分形(fractal)几何与岩石断裂

岩石断口的不规则性可以统计地认为具有自相似性,由此本文应用新几何——分形(fractal) 几何来描述这种不规则性。建立了穿晶以及沿晶界和穿晶相偶合的微观断裂fractal 模型,用电镜和光学显微镜观察了大量岩石断口的 fractal 特征,得到了 fractal 维数与岩石宏观断裂力学量之间的初步对应关系。     

砂岩蠕变破裂多尺度演化试验研究

岩石随着外载荷的增大发生变形和破坏,当外载荷保持不变时,变形并未停止,仍会持续增加,发生蠕变变形,其根本原因是岩石的非均匀性。岩石蠕变破裂是由岩石内部原始非均匀性引起的微观尺度破裂、细观尺度裂纹扩展和贯通、宏观尺度变形增大和破坏的过程,因此需要对岩石蠕变破裂的多尺度演化机理进行研究。本研究以砂岩为研究对象,从蠕变破裂宏观演化试验和破裂断口微细观扫描试验出发,分析砂岩试样不同尺度变形破裂机理。通过砂岩蠕变破裂宏观演化试验可以看出,在初始蠕变和等速蠕变阶段,岩石表面无裂纹,主要为微、细观裂纹的萌生和扩展。当宏观破裂面形成后进入加速蠕变阶段,在加速蠕变阶段,沿破裂面产生摩擦滑动,最终发生破坏。通过对典型破裂断口的微、细观结构特征分析及不同分析点位的组成成分和元素特征分析可以得出,岩石微观孔隙、裂隙等缺陷发育的结构非均匀性和组成成分的非均匀性是造成砂岩微观破裂和细观裂纹扩展的主要原因。多尺度分析的结果直观的反映了岩石内部裂纹扩展空间位置和扩展方向。这对深入研究岩石蠕变破裂演化机理是十分有意义的。     

对单轴应力状态下砂岩微观断裂发展全过程的实验研究

岩石的最终宏观断裂破坏与其内部微裂隙的发展和集聚有着极为密切的联系,若要想彻底弄清岩石的断裂破坏机理,就必须从岩石的微断裂发展全过程的分析入手。虽然前人对此已作了大量的工作(参见文献[1-12]),但迄今为止,在国内外确实仍未有人对同一岩石试 ...     

非平衡统计断裂力学基础

非平衡统计断裂力学是用非平衡统计概念和方法结合微裂纹(或微空洞)演化动力学从微观机理推导出宏观力学量的断裂理论.它以微裂纹演化方程为核心,结合从微观机理求得的微裂纹长大速率和成核率以及最小强度原理,统一导出微裂纹分布函数、断裂概率、可靠性、失效率、损伤断裂动力学方程、强度、韧度和寿命等各种与断裂有关的力学量的统计分布函数、统计平均值和统计涨落.本文理论可广泛适用于金属和结构陶瓷的脆性、疲劳、延时和环境断裂等多种断裂类型.本文通过金属的脆性、疲劳和延时断裂,扼要综述了上述主要思想、方法和结果.      

加载速率对岩石断裂韧度的影响

在探讨爆炸应力波作用下岩石的破坏特性时,需要用岩石的动态断裂韧度来表征岩石在波动过程中的裂纹发生和发展,即当岩石的微裂纹或缺陷受到了达到或超过其临界值的应力波作用时,便产生宏观的裂纹并随后逐渐发展,导致动态破裂。同时岩石动态断裂韧度是岩石动力学的基本力学指标之一,它也是光面爆破和控制爆破的理论研究和工程设计的主要参数。因而,确定岩石动态断裂韧度具有重要的意义。     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系.试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机...     

岩石压剪断裂过程中的超声波波谱特性研究

岩石破裂过程中的声发射特性不仅与岩石种类有关 ,而且与受到的载荷和破裂进展密切相关 ,岩石受载时的声发射波谱中含有大量与微断裂有关的信息。本文通过岩石压剪加载时峰值前的声发射波谱特性分析 ,探讨了岩石压剪时的微断裂机理 ,揭示了岩石在压剪加载不同阶段的波谱特性与岩石初始非线性、线性响应和临界裂纹扩展之间的相关关系。实验结果表明 ,声发射波谱参数的变化对岩石微断裂进展的响应比载荷本身更为敏感。这一结论为岩石边坡稳定性分析 ,岩爆预测和采矿工程的安全性评估提供了十分有意义的实验依据。     

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷,得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌,引入分形几何定量计算断口面粗糙度;结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理,分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大;不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化;从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响,对于层理倾角为0°的试样,强度由岩石基质控制,但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响;对于层理倾角为22.5°的试样,强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制;对于层理倾角为45°~67.5°的试样,强度与裂纹走向受层理弱面控制;而对于层理倾角为90°的试样,动态抗压强度受岩石基质的影响较大,在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹,导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映,为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响,通过三点弯曲实验和扫描电镜方法,对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验,观察其宏观断裂情况,并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察,并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息,并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高,砂岩穿晶断裂的比例也随之升高,裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加,同时,分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见,加载速率对断裂方式有一定的影响,且加载速率越大断裂所需的破坏能越大,裂纹分布越广,表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。     

A micro–macro method for predicting the shear strength of brittle rock under compressive loading

Microcracks have great significance for shear strength of brittle rock in compression. A major challenge of this area is to establish the correlation of microcracks and macroscopic shear strength. A new micro–macro method is presented to predict the shear strength of brittle rock in compression. This method incorporates the microcrack model suggested by Ashby, Mohr–Coulomb failure criterion and a crack-strain relation. This crack–strain relation is presented to link the crack growth and axial strain by combining the micro and macro definitions from rock damage. The shear strength and stress–strain relationship of Jinping marble are theoretically investigated in detail. The rationality of this suggested method is verified by using the experimental results founded on Jinping marble. Effects of the initial microcrack size, friction coefficient and confining pressure on internal friction angle, cohesion, and shear strength are also discussed.     

Simulation of ground stress field and fracture anticipation with effect of pore pressure

Triaxial compression tests are carried out on the cores with different confining pressure and pore pressure to study the rupture mode and fracture distribution of carbonate rocks in Kenkiyak pre-salt oilfield, and the cores are made into thin sections after experiment. It shows that shear plane, high angle crack, conjugate shear cracks and net fractures will gradually appear with the effective confining pressure, the rock texture is damaged more and more seriously with the increase of effective confining pressure. Tectonic stress field in Kenkiyak Field is simulated by finite element numerical simulation software ADINA considering the effect of pore pressure, this model contains five faults and assumes that two planes of faults could slip with the force to decompress. The simulation results indicate that the total displacement coincides with the practical formation, the simulated tectonic stress fits with the values measured by acoustic emission testing, and the direction of major horizontal principal stress is consistent with the imaging log interpretation data. The fracture rupture rate and density are predicted according to tension and shear rupture rate which derived by simulation results. The fracture density varies widely in the simulated region and cracks develop easily on the structural high position, near the fault because of the increasing pore pressure and extrusion in the process of the tectonic movements.     

雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究

通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷作用下闭合雁形裂纹的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下，不同方位雁形裂纹的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力学参数，提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展三种     

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式,其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先,运用模型元件的方法,将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成,对黏弹性响应的Maxwell体进行改进,将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体,构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型;其次,基于断裂力学及应变能理论,对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析,综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能,得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式;最后,将模型计算结果与实验结果进行比较,模型计算结果与实验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

Impact cutting property of rock material using a point attack bit

The objective of this research was to investigate the impact cutting properties of several rock and cement mortar materials using a point attack bit. To clarify the fundamental impact property of rock material, several impact shear and bending tests were conducted by means of a falling weight method. The fracture probability of rock material at various falling heights was found to depend on Weibull's distribution. The critical impact shear energy corresponding to the fracture probability of 99% was found to increase linearly with the unconfined compressive strength and the shear strength of rock material. The critical impact bending energy increased linearly with the radial compressive strength. To investigate the cutting capacity by a point attack bit, a new rotary impact cutting test machine was constructed. Several relationships between cutting torque, acceleration, cutting volume per unit work and cutting pitch were investigated. The cutting mechanism of rock material using the point attack bit was analysed theoretically from the fundamental impact properties of a cement mortar material, i.e. the critical impact shear energy. It is clarified, experimentally and theoretically, that the cutting torque, the acceleration, and the cutting volume per unit work increased almost linearly with the cutting pitch.     

载荷对Al2O3增强Y-TZP陶瓷磨损特性的影响

采用往复式摩擦磨损试验机研究了10%(质量分数计)Al2O3增强四方氧化锆多晶Y-TZP陶瓷材料(简称10ADZ)在不同载荷下的磨损行为与机制.结果表明:随着载荷的增加和滑动时间的延长,10ADZ陶瓷的磨损率增大,但并非呈线性增加,磨损率增长幅度不同;在62 N低载荷条件下,10ADZ陶瓷的磨损机制以犁沟和塑性变形为主;在124 N载荷下其主要的磨损形式为塑性变形、微切削和微断裂;而在310 N的高载荷下其主要的磨损机制为断裂磨损.     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。