层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明:层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅与层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ=0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ=30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ=45o试样主要沿层理面张拉破坏,θ=60o^90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ=45o^90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ=45o试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。

层理角度对砂岩力学特性及断裂破坏规律影响研究

为探究不同层理角度下砂岩的力学特性以及裂纹扩展规律,对五种层理角度砂岩试样进行抗压强度和抗拉强度测试,并采用半圆盘试样进行Ⅰ型断裂韧度测试,获得其破坏荷载,借助有限元分析软件计算其断裂韧度,研究层理角度对砂岩力学特性的影响。研究表明:层理角度对砂岩抗压强度、弹性模量以及抗拉强度的影响非常显著,且随着层理角度的增加,其断裂韧度呈逐渐减小的趋势。裂纹的扩展路径分析结果表明,层理角度为0°和30°的试件破坏状态受层理面影响较小;当层理角度大于45°时,试样破坏主要受层理角度影响,其破坏路径沿层理角度方向扩展。研究结果为层理角度对砂岩断裂破坏和裂纹扩展路径的影响提供了新的思路。