的动态行为.结果表明:冲击荷载下,裂纹会于预制裂纹一端起裂,扩展至整个试件,且扩展路径指向重锤落点;主裂纹尖端的动态应力强度因子振荡增大又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂;次裂纹起裂前,KId振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小;主裂纹起裂后,速度迅速减小;次裂纹扩展速度先增大后振荡减小,与KId的变化趋势保持一致;含缺陷的冲击断裂试验中,主裂纹起裂时间较晚.     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

裂缝干扰下页岩储层压裂形成复杂裂缝可行性

 为认清页岩储层先压开裂缝应力干扰对后续压裂形成复杂裂缝的影响规律,指导页岩储层压裂优化设计,以均质、各向同性的二维平面人工裂缝模型为基础,利用位移不连续理论,推导建立非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,结合页岩储层复杂裂缝形成的地应力条件,判断不同射孔方式、裂缝参数和原始主应力条件下压裂形成复杂裂缝的可行性。结果表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式应力干扰更强,更利于页岩储层形成复杂裂缝;压开裂缝的长度越长、净压力越大,裂缝诱导应力干扰越强,后续压裂形成复杂缝的可行性越大;距离先压裂缝,存在最利于后续裂缝形成复杂裂缝的位置;原始最大、最小水平主应力差太大的页岩储层利用裂缝应力干扰也达不到有效形成复杂裂缝的地应力条件,不宜将压裂形成复杂裂缝作为储层改造的主要目的。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

注液方式对深层页岩裂缝形态影响实验研究

开发深层页岩需要通过对储层进行水力压裂,而注液方式会对压裂效果产生很大的影响。采用真三轴水力压裂实验系统,研究不同的注液方式对深层页岩的裂缝形态的影响规律。实验结果表明:高地应力差下水力裂缝会沿着垂直于最小地应力方向起裂并扩展成横切缝,遇层理或天然裂缝会沟通并形成分支缝;采用先小排量后提升至大排量的注液方式可以开启更多的裂缝;先注入高粘度的压裂液制造主缝,然后替换为低粘度压裂液开启分支缝,形成主缝+分支缝的裂缝形态,有利于提升储层SRV。本实验研究结果可以为深层页岩压裂设计提供参考。     

Mesoscale fracture behavior of Longmaxi outcrop shale with different bedding angles:Experimental and numerical investigations

The mechanical properties and fracturing mechanism of shale containing beddings are critically important in shale gas exploitation and wellbore stability.To investigate the effects of shale bedding on crack behavior and fracturing mechanism,scanning electron microscope(SEM)with a loading system was employed to carry out three-point bending tests on Longmaxi outcrop shale.The crack initiation and propagation of Longmaxi shale were observed and recorded by taking photos during loading.The cracking paths were extracted to calculate the crack length through a MATLAB program.The peak load,fracture toughness and fracture energy all increase with the bedding angle from 0°to 90°.The crack length and energy were also found to increase with the bedding angle in the range of 0°-600 and then drop slightly.The fracturing mechanism of shale includes the main crack affected by the bedding angle and disturbed by randomly distributed particles.The main cracking path was accompanied by several microcrack branches which could form an interconnected crack system.When the main crack encounters larger sedimentary particles,it will deflect around the particles and then restore to the initial direction.A numerical technique using extended finite element method(XFEM)coupled with anisotropic cohesive damage criteria was developed,which is able to capture the dependence of crack propagations on bedding angle and sedimentary particles.This study sheds light on understanding and predicting mesoscale fracture behavior of shale with different bedding angles.     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

初始静态压应力场中爆生裂纹的扩展行为

深部岩体爆破致裂是初始静态应力场和爆炸动态载荷双重叠加作用结果,爆生裂纹的扩展路径、行为特征等受初始静态应力场的影响。采用数字激光焦散线试验系统,进行了静态竖向载荷分别为0,2,4 MPa 3种不同初始压应力作用下的倾斜爆生裂纹扩展规律试验,对比分析了裂纹的运动学和力学行为。试验结果表明:随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的扩展方向逐渐向主应力方向偏转,且爆生主裂纹的扩展总时间逐渐减小,试件的Ⅱ型破坏愈加显著;随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的最大偏转角度也明显随之增大,初始压应力p是爆生主裂纹产生垂直预制裂纹方向速度的动因。研究结果揭示了爆生裂纹扩展行为与初始静态应力场的关系,丰富了深部岩体爆破破坏理论。     

基于MLS的数值流形法模拟多裂纹扩展

 含多裂纹的脆性材料在伺服加载下的响应分析对结构进行性能评估具有重要意义。得益于数学覆盖和物理覆盖这两套覆盖系统,数值流形法能够很自然地模拟多裂纹的萌生与扩展。为了更好地模拟二维裂纹的交叉、汇合,采用基于移动最小二乘插值(MLS)的数值流形法(NMM)进行模拟,并对包含裂尖的物理片进行自由度扩充来模拟裂尖的奇异性,裂纹扩展中裂尖可以停留在背景网格的内部。针对多裂纹扩展中的一些数值问题,给出了相应的解决方案,并提出一个简单、能近似满足断裂韧度的多裂纹扩展算法。对几个典型多裂纹算例进行了裂纹扩展分析,结果表明所提算法是有效且鲁棒的。