水压诱发裂缝拉伸与剪切破裂的理论模型研究

 基于断裂力学理论,分别研究水压诱发的拉伸与剪切破坏特征。在水压诱发拉伸破坏方面,建立考虑井筒影响的地应力与水压耦合下的射孔尖端裂缝应力强度因子计算方程,推演该条件下拉剪复合应力状态下的断裂准则以及临界水压和启裂角的计算式。运用该方法从理论上分析了井筒周围存在对称的2条裂纹时,启裂水压和角度受射孔倾角、射孔长度、井筒半径及主应力差的影响。研究结果表明,依据推演的拉剪复合型断裂准则计算得到的射孔启裂水压和角度与试验结果吻合良好。参数分析表明：随着射孔长度或井筒半径的增加,临界水压减小。在水压诱发剪切破坏方面,则根据裂纹面的应力状态,分别推导裂纹处于压剪闭合状态和压剪不闭合状态下,水压诱发剪切破坏的断裂准则,并考虑非奇异应力对剪切断裂的影响,进一步推导压剪闭合应力状态下发生剪切破坏的临界水压计算公式。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

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。     

数字散斑相关方法测定岩石I型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含I型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿–辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。     

岩石压剪断裂及其强度特性分析

籍助于断裂力学的理论和有限元数值计算方法，分析了压剪断裂过程中裂纹尖端应力场的演变规律；修正了应力强度因子的有关计算式，建立了表征初裂的新的断裂准则；反映了裂纹几何尺寸，分布规律，裂纹面物理力学性质，岩石材料断裂韧度，以及围压效应对岩石压剪断裂的影响。     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。     

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

 通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。     

钻井液浸泡下深部泥岩强度特征试验研究

 针对钻井液作用下深部泥岩破坏的关键技术难题,通过室内试验分析钻井液浸泡下深部泥岩强度弱化规律,并从微观角度分析试样发生变化的机制。研究结果表明：(1) 钻井液浸泡下,随取芯夹角增大,岩石强度先增大后减小,岩石强度降幅高达49.5%～54.7%;随着围压增加,取芯夹角为0°和90°时岩石强度增幅较低,仅为26.4%～39.2%。(2) 泥岩弹性模量随钻井液作用时间的增加而降低,随取芯夹角的增加呈现先增大后减小的变化规律,泊松比变化规律则相反。(3) 与内摩擦角相比,泥岩黏聚力变化规律性强,0°和90°条件下黏聚力降低幅度较大,最高达67.3%;其他情况下泥岩黏聚力变化幅度不大。(4) 钻井液滤液的渗入导致泥岩内部裂缝缝尖应力强度因子增加、临界断裂韧性降低、裂缝扩展,这是泥岩强度降低的根本原因。同时,钻井液滤液改变了层理面填充物的矿物成分,降低裂缝面的摩擦因数,加剧岩石强度的降低。     

爆炸动载荷下裂纹扩展规律的实验研究

 为研究在爆炸动载荷作用下岩石内裂纹的起裂及扩展规律,应用PMMA材料制作带裂纹平板试样,在距离裂纹尖端60 mm的圆周上设置与裂纹成不同角度的炮孔,然后引爆雷管来实验研究裂纹的动态起裂及其扩展规律,系统地研究爆炸应力波入射角对裂纹起裂角和扩展角的影响规律。实验结果表明,入射角为0°时,起裂角为0°,即裂纹沿原裂纹面扩展;当入射角大于15°而小于75°时,在裂纹的两端会产生翼型裂纹,其翼型裂纹的起裂角及扩展长度都与入射角有关;当入射角大于75°时,新生裂纹很小。     

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。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

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。