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岩体三维裂隙拉伸断裂机理的试验与数值模拟研究【中文摘要】裂隙岩体是各种岩体工程和环境工程中经常碰到的一种复杂工程介质。
在承受工程荷载时,岩体中大量的裂隙开始萌生、扩展和贯通,导致岩体介质力学性能的劣化以致终极破坏。
因此,岩体中原生裂隙的扩展演化特征、破裂模式以及对岩体力学特性的影响一直为学术界和工程界所重视。
鉴于三维题目在数学处理和现象观测上的复杂性,人们对裂隙题目的研究往往简化为二维情况来处理,但裂隙大都处于三维应力状态(表面裂隙或深埋裂隙),把三维裂隙简化为二维裂隙会引起较大差距。
因此,近年来有关三维裂隙扩展演化机制及其对岩体材料力学特性影响的研究成为岩土工程重要研究课题。
目前压缩条件下岩体中三维裂隙扩展演化机制的试验研究已有一些,但由于试验设备和技术方面的制约,拉伸条件下相应的成果很少。
岩石材料具有低抗拉性,在较低拉伸应力作用下内部裂隙就开始扩展、贯通导致材料破坏。
岩体工程中不可避免的要碰到拉应力区,因此开展拉伸条件下三维裂隙扩展演化机制以及对岩体力学特性影响的研究具有重要的理论意义和工程价值。
物理试验方法和数值模拟方法是研究裂隙扩展题目的有效手段。
本文结合这两种方法开展了以下研究工作:1、通过阅读大量文献,分析比较了以往三维裂隙岩体断裂机理试验中所用各种材料的优缺点。
结合本试验情况,研制了脆性砂浆材料,其物理力学参数与砂岩接近,代替真实岩石进行试验可表现出类似的受力变形特征,并且该材料方便埋设三维裂隙。
2、由于岩石材料直接拉伸试验技术不成熟,故改进了目前采用较多的夹具法和黏结法,设计加工了适用于脆性材料单轴拉伸试验的端部扩大型试件模具、与试件外形配套的夹具以及黏结拉伸轴向定位装置。
3、制作了含不同形式(不同角度、不同间距和不同数目)内置裂隙的试件,并对其进行了单轴拉伸试验,得到了各试件的应力应变曲线,观察分析了试件的受力变形过程,总结了内置裂隙角度、间距及数目对材料力学特性以及裂隙扩展演化过程的影响。
岩体三维裂隙拉伸断裂机理的试验与数值模拟研究的开题报告一、研究背景岩石是地球内部最常见的固体材料之一，它们广泛存在于各种地质构造中，但随着地下地质资源的疏野开采和人类活动的不断增加，地下岩石裂隙的形成和演化越来越引起人们的关注。
岩体裂隙是岩石工程中的重要因素，它们直接影响岩石的物理、力学和水文力学性质，对于工程建设、矿业开发等领域具有重要价值。
因此，对岩体裂隙的研究具有重要的应用价值。
二、研究目的及意义本文旨在研究岩体三维裂隙拉伸断裂机理，通过对岩体裂隙形态、裂隙尺度、裂隙分布和裂隙方向等方面的分析，探讨岩体裂隙形成机理、裂隙演化规律和裂隙阻力等问题，并建立数学模型，模拟岩体裂隙的生长过程，以期为岩体工程建设和矿业开发提供理论参考和技术支持。
三、研究方法本文主要采用试验和数值模拟相结合的方法，试验部分采用岩样拉伸试验方法，利用万能试验机测量样品的应力-应变曲线、裂隙数量、裂隙角度和裂隙长度等数据；数值模拟部分，采用有限元模拟方法模拟岩体三维裂隙的生长规律和断裂机理，通过对不同的岩体结构和参数进行模拟，分析岩体裂隙的分布和形态，探究裂隙性质与岩体力学特征之间的相互关系和作用机制。
四、研究内容及步骤1. 对岩样拉伸试验，测量岩样应力-应变曲线，观察岩样中裂隙数量、裂隙角度、裂隙长度等信息。
2. 建立岩体三维裂隙的有限元模型，进行数值模拟，分析裂隙的分布和形态，探究岩体裂隙与岩石力学性质之间的关系。
3. 将试验数据和数值模拟结果进行对比分析，验证数值模拟的准确性和可靠性。
4. 总结并分析研究结果，得出结论，并提出未来的研究方向和建议。
五、预期成果本研究预期将揭示岩体三维裂隙拉伸断裂机理，提高岩石工程建设和矿业开发的技术水平，并为岩石力学领域的进一步研究提供参考和支持。
同时，本研究还将产生一系列的论文和学术成果，为我国的岩石力学学科发展做出积极贡献。
裂隙岩体三维裂纹动态扩展规律与破断机制裂隙岩体是一种由裂隙网络构成的岩体，裂隙在岩体的形成过程中起着重要的作用。
裂纹动态扩展规律和破断机制是研究裂隙岩体力学行为的关键点，对于地质灾害的预测和防治具有重要意义。
本文将从裂纹动态扩展规律和破断机制两个方面进行探讨。
裂纹动态扩展规律是指在外界作用下，裂纹在岩体中发展和扩展的规律。
一般来说，裂纹动态扩展规律可以分为线性和非线性两种情况。
在线性规律下，裂纹的扩展速度与应力强度因子呈线性关系，即扩展速度正比于应力强度因子。
而在非线性规律下，裂纹的扩展速度与应力强度因子不再呈线性关系，而是随着应力强度因子的增大而增大。
裂纹的动态扩展规律受到多种因素的影响，如岩性、裂隙类型和应力状态等。
其中，岩体的质地和裂隙的形态是决定裂纹动态扩展规律的重要因素之一。
此外，裂纹动态扩展还与岩体的环境条件有关，如温度、湿度等。
这些因素的综合作用决定了裂纹的扩展速度和方向。
破断机制是指在裂纹动态扩展过程中，岩体受到应力作用下的破坏机理。
破断机制可以分为韧性破断和脆性破断两种情况。
在韧性破断中，岩体具有一定的延性，即在受到应力作用下能够发生可逆变形。
而在脆性破断中，岩体则具有较低的延性，受到应力作用后很快发生不可逆变形并形成破碎。
破断机制的选择与岩体的物质性质和应力条件有关。
例如，在高温高压条件下，岩体的韧性破断机制更为显著，而在低温低压条件下，岩体的脆性破断机制则更加明显。
除此之外，破断机制还与裂隙的性质有关。
当裂隙的密度较大，且分布较均匀时，岩体更容易发生脆性破断。
裂纹动态扩展规律和破断机制研究的意义不仅在于理解岩体力学行为的基本规律，还可为工程实践提供理论支持和技术指导。
通过研究裂纹动态扩展规律，可以预测岩体在不同应力状态下的破坏行为，进而为地质工程的设计和施工提供依据。
同时，通过研究破断机制，可以针对岩体的特点开发出相应的防治措施，减少地质灾害的发生。
总之，裂隙岩体裂纹动态扩展规律和破断机制的研究对于理解岩体的力学行为、预测和防治地质灾害具有重要意义。
三维应力下岩石节理面的渗流特性
金爱兵;王贺;高永涛;姚宣成
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(046)001
【摘要】基于渗流场与应力场的耦合关系,从侧向应力引起的侧向变形入手,经过合理的理论推导,给出能够反映节理面在三维应力作用下渗流特性的等效水力张开度-应力公式;根据室内物理试验数据拟合理论公式得到水力张开度的表征经验公式,给出理论公式应用于实际工程的方法,并利用数值试验佐证该公式的合理性;采用
3DEC程序进行三维应力作用下节理面渗流数值试验,为利用3DEC进行类似研究提供有益借鉴.
【总页数】7页(P267-273)
【作者】金爱兵;王贺;高永涛;姚宣成
【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083;北京矿冶研究总院,北京,100070;北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TU46
【相关文献】
1.三轴应力作用下岩石单裂隙的渗流特性 [J], 刘才华;陈从新
2.三维应力状态下岩石各向异性结构面自由剪胀的力学特性 [J], 王艳辉;刘希圣
3.随机荷载作用下岩石节理剪切强度特性研究 [J], 严园;邹兰林;周兴林;谢旭飞
4.三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析 [J], 李新平;米健;张成良;王艳丽
5.三维应力对煤层气-水两相渗流特性影响实验研究 [J], 张晓莹
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岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟梁正召;唐春安;唐世斌;张永彬;于庆磊;张娟霞【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2007(024)003【摘要】采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程.试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程.单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂.分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系.随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律.最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应.【总页数】7页(P334-340)【作者】梁正召;唐春安;唐世斌;张永彬;于庆磊;张娟霞【作者单位】大连理工大学,海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024;大连理工大学,海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024;大连理工大学,海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024;东北大学,工程力学研究所,沈阳,110004;东北大学,工程力学研究所,沈阳,110004;东北大学,工程力学研究所,沈阳,110004【正文语种】中文【中图分类】O242【相关文献】1.基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟 [J], 徐海滨;杜修力2.不同围压下岩石抗压强度与变形参数尺寸效应的数值模拟 [J], 唐伟;赵晓豹;雷继辕;袁彬;刘汉文3.单轴拉伸岩样破坏过程及尺寸效应数值模拟 [J], 王学滨4.混凝土拉伸断裂过程及尺寸效应的数值模拟 [J], 朱万成;林天革;唐春安;黄明利;梁正召5.混凝土压缩断裂过程及尺寸效应的数值模拟 [J], 田瑞俊;杜修力;彭一江因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第23卷第4期岩石力学与工程学报23(4)：620～624 2004年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2004三维应力作用下单一裂缝渗流规律的理论与试验研究*常宗旭1赵阳升1，2胡耀青1杨栋1(1太原理工大学采矿工艺研究所太原 030024) (2中国矿业大学能源科学与技术学院徐州 221008)摘要针对目前国内外在岩石力学学科中争议较大的关于岩体裂缝的渗透系数是否受侧向应力的影响这一焦点问题进行了深入的研究。
建立了单一裂缝岩体在三维应力作用下的物理模型和严密的关系方程，推导出渗透系数计算公式，并对该公式进行了大量的三轴试验数据的验证。
其简化后的仅在法向应力作用下的渗透系数计算公式，与已有的计算公式一致。
分析后得出结论：裂缝侧向应力引起的裂缝侧向变形对其裂缝渗流有重要的影响，其影响规律同样是负指数规律。
关键词岩石力学，裂缝，三维应力，渗流规律，试验研究，理论研究分类号O 357.3文献标识码A文章编号 1000-6915(2004)04-0620-05THEORETIC AND EXPERIMENTAL STUDIES ON SEEPAGE LAW OF SINGLE FRACTURE UNDER 3D STRESSESChang Zongxu1，Zhao Yangsheng1，2，Hu Yaoqing1，Yang Dong1(1Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024 China)(2China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008 China)Abstract A thorough study is carried out to answer whether the permeability coefficient of the fracture in rock is influenced by lateral stresses. The physical model and strict relative equations of rock mass with single fracture under 3D stresses are proposed by considering the tectonic characteristics of fracture in rock. In the model，it is supposed that the fracture in rock is composed of two body matrixes and the fracture is filled by soft material，whoes elastic modulus is much less than that of the body matrixes. Under 3D stresses，the coupling deformation of fillings and body matrixes makes the fillings dense and the permeability coefficient of the fracture decreased，in which the lateral deformation of the fracture plays significant role. The lateral deformation of body matrixes is equal to that of the fillings in fracture when the fracture is very narrow. Meanwhile the density of the fillings in the fracture will be changed with the lateral deformation and consequently the permeability coefficient of the fracture will be changed. The deduced calculation formula of permeability coefficient is examined by large amount of triaxial experimental data of coal and limestone. The simplified calculation formula of permeability coefficient with only normal stress is the same as traditional one. It is concluded that the lateral deformations caused by lateral stresses make important effects on the fracture seepage，whose relation is of the form of negative exponent law. Key words rock mechanics，fracture，3D stress，seepage law，experimental research，theoretical research2002年3月4日收到初稿，2002年5月20日收到修改稿。
裂隙岩体三维裂纹动态扩展规律与破断机制引言：裂隙岩体是由于地壳应力作用而形成的具有一定规模的裂隙网络结构的岩体。
在地质学和工程力学领域中，研究裂隙岩体的力学特性及其裂纹动态扩展规律和破断机制对于岩体工程稳定性评价和设计具有重要意义。
一、裂隙岩体动态扩展规律1.裂纹扩展方式裂隙岩体的裂纹扩展一般分为两种方式，即开裂和滑移。
开裂是指在岩体中形成新的裂隙，滑移是指已存在的裂隙在应力作用下进一步发展。
裂纹扩展方式的选择与岩体的物理力学性质、应力状态、裂隙网络结构及裂隙面间的摩擦特性等因素有关。
2.裂纹扩展速率裂纹的扩展速率是裂隙岩体动态扩展规律的关键参数之一。
裂纹扩展速率与岩体的物理力学性质、裂纹面间的摩擦特性、裂隙网络结构、应力状态及裂隙的初始尺寸等因素有关。
一般情况下，裂纹扩展速率随着应力的增大而增大，并且在达到一定应力门槛值后迅速增加。
3.裂纹扩展路径裂隙岩体中的裂纹扩展路径主要取决于裂隙面间的摩擦特性和岩石的物理力学性质。
当裂隙面之间的摩擦力较大时，裂纹倾向于沿着裂隙面的平行或近平行方向扩展；而当摩擦力较小时，裂纹则倾向于以更大的角度穿过裂隙面。
二、裂隙岩体破断机制1.裂隙岩体破断类型裂隙岩体的破断类型主要包括剪切破断、拉伸破断和剪拉混合破断。
其中，剪切破断是指裂隙面间的剪切应力达到破断强度引起岩体的破裂；拉伸破断是指岩体中的裂隙在张拉应力的作用下发展至破断；剪拉混合破断是指裂隙面间的剪切应力和张拉应力共同作用下导致岩体的破断。
2.破断强度破断强度是指岩石材料在破断前所能承受的最大应力。
裂隙岩体的破断强度与岩石的物理力学性质、裂隙网络结构、裂隙面间的摩擦特性及应力状态等因素有关。
一般情况下，破断强度随着裂隙密度的增加而减小，并且在达到一定裂隙密度后迅速减小。
3.破断模式裂隙岩体的破断模式主要取决于裂隙面间的摩擦特性、裂隙的分布和岩体的应力状态等因素。
常见的破断模式包括剪切破裂、拉伸破裂和剪拉混合破裂等。
