含双裂隙试样裂纹贯通细观机理研究

为了揭示不同裂纹贯通模式的细观演化机理,采用颗粒流程序(PFC)模拟含平行双裂隙石膏试样的单轴压缩试验。对双预制裂隙在不同相对位置时试样内出现的裂纹贯通模式进行分类,并对不同贯通模式形成过程中预制裂隙周围的力链和颗粒位移场进行分析。研究发现预制裂隙的相对位置会改变压缩过程中其周围的接触力分布以及颗粒位移趋势,进而影响预制裂隙端部以及岩桥区域裂纹的扩展路径。当两预制裂隙几乎共面时,在岩桥区域存在接触力集中情况,岩桥区域首先出现微张拉裂纹,随着加载,这些微张拉裂纹逐渐演化为宏观剪切带并连接两个预制裂隙端点,形成Ⅰ型贯通。当岩桥倾角较大且两个预制裂隙不重叠时,岩桥区域的接触力集中程度增大,岩桥区域首先出现竖向的微张拉裂纹并演化为竖向的宏观裂纹连接两个预制裂隙端点,导致Ⅱ或Ⅶb型贯通。当两个预制裂隙的端部部分重叠时,由于应力屏蔽效应,重叠端部的压缩接触力集中程度小于未重叠端部,导致翼裂纹成为主导贯通的裂纹。当两个预制裂隙在竖直方向完全重叠时,两预制裂隙同侧端点之间的接触力集中导致出现由压致拉的张拉裂纹连接预制裂隙同侧端点,形成Ⅴ型贯通。出现Ⅱ、Ⅴ和Ⅶb型贯通试样的微裂纹数量曲线呈现阶梯状增长的趋势,表明这3类贯通中宏观裂纹的扩展是由应变能的突然释放导致的。

双轴加载下断续预置裂纹贯通机制的研究

通过物理实验和数值模拟,研究双轴作用下不同几何分布和不同围压的断续预置三裂纹的萌生、扩展和贯通机制。结果清楚显示裂纹贯通机制主要受加载条件与预置裂纹几何分布的影响。在双轴加载条件下,裂纹贯通的模式包括拉贯通、剪贯通、压贯通和混合贯通。拉裂纹在双轴加载下, 其扩展速度减慢或停止,且在岩桥间出现剪裂纹,从而形成混合贯通或剪贯通。压裂纹是在侧压下产生的次生裂纹,其贯通受制于两非共线的重叠裂纹间的岩距。当1<b/c<1.8(岩距与裂纹长度的比值为b/c)时,则压裂纹最为活跃,否则压裂纹较难生长。双轴作用下,三裂纹在峰值附近有两组贯通裂纹,在单轴情况则通常只发生一组贯通裂纹。此外,随着压力增加,预置裂纹间更加闭合,导致预置裂纹的内摩擦力增加,使裂纹的扩展方向改变并趋向于最大主剪应力方向。

荷载和水压力作用下岩石裂纹贯通过程的数值模拟研究

应用自主开发的数值模拟系统F-RFPA^2D，研究荷载和水压力作用下岩石裂纹和内部缺陷结构相互作用下的贯通过程，内容包括岩石应力应变过程中，不同裂纹扩展阶段的渗透率演化规律，水压力对裂纹扩展模式和峰值强度的影响，岩石内部缺陷结构对裂纹贯通模式的影响等。结果表明，水压力和缺陷结构分布的非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及裂纹贯通机制影响十分明显。

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。

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。

岩石类材料裂纹扩展贯通的颗粒流模拟

采用颗粒流软件PFC2D实现含有不同岩桥倾角的预制双裂纹材料在单轴压缩作用下裂纹扩展贯通过程,并利用函数模块追踪裂纹扩展过程和微裂纹数量。数值结果表明:在单轴压缩作用下随着岩桥倾角增大,岩桥区域裂纹贯通模式由张拉型(≤68°)逐渐演化为拉剪复合型(=90°和113°)和剪切型(=135°);试件峰值强度逐渐降低;并认为宏观的次生剪切带主要由张拉型微裂纹和少量剪切型微裂纹组成。利用室内模型试验对数值结果进行验证,结果表明颗粒流程序能够很好地模拟裂纹贯通过程。

多裂纹在不同岩石介质中的扩展贯通机制分析

应用东北大学开发的材料破坏过程分析软件MFPA2D,以预置于不同岩石中的裂纹为研究对象,通过对带有预裂纹不同拼接岩板单轴压缩数值实验,探讨了预裂纹在具有不同岩性的岩石中扩展、相互作用直至贯通过程的破坏机制。模拟结果与相应的实验结果较为一致。

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。

非均质岩桥对裂纹扩展贯通机制影响的数值分析

通过考虑岩石试样中预置三裂纹之间岩桥力学性质和非均匀程度，运用东北大学开发的ＲＦＰＡ（２Ｄ）系统，研究了不同性质岩 桥中裂纹扩展相互作用模式及其贯通机制。模拟结果与相关的实验研究表现较好的一致性。

面外变形下钢桥的疲劳贯通裂纹扩展行为研究

为了解钢桥的疲劳贯通裂纹在面外变形作用下的发展规律,对其扩展行为进行研究。制作双轴对称长方形钢板试件进行面外变形疲劳试验,选取5种应力比（0、-0.25、-0.5、-0.75、-1）进行加载,得到应力比为-1时的裂纹前沿为V形,其他应力比时裂纹前沿基本以1/4椭圆状为主。将得到的裂纹前沿引入到数值模型中,对应力比为-1与0时的裂纹扩展情况进行数值分析,通过J能量积分法计算得到沿不同裂纹前沿的应力强度因子分布。结合既有应力强度因子计算公式和数值计算结果,提出基于实际裂纹前沿的面外变形作用下的疲劳裂纹应力强度因子计算公式修正系数,针对不同的裂纹长度建议在0.43～0.54取值。

剪切型Beam Lattice模型及其在岩石翼裂纹扩展和贯通模拟中的应用

采用考虑剪切效应和Mohr-Coulomb失效准则的剪切型Beam Lattice(SBL)模型来模拟翼裂纹扩展和贯通过程中出现的次生裂纹.该模型采用随机多边形网格来反映材料的非均质性,在结果分析中应用裂纹扩展路径来区分张拉型和剪切型裂纹扩展.利用SBL模型对不同间距的初始裂纹进行模拟,并将模拟结果和实验观测结果进行比对.结果表明,SBL模型可以较为准确地模拟不同模式下的裂纹扩展和贯通路径.翼裂纹的扩展和贯通呈现阶段性,首先出现张拉型裂纹,当裂纹间距为10 mm时出现清晰的贯通裂纹,最后出现剪切型裂纹.裂纹的扩展进程在加载前中期保持稳定,而在加载末期时明显加快,出现不稳定扩展的现象.SBL模型中考虑更多的剪切效应会得到更多的剪切型裂纹.

条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究

采用动态焦散线试验和ABAQUS数值分析方法,对条形药包爆破载荷作用下不同角度预制贯通裂纹的扩展行为进行了研究。研究结果表明:在爆炸应力波的作用下,柱部区域和端部区域0°预制贯通裂纹远端翼裂纹背离炮孔方向扩展,而近端翼裂纹朝向炮孔扩展。预制贯通裂纹远端的应力集中程度较近端高,并且远端翼裂纹的止裂韧度更低,翼裂纹更易扩展。在爆炸应力波的作用下,柱部区域90°预制贯通裂纹由张开逐渐转为闭合,爆炸应力波在已闭合的预制贯通裂纹面发生透射,并在预制贯通裂纹尖端产生压剪应力集中,形成以II型断裂为主的I-II复合型裂纹,并近似垂直于预制贯通裂纹面扩展,随后,在自由面反射应力波的作用下,反翼裂纹沿预制贯通裂纹面起裂扩展;炮孔端部区域90°预制贯通裂纹处翼裂纹的起裂是由于爆炸应力波在预制贯通裂纹处产生反射拉伸波的结果,促使预制贯通裂纹端部产生拉应力集中,形成近似I型裂纹,随后,翼裂纹逐渐转向爆炸应力波传播方向扩展。

渗透压作用下压剪岩石裂纹损伤断裂机制

在研究渗透水压和远场应力共同作用下压剪滑移型岩石裂纹的起裂、扩展规律的基础上,考虑分支裂纹相互作用,建立压剪应力场和渗流场共同作用下岩石裂纹体的损伤断裂力学模型和考虑岩桥损伤所引起的附加应力强度因子演化方程,提出分支裂纹临界长度时裂纹尖端虚拟应力强度因子KI(LC)作为压剪岩石裂纹的损伤断裂贯通的破坏准则。研究结果表明:在既定裂纹分布下,分支裂纹尖端应力强度因子KI受侧压力系数λ、渗透压p、裂纹表面摩擦因数μ的制约;当轴向应力和裂纹面摩擦因数一定时,在低渗透压、侧向拉应力共同作用下,压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而在高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏。

压缩作用下岩石预置裂隙贯通机制的研究

运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),结合室内实验研究了预置双裂隙试样在不同岩桥倾角影响下的破坏过程及裂隙的贯通机理。对单轴加载下岩桥断裂特征的研究表明:随着岩桥倾角(0°~90°)的增加,贯通模式呈现由压剪混合贯通过渡到剪切贯通最后到拉伸贯通的趋势。从贯通强度和能量的角度,分析了岩桥倾角分别为0°、30°、60°、90°下的贯通模式,研究了岩桥长度、非均匀性对裂纹扩展的影响。结果表明:岩桥倾角为0°时,贯通强度最高;岩桥倾角为60°时,贯通强度最低;随着岩桥长度(8mm^42mm)的增加,贯通由简单模式过渡到复杂贯通最后到未贯通;当均匀性系数较小(m=3),即均匀程度较低时,裂纹往往沿着强度较弱的部位进行扩展,裂纹路径较为曲折;当均匀程度较高时(m=7、m=15),主裂纹路径较为集中,宏观上表现为越来越光滑。

非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析

在拉张外载作用下,应用RFPA2D程序对端部开切口、内部预制裂纹试样和坚硬颗粒试样进行数值模拟分析,并对不同均质度下岩样的贯通机制和载荷-位移曲线进行分析。结果表明,非均质性存在产生试样的应力分布局部集中和变形局部化,是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通的根源。

裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究

采用花岗岩材料通过红外热像和数值实验的方法,对两预制裂纹导致的岩石中新裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.通过红外热像遥感观测方法以及数值模拟对7块预制双裂纹的试样进行了实验研究.结果表明,裂纹扩展过程中,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量不多,只有在主破裂发生时产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.试样破裂过程中有红外异常现象,在破裂处会出现明显的高温区和高温条带,并指出斑状花岗岩在破裂前主要表现为高温前兆.

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角<60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角>60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。

岩石中三维双裂隙组扩展和贯通过程的试验研究和弹脆性模拟

最新研制了一种完全透明、较低温度下拉压比可达1/6.6的树脂,其与岩石特性的相似性较前人的研究有大幅度提高。制作了一组含三维内置平行双裂隙组的试件,详细描述并分析了单轴加载下试件的裂隙扩展与贯通过程,研究其产生的条件和机制。试验结果表明:试件的破坏大致经历4个阶段,三维裂隙组的断裂比二维情况复杂得多,产生了多种不同形态的裂纹。在FLAC3D软件框架内建立了一种新的弹脆性本构关系,并采用超细单元和合理形态的网格建模。将数值模拟结果与相关试验进行对比,相符程度良好,表明新数值模拟方法的有效性。当双轴加载时,模拟结果也与前人类似试验结果有很好一致性。

爆炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性试验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了平板中预制贯通裂纹在爆炸应力波作用下端部衍生分支裂纹及爆炸主裂纹的扩展规律。预制贯通裂纹面在压缩应力波及反射拉伸波作用下表现出明显的张开和闭合交替变化,预制贯通裂纹减弱了爆炸主裂纹的动态扩展行为,爆炸主裂纹难以穿过预制贯通裂纹继续扩展。分支裂纹是爆炸应力波在预制贯通裂纹端部衍射效应形成应力集中而衍生、起裂、扩展,其开裂角与预制贯通裂纹、爆炸应力波入射角密切相关,分支裂纹尖端沿着最大能量释放率方向起裂,逐渐平行于最大主应力的方向稳定扩展,中后期扩展多表现为复合型断裂。爆炸分支裂纹的动态应力强度因子、扩展速度低于爆炸主裂纹,获得了分支裂纹起裂韧度为0.50～0.65 MN/m3/2、止裂韧度为0.25～0.35 MN/m3/2。

切缝药包光面爆破裂纹扩展时空演化分析

光面爆破机理复杂,裂隙演化具有不确定性,现场试验难以完整观察到炮孔间裂纹的起裂、扩展至贯通。采用CAD与ANSYS联合建模技术构建空气不耦合光面爆破数值模型,运用显式动力分析软件LS-DYNA定义岩石单元失效计算获得切缝药包光面爆破裂纹扩展演化过程,从时空演化角度研究光面爆破裂纹扩展规律,从而为矿山巷道爆破工程提供更精确的指导。研究结果表明:1)CAD与ANSYS联合建模技术弥补了ANSYS对于复杂模型构建的缺陷,实现精确耦合数字建模;2)定义岩石单元失效方法可以使得爆破裂纹演化过程更为直观,切缝药包爆破相较一般空气不耦合装药结构爆破,炮孔周壁产生的径向裂纹和分叉裂纹显著减少;3)模拟不耦合系数1.5、1.8、2.25切缝药包光面爆破裂纹扩展时空过程,发现切缝药包爆破裂纹扩展演化规律,其裂隙数量随着不耦合系数的增大而减少,裂纹扩展演化长度也随之变短,分叉裂纹扩展演化明显降低,当不耦合系数为1.8时,数值模拟切缝药包爆破裂纹扩展演化形成较佳的贯通裂纹,获得较好的爆破效果。