岩体的压剪损伤机理及其在岩爆分析中的应用

本文探讨了压剪裂纹的启裂和扩展准则，对前人的经验性判据进行了理论分析，在此基础上建立了考虑裂纹闭合效应和裂纹相互作用的岩体压剪细观损伤力学模型。根据压剪损伤模型，发现岩爆是在洞室开挖过程中（或开挖完毕后）围岩发生应力调整（切向应力增加、径向应力减小）而诱发岩体中的预存裂纹发生摩擦滑移、界面扩展、裂纹扭折以至裂纹相互连接而导致围岩发生宏观脆性断裂的产物。数值模拟结果表明：本文建立的压剪损伤模型的计算结果与实验结果具有良好的一致性，并且裂纹闭合应力对岩体的应力－应变关系具有明显的影响，表现为损伤应变随裂纹闭合应力的增加而增加，尤其是侧向应变更加显著。     

基于细胞自动机方法的多裂纹扩展贯通模拟

针对岩石力学领域压剪荷载作用下多裂纹扩展、交叉和贯通等复杂裂纹行为问题,提出了多裂纹交汇问题的数学力学精细描述方法,建立了多裂纹交叉的非连续精细表征模型。基于此,进一步构建了多裂纹交叉和交汇的摩擦接触精细连续到非连续数学力学描述模型,构建了接触摩擦迭代和元胞快速更新交替耦合的快速迭代方法,实现了压剪摩擦接触迭代与元胞更新交替快速迭代,大幅提高计算效率。基于上述理论,提出多裂纹相互作用断裂行为的快速自适应连续-非连续细胞自动机方法。通过算例验证了两种不同裂纹数量、位置关系和分布距离的岩石多裂纹模型在压剪荷载下的开裂与扩展的抑制和增强作用的相互影响特征,分析了多裂纹的汇合与贯通规律。数值算例表明,本方法在多裂纹扩展和贯通分析中是高效、精确的。     

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。     

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相似文献   

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

裂纹几何特征对压剪复合断裂的影响分析

针对岩石类材料中压剪裂纹的复合断裂问题，理论上一般将其抽象为没有厚度的Griffith线裂纹，这样就会导致翼裂纹初始起裂角与主裂纹方位角及围无关的结论。而己开展的压剪裂纹复合断裂试验表明，翼裂纹起裂角与主裂纹方位角和围压明显相关。首先较系统地讨论原生（或预制）裂纹的几何特征（如厚度、裂纹尖端曲率半径等）及围压对翼裂纹起裂角的影响：然后结合含预制裂纹大理岩压剪试验进行翼裂纹起裂角的理论预测和试验结果的对比分析。该分析为压剪复合断裂试验提供了一个理论分析框架，也为进一步研究具有复杂几何形状的裂隙提供了一定的理论基础。     

岩石的复合型断裂实验及分析

当岩体内或边界上存在有Ⅰ－Ⅱ复合拉剪与压剪裂纹时（例如坝踵的裂纹）,其临界载荷与初始开裂方向的确定是工程界十分关心的问题。本文用断裂力学理论,对大理岩进行了这方面较完整的实验与理论研究,且用四点弯试件实现了一定范围内的压剪断裂实验。研究结果表明,大理岩裂纹初始扩展所需的临界载荷值在很大程度上遵循最大拉应变ε＿（θｍａｘ）理论,而不是最大拉应力σ＿（θｍａｘ）理论,前者预示的载荷值远低于后者。两理论预示的初始开裂角相差不大,且与本文实验基本相符。     

颗粒复合材料微裂纹增韧的数值模拟

将弹性复合材料体中主裂纹尖端划分为3个不同的区域，导出了各个区域的本构模型及饱和区域的范围。在最大饱和区域内，应用Monte Carlo技术产生均匀分布的微裂纹来表示损伤的各向同性，并采用轮流迭代数值技术来评估主裂纹和微裂纹相互作用。在稀疏微裂纹的假设前提下，忽略微裂纹间的相互作用，主裂纹与每一个微裂纹相互作用的应力强度因子可以叠加。分析了两种荷载源，一个是在无限远荷载作用下主裂纹和微裂纹的相互作用，另一个是伴随着微裂纹面上残余应力的释放主裂纹和微裂纹的相互作用。结果表明，两种荷载源都对主裂纹有屏蔽作用，且主裂尖后的微裂纹有最大的屏蔽作用，主裂尖前的微裂纹没有屏蔽作用。     

岩石平行偏置裂纹相互作用规律分析

岩石中各种类型裂隙的相互影响是致使其变形破碎的重要原因,基于经典Kachanov法,通过分析所得应力强度因子比变化趋势,分别研究了拉剪和压剪两种状态下平行偏置双裂纹间水平距离、垂直距离、裂纹长度以及裂纹倾角对其相互作用的影响规律,对含不等长平行偏置裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验,通过预制裂纹的起裂扩展和起裂荷载变化规律对理论分析进行了对比验证。结果表明:裂纹间的相互影响包括强化、屏蔽和零效应三方面,且随水平距离、垂直距离、裂纹长度和倾角的不同而相互转化;距离裂纹尖端越近,屏蔽和强化作用变化越剧烈,K_Ⅰ,K_Ⅱ分别在裂纹倾角为60°和30°时变化较剧烈。     

岩石多裂纹剪切断裂数值试验研究

节理岩体在剪切力作用下的破坏方式常表现为相邻节理的扩展与贯通，因此，研究含预制多裂纹岩打的抗剪强度和破坏模式对工程设计具有重要意义。应用RFPA系统对含断续裂纹剪切试样的断裂过程进行了数值模拟研究，讨论了不同裂纹几何分布对破坏模式和峰值强度的影响。研究结果表明。在相同围压条件下，裂纹贯通模式丰要受裂纹的几何方位控制：由于试样细观缺陷非均匀性的存在，导致岩行断裂主要由拉伸破坏引起，但拉剪混合破坏仍然存在，并对抗剪强度有较大的影响。     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

Application of the expanded distinct element method for the study of crack growth in rock-like materials under uniaxial compression

The expanded distinct element method (EDEM) was used to investigate the crack growth in rock-like materials under uniaxial compression. The tensile-shear failure criterion and the Griffith failure criterion were implanted into the EDEM to determine the initiation and propagation of pre-existing cracks, respectively. Uniaxial compression experiments were also performed with the artificial rock-like samples to verify the validity of the EDEM. Simulation results indicated that the EDEM model with the tensile-shear failure criterion has strong capabilities for modeling the growth of pre-existing cracks, and model results have strong agreement with the failure and mechanical properties of experimental samples. The EDEM model with the Griffith failure criterion can only simulate the splitting failure of samples due to tensile stresses and is incapable of providing a comprehensive interpretation for the overall failure of rock masses. Research results demonstrated that sample failure primarily resulted from the growth of single cracks (in the form of tensile wing cracks and shear secondary cracks) and the coalescence of two cracks due to the growth of wing cracks in the rock bridge zone. Additionally, the inclination angle of the pre-existing crack clearly influences the final failure pattern of the samples.     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

循环荷载作用下含缺陷岩石破坏特征试验研究

 采用水泥砂浆材料和充填材料模拟含缺陷岩石,分别对含孔洞、柔性充填物及刚性充填物试样进行低周疲劳试验,观察含缺陷试样的疲劳破坏特征,得出含缺陷试样的轴向不可逆变形阶段性规律,研究不同缺陷对岩石类材料的疲劳寿命、疲劳裂纹萌生及其扩展的影响。试验结果表明：循环荷载作用下含缺陷岩石试样的轴向不可逆变形经历初始变形、等速变形以及加速变形3个阶段;含缺陷试样疲劳裂纹首先在有较大应力集中的缺陷与基体材料界面边缘处萌生及扩展;在相同循环加卸载条件下,预制孔洞直径越大,对应的孔洞试样疲劳寿命越短;刚性充填物试样最容易发生疲劳破坏,孔洞试样次之,柔性充填物试样疲劳寿命最长。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

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.     

非贯通裂隙介质中波传播特性试验研究

 以研究非贯通裂隙对波传播的影响为主要目标,采用类岩石材料模型试件模拟节理裂隙介质,对不同裂隙长度、裂隙厚度、裂隙倾角、裂隙密度、裂隙形态(连续与非连续)的非贯通裂隙试件的声波特性进行超声波试验研究,测试和分析纵波在裂隙介质中的波速变化和振幅衰减规律。以国际大型的岩土工程分析程序FINAL为数值分析平台,进行与模型试验相对应的裂隙介质中的波传播数值仿真分析,对比分析纵波波速和波幅衰减的变化规律。研究结果表明,波速随裂隙长度变化很不明显;波幅的衰减取决于与波传播方向相垂直方向的裂隙水平投影长度,裂隙水平投影长度越大,波幅衰减量越大;随裂隙排数的增加,波幅发生衰减,2排裂隙试件的波幅值约为1排裂隙波幅值的1/2,3排裂隙试样的波幅值约为1排裂隙波幅值的1/3,且随裂隙增加,最大波幅值发生滞后现象。     

三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

 采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明：试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。