单轴压缩荷载下“十字形”交叉裂隙类岩石试件的破坏模式与力学特性试验研究

通过在类岩石材料中预制特定裂隙的方法,来模拟含"十字形"交叉裂隙的岩体,并对其在单轴压缩情况下的力学特性与破坏模式进行了试验研究。研究表明:(1)交叉裂隙试件中,次裂隙倾角对主裂隙倾角为45°时试件的抗压强度与起裂应力的影响最大,而对主裂隙倾角为90°时的影响最小。(2)单裂隙试件的抗压强度与起裂应力小于完整试件。交叉裂隙试件相对于单裂隙试件而言,当主裂隙倾角为0°和45°时,其抗压强度与起裂应力减小;当主裂隙倾角为90°时,其抗压强度与起裂应力增大。(3)在单裂隙试件中,当裂隙倾角为0°、45°和90°时,试件分别发生拉剪复合型破坏、剪切破坏和张拉破坏;相对于单裂隙试件而言,交叉裂隙试件破坏时产生的裂纹相对较多,破坏模式大多为拉剪复合型破坏,同时,在破坏过程中交叉裂隙试件发生复合其他破坏模式或直接导致试件破坏的滑移。上述结果对岩体工程的开挖和建设具有一定的参考价值。     

透明类岩石预制裂隙不同赋存方式起裂扩展研究

岩体受压情况下内部裂纹扩展生长将对岩体稳定性产生重要影响,由于无法直接观察真实岩体内部裂纹起裂扩展过程,研制了一种各项性质与真实岩体接近的透明类岩石材料,在其内部预制裂纹并在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上开展单轴压缩力学试验,观察研究其内部裂纹的起裂扩展机理.该方法克服了真实岩石不透明的特点,可以清晰观察到类岩石试件内部的裂纹起裂扩展各阶段的形状及扩展规律.试验中详细观察研究了次生裂纹的起裂扩展规律以及双裂隙试件在不同裂隙间距下的裂纹扩展贯通模式.试验结果表明预制裂隙倾角对次生裂纹的起裂方式将产生一定的影响,双裂隙试件在不同裂隙间距下次生裂纹将呈现不同的扩展贯通模式,实验中观察到了多种形式的裂纹.研究结果同时表明裂隙的存在极大的降低了试件的抗压强度且随着裂隙间距增加试件峰值强度呈降低趋势同时裂隙倾角也对试件的起裂应力产生一定的影响.试验成果对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值.     

双交叉裂隙岩桥相互作用与破坏行为试验研究

双交叉裂隙是工程岩体中构成断续交叉裂隙的基本单元。裂隙几何参数的变化，会带来裂隙之间岩桥组合形态的改变，并形成岩桥相互作用，对双交叉裂隙的起裂、扩展、贯通及断裂产生直接影响。本文以光敏树脂3D打印技术制备不同次裂隙长度的双交叉裂隙试样，并低温处置使其脆化；开展单轴压缩试验以获得试样的力学性能，利用DIC (Digital Image Correlation,数字图像相关技术)分析试样的变形行为，采用高速摄像机捕捉裂纹萌生和裂隙扩展过程。结果表明，随次裂隙长度的增加，双交叉裂隙试样的峰值强度呈先增大后减小的趋势；试样压缩破坏过程中，最短岩桥(主导岩桥)的两端最先形成应力集中，主导着初始裂纹的形成；尖端裂纹的扩展路径主要受到剪切路径的影响，而剪切路径随加载进程动态变化，由外侧向主导岩桥位置逐步靠拢，控制着次生裂纹的扩展角度。     

两共面预制裂纹试样应力场特征与破坏模式研究

破坏模式决定着裂隙岩体的基本力学性质,通过对比分析典型两条共面裂纹的节理裂隙岩体试样的模型试验、模拟试验结果,系统地研究了预制裂纹倾角、侧压以及裂纹面摩擦系数等因素对试样应力场、破坏模式以及峰值强度的影响;进一步解释了不同裂隙分布条件下张拉次生裂纹、剪切次生裂纹的起裂、发展以及贯通路径与机理,系统地总结了两条共面裂纹试样贯通模式的演化规律。结果表明:随预制裂纹倾角从0°增大到90°,两共面裂纹试样第一主应力最大值呈现先增大而后减小的规律,倾角较小或较大时试样最大拉应力相对较小,而倾角为20°～70°时试样最大拉应力较大且45°～65°间达到最大;剪应力极值线绕预制裂纹尖端旋转,次生剪切裂纹起裂部位、发展方向均发生变化,接近0°和90°时试样内部最大剪应力值最小,倾角为20°～70°时试样最大剪应力相对较大且30°时剪应力达到最大;裂纹倾角较小时试样破坏路径由两预制裂纹中的一条与其次生裂纹贯通形成破坏路径,倾角较大时破坏路径通过两条预制裂纹以及其次生裂纹贯通形成;试样峰值强度变化曲线呈浅底"V"字形,倾角为0°、90°时峰值强度大体相同,倾角为45°时峰值强度达到最小且约为0°时峰值强度的40%～50%。     

含不同倾角单裂隙类岩石单轴强度及蠕变速率的研究

为了研究裂隙类岩石材料在单轴压缩和蠕变条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过预埋铁片的方法制作出含不同倾角的单裂隙类岩石试件,建立贯通裂隙类岩石单轴压缩强度模型,分析破坏形式。研究表明,预制裂隙倾角对类岩石试件峰值强度的影响显著,裂纹倾角越小,单轴抗压强度越低,即倾角为0°时单轴抗压强度为6.98MPa,90°时为10.85MPa,呈单调递增的趋势。建立裂隙面模型,分析类岩石试件的破坏形式,大致为两类:一类是通过预制裂隙拉剪破坏;另一类是通过裂隙的拉伸破坏。蠕变速率随着裂隙倾角的增大先增大后减小,在90°时的蠕变速率最低,在30°时蠕变速率最高。     

裂纹雁行分布岩体试样应力场特征与破坏模式研究

雁行分布是岩体中重要的裂纹分布形式之一,且对裂隙岩体力学性质有重要影响。本文通过模拟试验手段,较为系统地研究了含两条雁行典型裂纹岩体试样的预制裂纹倾角、侧压、裂纹面摩擦系数等因素对试样单轴抗压强度、第一主应力、剪切应力以及贯通破坏模式的影响规律;运用应力极值线定义得到了裂纹尖端的拉应力、剪应力极值线,分析了这两类极值线的分布特征,揭示了雁行分布裂纹条件下次生张拉裂纹、次生剪切裂纹的起裂、发展、贯通路径与机理,总结了两条雁行分布裂隙岩体试样贯通模式的演化规律。研究表明:两条雁行裂纹岩体试样,预制裂纹倾角从0°逐步增大到70°,试样峰值强度先减小而后增大,最小值出现在裂纹倾角在40°～45°区间时;侧压会显著削弱裂纹倾角对试样峰值强度的影响;裂纹倾角较小时,裂纹面摩擦系数对试样峰值强度影响显著,反之影响甚微;当裂纹倾角小于30°时,试样裂纹端部先张拉破坏,且易于形成剪切贯通次生裂纹;当裂纹倾角大于50°时,试样先张拉破坏,且易于形成张拉贯通次生裂纹;当裂纹倾角在30°～50°间时,试样易于形成拉剪复合性贯通次生裂纹。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法,研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中,采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件,利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统,监测主裂纹扩展速度和扩展距离;数值模拟中,采用了AUTODYN软件进行,模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律,对岩石材料,采用线性状态方程及最大拉应力失效准则,并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析,得到:爆炸载荷下,紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波,并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力,对裂纹的扩展有压制、止裂作用;而且,这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关,进而导致了不同的止裂效果,影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

类岩石材料中表面裂纹扩展模式的实验研究

采用粘贴式轴拉方法实现了类岩石材料的直接拉伸实验,通过在类岩石材料试件中预制表面裂纹研究了类岩石材料中表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般类岩石材料的直接拉伸实验;类岩石材料中表面裂纹首先从试件正面开始扩展;表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,类岩石材料在试件的正面上会表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但是受其影响裂纹在厚度方向扩展会发生偏转,从而使得试件背面的最终贯通方向没有与加载方向垂直,而是呈一倾角,并且和表面裂纹的倾角和深度有关.     

空孔与运动裂纹相互作用的动焦散线实验研究

为研究预制裂纹不同偏移距离时运动裂纹与空孔的相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,将预制裂纹的偏移距离设定为唯一变量,对含空孔的有机玻璃(PMMA)试件进行冲击三点弯实验。研究表明,存在两个临界距离:（6 mm (2 R )、9 mm (3 R )）,在该偏移距离下,裂纹扩展轨迹、动态断裂特性发生显著改变:(1) 预制裂纹偏移距离不大于3 mm时,裂纹贯穿空孔,发生二次起裂,且二次起裂的速度与应力强度因子显著大于一次起裂,无偏移时裂纹轨迹的分形维数为最小值;(2) 偏移距离增大至6 mm时,裂纹不再贯穿空孔,空孔对裂纹先吸引后排斥,裂纹速度与应力强度因子先减小后增大,裂纹轨迹的分形维数达到最大值;(3) 偏移距离大于6 mm时,空孔对裂纹的吸引作用逐渐减小,大于9 mm后,空孔对裂纹的吸引不再显著,裂纹起裂后即向落锤加载方向扩展直至贯穿试件。     

动载荷作用下裂隙岩体的止裂机理分析

为深层次了解裂隙岩体在动载荷作用下的动态断裂特性及止裂机理,采用TWSRC（tunnel with single radial crack）构型进行中低速冲击实验,选择砂岩作为原材料制作裂隙岩体试样,以落锤冲击试验装置与裂纹扩展计实验系统对裂纹的动态起裂、扩展及止裂过程进行全过程监测,重点研究动态破裂过程的破裂行为及止裂现象。使用有限差分法程序进行数值模拟,验证冲击实验结果的科学性与准确性。研究发现:裂隙岩体的动态断裂过程是由起裂加速-高速扩展-缓慢减速-止裂-再次起裂加速-再次高速扩展等多次循环的过程构成,且止裂区间尺寸为微秒量级;裂隙岩体止裂位置的穿晶断裂比例远小于初始起裂点,青砂岩动态断裂过程的穿晶断裂比例稍大于黑砂岩;裂隙岩体中止裂点再次起裂所需的能量,远小于预制裂纹初始起裂所需要的能量。     

压剪条件下预埋椭圆裂纹三维扩展实验研究

试制出两种不同性质的脆性类岩石材料：透明的低温树脂材料和非透明的砂浆类材料。实验研究了这两种材料内置椭圆形裂隙的三维始裂、扩展过程及其破裂过程中声发射信号特征,并采用三维断裂理论确定了内部裂纹的三维始裂状态。实验结果表明,在单轴压缩荷载作用下,两种材料中内置裂隙初期破裂面形态基本一致,均为一对反对称的包裹状翼裂纹,但初始起裂位置有所不同。透明树脂试样中,初始的新生裂纹几乎在预制裂纹长轴端部附近同时起裂,但起裂点并不在裂隙长轴端部,而在砂浆类材料内的起裂位置则靠近短轴端部,亦不在短轴端部。相同条件下,两种材料的最终破裂状态明显不同,透明树脂试样是以宏观劈拉破裂为主,而砂浆类试样则以宏观剪切破裂为主,这可能与材料性质和三维裂隙的起裂位置不同有关。三维断裂分析结果与实验结果一致。二维简化模型仅为三维模型的主法平面上的特征解,无法反映出III型断裂模式在三维裂隙的起裂和扩展中的作用。三维断裂机制分析应加强对III型断裂模式及其相关的复合模式的深入分析。     

Ⅰ型裂纹中低速冲击荷载下起裂韧度测试新方法

为了探寻更加合理的构型试件来研究纯Ⅰ型裂纹在冲击荷载下的起裂及扩展行为, 提出一种新构型试件, 即双倾斜底边中心裂纹试件(double inclined bottom central cracked, DIBCC)。借助于中低速落锤式冲击实验装置进行冲击实验, 通过应力波来使试件内预制裂纹起裂并扩展, 同时利用应变片测试系统监测裂纹起裂时刻, 并采用AUTODYN有限差分软件对实验过程进行数值模拟, 最后计算裂纹的动态应力强度因子, 利用实验测得的起裂时刻, 确定试件的起裂韧度。结果表明:(1)在反射拉伸波作用下, 预制裂纹两侧会产生垂直于裂纹面向外的位移, 使预制裂纹扩张, 从而使裂纹起裂。(2)数值模拟结果与实验结果在裂纹扩展路径上具有一致性, 说明本文中提出的DIBCC构型试件有效, 可以用来测试裂纹在冲击载荷下的断裂韧度。     

拉伸荷载下分支裂隙破坏机理研究

为研究拉伸荷载下分支裂隙对破坏模式的影响,保持主裂隙参数不变,改变分支裂隙倾角和长度,利用扩展有限元方法模拟了弯折裂隙的动态扩展,总结了分支裂隙参数变化对破坏模式的影响.利用ABAQUS中的轮廓积分计算了分支裂隙尖端应力强度因子,并根据最大周向应力准则计算起裂角.结果表明:拉伸荷载下分支裂隙出现三种破坏模式;分支裂隙倾...     

受压裂纹周边应力极值线及起裂特征研究

通过理论解析并结合数值模拟试验,研究了裂纹倾角对受压裂纹近周第一主应力场和剪应力场的影响。为了能够反映原生裂纹周边的次生裂纹特征,根据原生裂纹近周应力场提出了可描述裂隙岩体中次生裂纹起始位置、起始方向、发展方向的应力极值线的概念。从理论上对应力极值线进行了定义,并通过典型的数值试验分析了应力极值线随裂纹倾角变化的特征与演变过程,进一步从应力极值线角度描述了受压原生裂纹的次生张性裂纹和次生剪切裂纹的特征。研究结果表明:随裂纹倾角增大第一主应力极值线与原生裂纹相交点从裂纹中部向裂纹端部移动,但剪切应力极值线与裂纹相交点始终位于裂纹端部;第一主应力极值线在与原生裂纹相交处垂直于原生裂纹,但最终方向与压力方向平行;剪应力极值线始终与原生裂纹大致共面。研究结果对认识裂隙岩体试样破坏模式、解释张性次生裂纹和剪切次生裂纹的起裂及发展机理有一定的借鉴意义。     

节理充填物厚度对运动裂纹扩展的影响

为研究冲击载荷作用下节理充填物厚度对裂纹扩展行为的影响,以石膏为有机玻璃预制裂纹充填物,利用新型数字激光动态焦散线实验系统,对3种不同节理充填物厚度的有机玻璃进行三点弯冲击实验。实验结果表明,相同冲击载荷作用下,竖向预制裂纹均竖直向上扩展,是典型的Ⅰ型裂纹,充填物越厚,竖向裂纹越容易起裂。竖直裂纹扩展至水平预制裂纹后,充填物厚度为1、3、5 mm的试件的水平预制裂纹汇聚能量的时间分别为433、2 200、2 580 μs,起裂时的应力强度因子分别为635.2、742.4、906.8 kN/m3/2,表明充填物越厚,水平裂纹越难起裂。水平预制裂纹扩展过程中共发生2次曲裂,是典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,节理充填物越厚,其扩展轨迹越弯曲;当裂纹扩展至距离试件上边界3 mm时,扩展方向偏离第1次裂纹曲裂切线而朝向试件上边界扩展,试件最终断裂,测量发现充填物厚度为1、3、5 mm的试件的断裂点与冲击载荷作用点的距离分别为16.5、11.0、6.0 mm。     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明:3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。