岩石压剪断裂核的试验研究

本文介绍了岩石压剪断裂试件切口端部微裂区的研究成果。通过白光散斑,光弹贴片测试及切片镜检,查明了该微裂区呈不对称的桑叶状,其内部岩石晶粒碎裂,形成多条裂纹,岩石压剪主破裂面沿微裂区边界面扩展。在上述结果基础上,提出了描述该微裂区的岩石压剪断裂核的形状方程。     

岩质高边坡卸荷带形成及其工程性状研究

首先针对边坡开挖或河谷下切的卸荷过程, 讨论了边坡应力场的分布, 提出了边坡二次应力的“驼峰应力分布”规律。在此基础上, 分析了伴随边坡二次应力场的形成, 岩质高边坡卸荷带的形成机理。进-步, 结合三峡船闸高边坡的开挖和监测实践, 讨论了卸荷带的工程地质意义及其力学性状表现。最后, 利用本文的基本观点, 对三峡船闸高边坡卸荷带进行了合理的数值模拟研究。     

有限宽板中心裂纹断裂过程区的长度和位移公式

对岩石、混凝土和陶瓷等准脆性材料进行断裂分析,有必要研究裂纹前端的断裂过程区所起的作用以及各种因素对它的影响。本文提出分析有限宽中心裂纹板剪切断裂过程区的方法,此方法基于D－B模型的叠加原理,考虑了压剪断裂的摩擦阻力,并将有限板宽影响简化为载荷的修正,以非常简便的方法推导出计算断裂过程区长度和位移的公式,这些公式补充了现有文献只有“无限大”板的解的不足。利用这些公式,分析各种参数对断裂过程区长度和位移的影响变得非常方便。     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

龙滩水电站蠕变体B区折断面及折断错滑面成因分 析

通过对广西龙滩水电站左岸边坡蠕变体B区折断面和折断错滑面地质特征,变形特征,滑带充填物特征以及力学参数研究,结合监测,岩体风化以及构造特征、表层岩土体滑移-牵引等特征分析,认为折断面和折断错滑面的形成主要是由于边坡岩性以及河水侵蚀等作用下,岩体的风化差异所造成的,而且在目前有效的工程处理下,由监测资料可知,边坡变形波动较大,变形量值小,没有明显的滑移趋势,稳定性较可靠。     

Constitutive behavior of a microcracking brittle solid in cyclic compression

A constitutive formulation is presented to determine the “driving force” for Mode I fatigue crack growth in notched plates of brittle solids stressed in uniaxial cyclic compression. For the particular case of a microcracking medium, it is demonstrated that residual tensile stresses are induced ahead of the notch during unloading from the maximum far-field compressive stress. We propose that it is this region of residual tensile stresses at the notch-tip which promotes fatigue crack growth in ceramics along the notch plane in a direction normal to the compression axis. The predictions of the analysis are compared with new experimental results on compression fatigue in brittle solids. Specifically, it is shown that the numerical estimates of the near-tip tensile zone size for microcracking ceramics compare favorably with the experimentally measured distance of stable Mode I fatigue crack growth after the first compression cycle. Experimental information on the threshold stress for microcracking, transition stress for the inducement of residual tension during unloading, and the effect of mean stress on fracture, as well as direct observations of microcracks and crack growth in compression fatigue, corroborate the assumptions and implications of the analysis.     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

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。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象,将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性,设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则,并用模量折减法处理单元开裂,从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析,初步验证了模型的有效性。     

A variational approach to analyze a natural fault with hydraulic fracture based on the strain energy density criterion

A simplified analytical model of the interaction between a hydraulic fracture and an existing natural fault is developed. The mechanical activation of the natural fault as a result of contact with a pressurized fracture is described for plane strain conditions and quasi-static fracture propagation approximation. Using a variational approach, the normal and shear stresses, as well as the boundaries of the open and sliding zones along the fault, are predicted for three stages of the fracturing process (fracture approaching, coalescence, and fluid penetration). An accumulated concentration of shear stress at the tip of the fault’s sliding zone is shown to create sufficient tensile stress to initiate a new tensile crack on the opposite side of the fault, provided either the differential in situ stress is low or the friction coefficient is sufficiently large. The results of direct numerical simulation of the fracture interaction fit the model predictions made from the strain energy density fracture criterion.     

利用锚杆轴力量测定围岩破坏区的方法

本文系统总结了锚杆轴力分布型式,分析了各轴力分布型式的力学机理。结果表明,在围岩不同区内,锚杆所受剪切力具有不同的特点,而且,锚杆所受剪切的特点在锚杆轴力分布中得到了反映。根据以上关系,提出了利用锚杆轴力量测确定围岩破坏区的方法。     

内聚力模型的形状对胶接结构断裂过程的影响

内聚力模型被广泛应用于粘接结构的断裂数值模拟过程中,为深入分析不同形状内聚力模型与胶黏剂性质和粘接结构断裂之间的关系,本文分别采用脆性和延展性两种类型胶黏剂,对其粘接的对接试件进行了单轴拉伸、剪切实验,以及其粘接的双臂梁试件进行了断裂实验.3种类型的内聚力模型(抛物线型、双线型和三线型)分别模拟了以上粘接结构的断裂过程,并与实验结果进行对比.结果发现:双线型的内聚力模型适用计算脆性胶黏剂的拉伸与剪切的断裂过程;指数型内聚力模型较适合计算延展性胶黏剂的拉伸和剪切的断裂过程,临界应力、断裂能和模型的形状参数是分析拉伸和剪切的重要参数;双臂梁试件的断裂过程模拟结果发现,断裂曲线与胶黏剂性质有关,内聚力模型形状参数也有影响.通过实验与计算结果分析,双线型内聚力模型更适合脆性胶黏剂粘接的双臂梁断裂计算,而三线型更适合计算延展性胶黏剂粘接的双臂梁断裂过程,此研究结果对胶黏剂的使用和粘接结构的断裂分析有很重要意义.     

反倾层状岩质边坡失稳的断裂力学分析

反倾层状岩质边坡的高危地质灾害承载体在自然界中普遍存在,为研究其失稳破坏机制,将反倾边坡岩层简化为一个带裂缝的悬臂梁,建立了由一组结构面控制边坡稳定性的断裂力学模型,推导了各岩层结构面等效应力强度因子和岩层及边坡稳定性判据。分析了岩层倾角、层厚、结构面长度、内摩擦角和粘聚力5个因素对边坡的稳定性影响。结果表明,随着岩层倾角和结构面长度的增加,边坡不稳定区域增加,坡脚处的抗滑稳定性减小;随着内摩擦角和粘聚力的增大,边坡不稳定区域减小,坡脚处的抗滑稳定性增大;随着岩层厚度的增大,不稳定岩层的范围基本保持不变,但是岩层的抗滑稳定区域随着厚度增加逐渐向坡脚移动,厚度越大,坡脚处的抗滑稳定性越大。实例分析验证了本文理论的合理与可行性,研究结论对工程实践具有一定指导意义。     

千枚岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究

岩石的宏观断裂与其内部微结构和微缺陷紧密相关,建立岩石微观破裂机理和宏观断裂之间更直观的联系是当今断裂力学的难题之一。本文以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,利用扫描电镜与力学试验等多种测试手段,通过对2种千枚岩岩石断口的微观形貌特征的研究,揭示了千枚岩岩石微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系。指出绢云母千枚岩岩石以沿晶面擦花的微观破裂形式为主,是典型的微观脆性剪断,而硅质板状千枚岩岩石既有沿晶断裂的拉断破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是属于拉、剪破裂并存的微观破裂机制。进一步结合岩石断裂的力学特征,分析千枚岩微观破裂与宏观断裂之间的联系。结果显示:千枚岩岩石在外力作用下的断裂形式与其微观破裂形式是可对应的。这一结论为建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂特征的桥梁提供了依据,具有一定的理论意义。     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

岩石破裂电磁辐射幅值与岩石属性参数的关系

基于岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时传播裂纹引起原子扰动产生的假说, 通过断裂力学理论计算了岩石破裂时的裂纹扩展长度及裂纹面积. 由电磁辐射幅值与裂纹长度 及裂纹面积之间的关系,给出了电磁辐射幅值与岩石属性参数之间的关系表达式. 讨论了主 要的不同属性参数对电磁辐射幅值的影响. 发现电磁辐射幅值随岩石弹性模量增大而增大;岩石破 裂的电磁辐射与岩石的尺寸有关,且岩石尺寸因素影响大于岩性因素影响. 本文的研究结果与现有的 实验结果是吻合的.     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

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。     

基于断裂力学的高寒地区边坡危岩体稳定性分析

高寒地区露天矿山中的危岩体受冻融作用影响时常发生滑塌，为保障露天矿山企业持续生产，对矿山靠帮边坡中存在的危岩体进行基于断裂力学的稳定性分析。以高寒地区某露天矿山为工程背景，分析冻融循环对工程影响，首先建立不同时间点温度场，结合温度场提出一种方法来判定冻融深度是否能影响主控结构面产生冻胀力。引入最大周向应力准则对坡体中出现的拉裂缝进行分析，进而推导出安全系数表示方法。以反倾岩质边坡为研究主体，将边坡危岩体拆分为n个潜在不稳定的近似矩形岩体，并基于此建立考虑冻胀力、裂隙水压力与重力共同作用的断裂力学边坡稳定性计算方法。针对相应算例，通过该方法计算得到分割后各岩体的安全系数，并发现冻胀力对岩体稳定性有一定程度影响，结合工程实际验证了提出方法的可行性。最后结合相关危岩稳定性评价标准，针对不同岩体稳定性情况提供相应治理措施。