单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟
16岩石单轴压缩试验原始记录 1
平均值（MPa）
编号
荷载（kN）
1
轴向应力（MPa）
△L1/(L= )
△L2/(L= )
平均纵向应变10-2
2
轴向应力（MPa）
△L1/(L= )
△L2/(L= )
平均纵向应变10-2
3
轴向应力（MPa）
△L1/(L= )
△L2/(L= )
平均纵向应变10-2
编号
弹性模量（MPa）
岩石单轴压缩变形试验记录表
委托编号
样品编号
委托日期
岩石种类
岩石规格
检测日期
使用部位
岩石状态
岩石产地
试验依据
SL/T264-2020《水利水电工程岩石试验规程》
仪器设备
30T电液伺服万能试验机YHZ-JC-009
岩石单轴抗压强度（MPa）
底面直径（mm）
顶面直径（mm）
试件高（mm）
平均直径（mm）
破坏荷载（N）
变形模量（MPa）
单值
均值
单值
均值
1
2
3
备注
[说明]1.计算公式： ; ;
式中 ---应力，MPa; P---荷载，N；A---试件截面面积，mm2;Ee----岩石弹性模量，MPaμe----岩石弹性泊松比；σa---应力与纵向应变关系曲线上直线段起始点的应力值，MPa；σb---应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值，MPa;εha---应力为σa时的纵向应变值；εhb---应力为σb时的纵向应变值；εda---应力为σa时的横向应变值；εdb---应力为σa时的横向应变值；E50----岩石变形模量，即割线模量，MPa;σ50---抗压强度50%时的应力值，MPa;
页岩弹性参数对Ⅰ型应力强度因子影响的研究
« 整理得到:
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(1)
/ 1+2) = / ( 1 )+/2 ) + M (ia) 其中,M (1’ 2) = 卜 ' 峥
(2) (3)
I 型断裂力学参数很有必要。本文首先利用单轴压缩 试 验 获
(3)可 求 得 I 型裂纹的应力强度因子。
M (l,2) = 1 _
⑷ 其中,M (1， 2)为 真 实 场 与 辅 助 场 的 相 互 作 用 积 分 。再利用式
1 . 1 应力强 度因 子的有 限元 法解法
[1]
[2]
S O - S 9 -O -S 9 -O -S
郭 莹 ， 高军程.初始成样含水率对饱和细砂固结与剪切过 [ 3 ]
Vincent B , Gregorio De. Loading systems, sample preparation, and liquefaction [ J ]. Journal of Geotechnical En1 7 年 4 月
SH ANXI ARCHITECTURE
山
西
建
筑
V ol . 43 N o .10 Apr . 2017
文章编号： 1009-6825 (2017) 10-0072-03
页 岩 弹 性 参 数 对 I 型应力强度因子影响的研究
李荣免
(四川大学建筑与环境学院， 四 川 成 都 6102〇 7 )
郭 莹 ， 王跃新.原状与重塑粉土固结不排水剪切特性的对 比试验[J ] •水利学报,2011， 42(1):68-75.
Study on the influence of sample preparation on image measuring system of sand
岩石单轴压缩、拉伸、巴西劈裂数值实验模拟
2.1 软件的基本原理
RFPA 是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的 Coulomb 破坏准则为介质变形和破坏分析模块的真实破裂过程分析系统。 其基本 思路是： 1）材料介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，材料介质在细观上 是各向同性的弹-脆性或脆-塑性介质； 2）假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（如 weibull 分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系； 3）按弹性力学中的基元线弹性应力、应变求解方法，分析模型的应力、应 变状态。RFPA 利用线弹性有限元方法作为应力求解器； 4）引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元的相变临界点 用修正的 Coulomb 准则； 5）基元的力学性质随演化的发展是不可逆的； 6）基元相变前后均为线弹性体； 7）材料介质的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力 的影响。
2.2 软件的网格划分
RFPA 选取等面积四节点的四边形单元剖分计算对象。为了使问题的解答足 够精确，RFPA 方法要求模型中的单元足够小（相对于宏观介质），以能足够精
确的地反映介质的非均匀性。但它又必需足够大（包含一定数量的矿物和胶结物 颗粒，以及微裂隙、孔洞等细小缺陷），因为作为子系统的单元实际上仍是一个 自由度很大的系统，它具有远大于微观尺度的细观尺度。这以要求正是为了保证 使剖分后的单元性质尽量接近基元性质。尽管这样会增加计算量，但是问题的处 理变得简单， 而且随着计算机技术的高速发展， 计算机瓶颈的影响将会逐渐消除。 由于模型中的基元数量足够多，宏观的力学行为，本质上是介质大量基元力学行 为的集体效应。
（a）step42-01
（b）step52-02
（c）step70-06
图 3、RFPA 模拟单轴拉伸条件下的破坏过程、最大主应力场、声发射累计分布图
岩石动态剥落破裂的数值模拟
岩石动态剥落破裂的数值模拟引言岩石动态剥落破裂是地质灾害中的一种严重类型，其产生的原因多样，如地震、爆炸、水力冲击等。
对于这种问题，数值模拟方法已被广泛应用于地质工程领域，以预测和评估岩石动态破裂过程的破坏性和具体效果，以及结构的稳定性和保护性能。
本文将介绍目前常用的岩石动态破裂数值模拟方法，包括有限元法和离散元法，并分析其优劣和应用范围。
一、有限元法有限元法是解决结构力学中的问题的常用方法，包括岩石动态破裂模拟。
其基本思想是将复杂的结构分解成若干个小元素，并对每个小元素进行简化模型假设，利用数值方法对每个小元素进行求解，最后将结果组合得到全局结构的反应。
在岩石动态破裂模拟中，将峰值强度、应力波传播、岩石内损伤等问题转化为有限元数值求解问题，可大幅简化问题的求解过程。
有限元法在岩石动态破裂模拟中的应用主要涉及到以下几个方面：1、破裂过程的数值模拟：破裂过程的分析对于预测和评估破坏的具体情况至关重要，有限元法能够对破裂过程进行数值模拟；2、弹性介质中应力波传播的数值模拟：应力波传播的速度、频率对于岩石破裂具有重要影响，有限元法可以计算弹性介质中应力波传播的特征及其影响；3、岩石内部损伤行为的数值模拟：岩石内部微观结构的变化对于破裂行为的发生有着直接的影响，有限元法可以模拟并计算微观尺度上的变化。
有限元法的优点在于：1、求解过程简便快捷；2、可对各种不同类型和形状的结构进行模拟；3、适用于各种不同工况下的模拟。
其缺点在于：1、仅适用于小小尺度下，如旋转对称或轴对称问题的处理等；2、计算机资源投入较大，对于大规模结构的处理难度较大；3、需要对于每个小元素进行较好的建模。
二、离散元法离散元法是一种分子动力学模型，其首要任务是模拟模型中各种物质颗粒在自然环境下的运动行为，其模型假设是颗粒物的弹性和摩擦不存在。
离散元法最初被应用于地质动力学的问题中，由于其适用范围广、计算速度快、能够对多种不同类型的物体进行建模等优点，迅速成为岩石动态破裂模拟中最常用的方法之一。
基于双屈服条件准则的横观各向同性本构模型研究及其数值模拟
基于双屈服条件准则的横观各向同性本构模型研究及其数值模拟QU Guangxiu;REN Peng【摘要】为研究层状岩体的力学特性,提出基于双屈服条件强度准则的本构模型.基于双屈服条件强度准则,联合横观各向同性的广义虎克定律刚度矩阵建立考虑横观各向同性的本构模型,并结合岩石单轴压缩试验数据,通过最小二乘法拟合该模型的参数;实现该模型的单轴压缩试验数值模拟,并通过室内单轴压缩试验结果对数值模拟结果进行验证,分析模型的可靠性.研究结果表明:本文提出的本构模型在层状岩体的力学分析方面具有适用性,为层状岩体力学特性研究及层状岩质边坡的稳定性分析奠定了基础.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2019(016)006【总页数】6页(P1448-1453)【关键词】横观各向同性;本构模型;双屈服条件强度准则;数值模拟【作者】QU Guangxiu;REN Peng【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TU458层状岩质边坡广泛分布于我国西南地区，其明显的横观各向同性力学特性对边坡的稳定性有着显著影响，因此如何建立适用的本构模型以探究其力学行为具有重要的工程实践意义。
关于横观各向同性岩石的本构模型研究，国内外学者进行了大量研究。
刘运思等[1]通过室内试验对横观各向同性岩体的弹性参数进行了研究。
Gonzaga等[2]通过三轴压缩试验研究了如何确定横观各向同性岩石的力学参数。
ZHANG等[3−5, 11]通过不同试验手段研究了横观各向同性岩石的破坏机理，探讨了加载速率对破坏过程的影响。
熊良宵等[6−8]采用数值模拟方法，探讨了横观各向同性岩体的力学特性。
Colak等[9−10]对横观各向同性岩体的破坏强度准则进行了研究。
上述研究成果大都基于Hoek-Brown准则，描述横观各向同性岩体的强度和变形特征，并提出不同的强度准则和弹塑性本构模型，但大多研究成果仅从强度或者变形特征这种单一因素考虑横观各向同性岩体的本构模型，如何科学地描述层状岩石的强度和变形特征仍值得商榷。
单轴压缩过程中岩石变形破坏机理
单轴压缩过程中岩石变形破坏机理摘要：岩石是地球表层的主要构成物质，其变形破坏机理是地质学、地球物理学、岩土力学等领域研究的重要内容之一。
本文主要围绕单轴压缩过程中岩石的变形和破坏机理进行探讨，从微观和宏观层面分析了岩石变形破坏的机理，对于加深对岩石力学性质的认识和岩体工程设计具有一定的指导意义。
关键词：单轴压缩；岩石变形；岩石破坏；机理一、引言岩石是地球表层的主要构成物质，其地质力学性质对于地质灾害防治、矿产资源勘探和开采、地下工程建设等具有重要意义。
岩石的变形和破坏是岩石力学研究的核心内容之一，而单轴压缩实验是岩石力学中最基本、最重要的实验之一，能够模拟岩石在地球内部受到的单向应力，揭示岩石的变形和破坏机理。
本文将围绕单轴压缩过程中岩石的变形和破坏机理进行探讨，从微观和宏观层面分析了岩石变形破坏的机理，对于加深对岩石力学性质的认识和岩体工程设计具有一定的指导意义。
二、单轴压缩实验概述单轴压缩实验是岩石力学中最基本、最重要的实验之一，其主要原理是使岩石试样在一个方向上受到单向压缩应力，从而模拟岩石在地球内部受到的单向应力。
实验中通常采用圆柱形或立方体的岩石试样，通过加压机施加压力，测量岩石试样的应变和应力变化，从而研究岩石的变形和破坏机理。
三、岩石变形机理岩石的变形是指岩石在受到外力作用下发生的形状和大小的变化，包括弹性变形和塑性变形两种形式。
岩石的破坏是指岩石在受到外力作用下失去原有的力学性质和稳定性，出现破裂和破碎的现象。
1. 岩石的弹性变形岩石的弹性变形是指岩石在受到外力作用下，能够在一定范围内恢复原有的形状和大小的变化。
在单轴压缩实验中，当岩石试样受到一定的压力时，岩石试样会发生弹性变形。
当压力撤离时，岩石试样会恢复原有的形状和大小。
2. 岩石的塑性变形岩石的塑性变形是指岩石在受到外力作用下，发生不可逆的形状和大小的变化。
在单轴压缩实验中，当岩石试样受到足够大的压力时，岩石试样会发生塑性变形。
第九章岩石力学数值模拟分析
要实现了解岩体结构的破坏特征及动态破坏过程的 目的，则只能采用离散单元法、非连续变形法或流形元 法，因为这些方法就是针对岩体介质的非连续性而提出 的。
此外，对于一个具体问题，是进行平面分析或是进 行三维分析，也需做出恰当选择。严格地讲，所有的问 题都是三维的，但如果采用平面分析既能达到目的，计 算结果误差也不大，为了降低费用和快速方便起见，则 以采用平面分析为宜。反之，则应采用三维程序代码进 行计算分析。
第九章岩石力学数值模拟分析
发展方向
采用可以达到完全并行的EBE策略，可以完全突破大规模计算对串行计算 机的内存和计算速度的限制。理论上而言，只要参与计算的节点足够多， 就可以对任意规模的数值计算问题进行求解。 虽然采用EBE策略的预处理共轭梯度法是解决有限元并行计算很有效的方 法，也是有限元并行计算发展的一个重要方向。尤其是在非线性问题中， EBE方法的效率是很高的。但是目前的各种预处理方法，不仅仅是EBE策 略的预处理，就是对整体矩阵进行的预处理，都很难从理论上说明那一种 更有效。如何给出一个有效的预处理方法仍然是一个需要解决的问题。另 外，EBE方法在非线性问题中的收敛性也是需要进行研究的问题。
第九章岩石力学数值模拟分析
现今可用于对岩体工程结构进行力学分析的数 值方法多种多样，每一种方法有其针对性和特点， 对一个具体的问题用数值模拟方法进行分析时，应 选择一种最适合该问题的方法进行研究。
数值模拟方法的选择，取决于研究对象即 岩体工程结构的岩石力学性质和数值模拟的目 的。
第九章岩石力学数值模拟分析
第九章岩石力学数值模拟分析
动力分析
动力响应分析 在这方面内容中，研究最多的是直接积分法， 并取得了很大的成果。例如，高昀采用 LD LT 分解方法，在 Transputer及网络机群环境下，实现了基于Newmark方法的 的动力响应分析。 结构的动力特性研究 在这一方面，相对于动力的响应分析 来说，研究的相对较少。T.Hwang和I. D. Parsonsp网格法在 MIMD并行计算机上求解特征值问题。国内在这一方面也做 了大量的工作，主要是采用Lanczos方法对其进行求解。另 外，徐甲同采用QIF分解方法对多处理机上矩阵特征值的并 行计算进行了研究。
岩石横观各向同性参数试验研究
摘
要 ： 横 观 各 向 同性 理 论 出发 ， 现 场 采 集 的岩 样 进 行 室 内单 轴 压 缩试 验 和 巴西 劈 裂 试 验 ， 岩 石 的各 向异 性 从 对 对
参 数 进 行 了 研 究 ， 讨 了弹 性 模 量 、 压 强度 和抗 拉 强 度 随 岩 层 倾 角 变 化 的 规 律 ， 探 抗 以及 压 力 和 拉 力 作 用 下 各 个 不 同
组试 验结 果均取 平均值 。
２ 试 验 研 究
现 场采样 时 ， 坡 尚未 开挖 ， 边 通过 对多处 外露 岩
层 产状 的量测 ， 我们 可 以推 算 出岩层 产状 ： 向为 倾
Ｓ ２０ 倾 角 为 ３￣ Ｅ １￣ ； ０。
如 图 ２所示 ， 在试 样立 面 的中 间位 置粘 贴 四组 对称 的横 向和纵 向应变 片 ， 而后 将其 放 在 万 能 材 料 试验 机上 沿竖 向加载 ， 至破坏 。施 加在试 样上 的 直
中 图分 类号 ： ＴＵ４ ５ ５ 文献标识码 ： Ｂ 文 章 编 号 ： ０ ４３ ５ （０ ８ Ｏ—ＯＯ １ ０— １２ ２ ０ ） ３８—３
’
采 用钻孔 取 芯法 ， 一定 的 ０方 向取样 （ 按 为 层
１ 前 言
岩石在 形成过 程 中就有 层理 、 片理 等特征 ， 组成 岩 石的矿物 结 晶颗 粒 又具有 不 同的大小 以及组 合方 式， 造成岩 石具有 不 同层次 的结构 构造 。因此 ， 沿着
的弹 性不 稳定 而失 败 ； 当高 径 比为 ２ ５ ３ ０时 ， 而 ．～ ．
样 品处 于弹性 稳定 状 态 ， 而且 岩 样 中的 应 力分 布 较
进 行探讨 。
验， 则可得 出 Ｅ 和 ； 反之 ， 行 于 各 向同性 面 加 平
双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟
第 54 卷第 10 期2023 年 10 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.10Oct. 2023双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟李恒1，杨圣奇1, 2，孙博文2，杨景2，董志锦2，温森3(1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州，221116；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州，221116；3. 河南大学 土木建筑学院，河南 开封，475004)摘要：针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究，采用PFC 2D 建立层状复合岩层离散元模型，通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性，研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响，得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式，揭示裂纹演化规律及位移场变化。
研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势，而随层理倾角θ增大表现为“U ”型变化规律；与完整试样相比，双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%~42.0%；双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型，分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型)；试样的破坏模式在θ=0°~45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式，在θ=60°~75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式；在θ=0°~45°时，翼裂纹垂直于主裂隙起裂，随岩桥倾角增大，翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面，导致试样最终被破坏；在θ=60°~75°时，裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面，导致试样破坏；在θ=90°时裂纹沿层理面发生岩桥贯通，翼裂纹在岩层内扩展形成宏观破裂面并导致试样破坏。
《2024年三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》范文
《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程是地质学、岩土工程学等领域的重要研究内容。
随着科技的发展，三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究逐渐成为研究热点。
本文旨在探讨三维条件下的岩石破裂过程，并对其数值试验方法进行研究，以期为相关领域的研究提供参考。
二、岩石破裂的基本理论岩石破裂是指岩石在受到外力作用时，内部应力超过其承受极限，导致岩石结构破坏的现象。
岩石的破裂过程受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、地质构造、应力状态等。
在三维条件下，岩石的破裂过程更为复杂，需要考虑多方向应力、温度、湿度等因素的影响。
三、三维条件下的岩石破裂过程分析1. 理论模型：在三维条件下，岩石的破裂过程可以通过建立理论模型进行分析。
常用的模型包括弹性力学模型、塑性力学模型、断裂力学模型等。
这些模型可以描述岩石在不同条件下的应力、应变及破裂过程。
2. 数值模拟：通过数值模拟方法，可以更直观地了解岩石的破裂过程。
常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。
这些方法可以模拟岩石在不同条件下的应力分布、裂纹扩展及最终破裂形态。
3. 实验观察：通过实验观察，可以更深入地了解岩石的破裂过程。
实验方法包括光学显微镜观察、电子显微镜观察、声发射监测等。
这些方法可以观察岩石的微观结构变化、裂纹扩展及破裂模式。
四、数值试验方法研究1. 有限元法：有限元法是一种常用的数值试验方法，通过将岩石划分为有限个单元，求解每个单元的应力、应变及位移等参数，从而分析岩石的破裂过程。
该方法可以处理复杂的几何形状和边界条件，但需要较高的计算成本。
2. 离散元法：离散元法是一种基于刚性块体运动的数值试验方法，适用于模拟岩体的不连续性。
该方法通过考虑块体间的接触和相互作用，模拟岩体的破裂过程。
其优点是可以处理大变形和失稳问题，但需要较细致的模型构建。
3. 结合实际：在实际应用中，可以根据研究目的和岩石性质选择合适的数值试验方法。
岩石单轴抗压试验大纲
岩石单轴抗压试验大纲（测定了泥质板岩横观各向同性的5个弹性常数）一、试验的目的：岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。
通过该实验，获得了泥质板岩不同加载方向下的单轴全程应力应变曲线、测定泥质板岩横观各向同性的5个弹性常数，并了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。
二、试样制备：1、试料可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块。
在取料和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。
2、本次试验采用圆柱体作为标准试样，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.4cm，高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。
同时为了对比圆柱体和长方体试样对试验结果的影响，本次试验也制备了一些长方体试样，但是数量少一点。
长方体尺寸为长和宽均为5cm，允许变化范围为4.8～5.4cm，高10cm,允许变化范围为9.5～10.5cm。
3、对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径之比宜为2.0～2.5。
4、制备试样时采用的冷却液，必须是洁净水，不许使用油液。
5、对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制样。
6、试样取样角度为0°、45°和90°（视试样材料是否足够，在允许情况下，可以多增加30°和60°试样），取样角度定义为岩样轴线与层里面的夹角，试样数量：每组须制备至少3个。
7、试样制备的精度。
(1)在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。
(2)两端面的不平行度，最大不超过0.05mm。
(3)端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25°。
三、试样描述：试验前的描述，应包括如下内容：1、岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，风化程度，胶结物性质等特征。
2、节理裂隙的发育程度及其分布，并记述受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。
3、量测试样尺寸，检查试样加工精度，并记录试样加工过程中的缺陷。
试件压坏后，应描述其破坏方式。
岩石各向异性的单轴压缩试验研究
第 ５卷
第 ３期
铁 道 科 学 与 工 程 学 报
Ｊ ＯＵＲＮ Ｉ Ａ ＳＣＩＮＣＥ ＡＮ Ｅ ＡＬＯＦ ＲＡＩＷ Ｙ Ｅ Ｄ ＮＧＩ ＥＲＩＧ ＮＥ Ｎ
Ｖ Ｉ５ ＮＯ ３ ｏ ． ．
２０ ０８年 ６月
Ｊｎ ｕ ｅ．２ ｌ ０８ Ｄ
天然 岩 体 因 在 成 岩 过 程 中形 成 的 层 面 、 裂 微
隙、 微孔 隙 、 层理 等缺 陷而 表现 为各 向异性 ， 对 一 但
般情况 ， 由此而 引起 的各 向异 性性 质表 现还 不太 明
接 地说 ， 何岩 石 内部 均存 在 着 大 量 缺 陷 （ 观 的 任 微 或 宏 观 的）使 岩体 很 多方 面的性 质 （ ， 如抗 压 、 拉 、 抗 抗 剪 强度 及 弹模 等 ） 现 出 各 向异性 ［ 。在 此 ， 表 ｓ 一
ｉ ｅ ｒ ｇ ｇｎ ｅ ｎ ． ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｉｏｒ ｐｃ； ｎ ａ ｉ ｏ ｒ ｓｉｎ； ｘ ｒｍｅ ｔ ｔ ｄ Ｙｏ ｎ Ｓ ｍｏ ｕｕ ； ｏｓｏ Ｓｒ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｓ ｔ ｉ ｕ ｉｘａ ｃ ｍｐ ｅ ｓｏ ｅ ｐ ｉ ｎ ａ ｓｕ ｙ： ｕ ｇ’ ｄ ｌｓ Ｐ ｉｓ ｎ’ ａ ｉ ｎ ｏ ｌ ｅ ｌ ｏ
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单轴压缩作用下单裂隙类岩石的力学特性分析
单轴压缩作用下单裂隙类岩石的力学特性分析随着经济的快速发展，建筑、水利和能源等领域的工程建设越来越多。
岩石作为地球的主要构成部分，其力学特性对工程施工和安全性具有极其重要的影响。
因此，深入研究岩石的力学特性是非常有必要的。
一般情况下，岩石是由众多石粒组成的。
而单裂隙岩石则是在岩石内部形成裂隙，这些裂隙会导致单裂隙岩石的力学性能与普通岩石有所不同。
本文将结合实验结果，分析单轴压缩作用下单裂隙类岩石的力学特性。
一、实验方法本次实验所选取的样品为单裂隙类岩石，实验设备采用万能材料试验机。
首先，采用裂隙厚度计测定岩石内部裂隙的厚度，然后将样品放入万能材料试验机中，以单轴压缩的方式进行实验。
实验过程中，记录岩石的应力-应变关系曲线，并用户分析单裂隙岩石的力学特性。
二、实验结果根据实验过程的记录，单裂隙类岩石的应力-应变曲线如图1所示。
（插入图1：单裂隙类岩石的应力-应变曲线）由于岩石内部存在着裂隙，因此在应力达到一定水平后就会发生破坏。
根据应力-应变曲线，可以获得单裂隙类岩石的最大应力、极限应变等参数。
相比于普通岩石，单裂隙类岩石存在明显的应力集中现象，且破坏强度明显低于普通岩石。
三、分析与讨论1.单裂隙类岩石的应力集中性实验结果表明，单裂隙类岩石存在显著的应力集中现象，这是由于岩石的内部裂隙导致应力分布不均所致。
因此，在实际工程应用中，需要特别注意单裂隙类岩石的裂隙情况，避免出现崩塌等安全事故。
2.单裂隙类岩石的破坏形式与普通岩石相比，单裂隙类岩石的极限应变较小，且破坏形式有明显的裂纹扩展。
由于裂隙的存在，裂纹扩展速度加快，导致破坏更加突然和剧烈，需要采取特殊的工程防护措施。
3.单裂隙类岩石的裂隙密度对力学性能的影响实验结果表明，裂隙密度对单裂隙类岩石的力学性能有着显著的影响。
当裂隙密度越大，岩石的破坏强度越低，而裂纹扩展速度则变得越快。
因此，在实际工程应用中，需要进行详细的岩石裂隙分析，以确定裂隙密度，并采取相应的工程措施。
体积压裂中的岩石脆性指数及其数值模拟
Ａｕｇ，２０１９
第 ３８卷第 ４期
Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇｅｏｌｏｇｙ＆ ＯｉｌｆｉｅｌｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＤａｑｉｎｇ
Ｖｏｌ３８Ｎｏ４
ＤＯＩ：１０１９５９７／ＪＩＳＳＮ１０００３７５４２０１８１１０６６
体积压裂中的岩石脆性指数及其数值模拟
王 勇
（大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江 大庆 １６３４５３）
为零，则表征岩石破坏彻底、脆性指数高，在体积
压裂过程中易形成复杂的裂缝网络；相反，脆性指
数低的岩石破坏时表现为岩石即使达到峰值强度
后，岩石可发生较大程度的塑性变形，即使发生破
坏，其残余强度也与峰值强度接近或相差较小。因
此，可利用公式 （１） 对岩石的脆性特征进行定量
评价，公式为
ＩＢ
＝τｐ －τｒ τｐ
参数，因此从其物理意义上来看，该参数是用于表
征岩石破坏程度的参数。基于弹性参数和基于矿物 组分的表 征 方 法 在 页 岩 中 应 用 较 多［４］， 但 由 于 其
未直接表征岩石的破坏特征，该方法仅在某些地区
或某些岩性上适用。基于上述认识，选取与破坏相
关的参数表征体积压裂中的岩石脆性更为科学合
理。由于全应力应变或强度特征参数以及破坏过程 中能量参数的各类方法［５１０］能够对岩石的脆性指数
收稿日期：２０１８１１２８ 改回日期：２０１９０３１１ 基金项目：国家科技重大专项 “松辽盆地致密油开发示范工程” （２０１７ＺＸ０５０７１）。 作者简介：王 勇，男，１９８７年生，工程师，从事压裂增产改造技术研究与应用。
Ｅｍａｉｌ：ｊｘ＿ｗａｎｇｙｏｎｇ５＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａｃｏｍｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘｔｏｇｕｉｄｅｔｈｅｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｌｕｉｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｆｏｒｅａｃｈｋｉｎｄｏｆｔｈｅｒｏｃｋｒｅｓｅｒｖｏｉｒ，ｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｎｄｃｈａｎｇｅ ｌａｗｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｔｈｅｒｏｃｋｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｔｏｔａｌｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｃａｎｓｈｏｗｔｈｅｒｏｃｋｄａｍ ａｇｅｆｅａｔｕｒｅｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｍｏｄｅｌ ｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｒｏｃｋｄａｍａｇｅｆｏｒｅａｃｈｆａｃｔｏｒｍａｙｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｒｏｃｋｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｏｔａｌ ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｍｏｒｅｏｖｅｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｋｅｙｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅ，ｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｒｏｃｋｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｏｓｓｅｓｓｅｓｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅｓ： ｓｔｒｏｎｇｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ，ｎｏｔｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｌｅｖｅｌａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔｔｈｅｒｏｃｋｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙｄｅｇｒｅｅ，ｇｒａｖｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｏｏｎｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔ ｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｒｏｃｋ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｏｆｔｈｅｒｏｃｋｄｅｔｒｉｔａｌ＆ ｇｒａｖｅｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｓ，ａｎｄｍｏｒｅｏｖｅｒｗｉｔｈ ｔｈｅｒｉｓｅｏｆｔｈｅｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘｉｎｃｒｅａｓｅｓ；ｗｈｉｌｅｔｈｅｒｉｓｅｓｏｆｔｈｅｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄ ｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈ，ｔｈｅｉｎｄｅｘｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｎｄｌａｗｓｓｔａｔｅｄａｂｏｖｅ，ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｅｄｓｕｇ ｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅＳＲＶｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘ；ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｖｏｌｕｍｅ（ＳＲＶｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ）
数值岩石试样破裂过程多重分形特征
数值岩石试样破裂过程多重分形特征杨宇江;李元辉【摘要】采用数值分析的方法和 FLAC3D软件,建立服从应变软化关系的非均质岩石试样模型。
引入多重分形理论,通过盒计数法计算了单轴加载过程中峰前某一阶段单元体积应变的多重分形谱f(α)。
分析了f(α)-α曲线特征参数 Df和Dα随加载过程的阶段特征,不同均匀程度的岩石试样在临近峰值强度前Dα和f(α)max 的变化规律。
研究结果表明,采用多重分形理论对单元体积应变的空间分布特征进行描述,可以在较大的尺度内满足标度不变性。
通过不同的参量进行概率计算得出的f(α)略有不同,但动态变化规律相近,f(α)曲线呈左钩形状,随着载荷的增加 Df变大,而Dα变小。
当不是所有的盒子内都存在可测度的参量时,f(α)max 随载荷的增加而增长。
对于均匀程度不同的试样,峰前f(α)max 与Dα随均匀性的增加而减小,但在均匀性较高以后,逼近于某一常数。
%A heterogeneous strain softening rock specimen was established with the numerical code FLAC3D .The multi-fractal spectrum f(α)of the elements volumetric strain at the pre-peak of rock specimen under uniaxial loading was obtained by using the box-counting method.The change rules of multi-fractal spectrum characteristic parameters,Dαand Df,with the different stages of loading process were analyzed.The characteristics of the f(α)curve vertex f(α)max and Dαwith different heterogeneity of rock specimen near the peak strength was studied.The results show that the double logarithmic diagram would keep scale invariance in a wide range when the multi-fractal was used to describe the spatial structure of elements volumetric strain.The f(α)curves shape and variation are similar to different parameter probabilisticcalculation method.The shape of the multi-fractal spectrum show left hook.The Df increase with the loading process.At the same time,theDαtrend to decrease.If the possibility of null events exist in some of the boxes,the f(α)max increase with the loading.There is an obviously decrease tendency of the f(α)max and Dαwith the decrease of the heterogeneity within limit at the pre-peak of rock specimen.However,they would be constants while the homogeneity increased to a certain extent.【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2016(033)005【总页数】6页(P796-801)【关键词】非均匀性;数值模拟;多重分形谱;标度不变性【作者】杨宇江;李元辉【作者单位】辽宁科技大学矿业工程学院，鞍山 114051;东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110004【正文语种】中文【中图分类】TP273;O242.1分形几何是由Mandelbrot发展起来的一门新的数学分支，通过自相似性和分形维数来描述自然界不规则以及杂乱无章的现象和行为[1]。
横观各向同性岩石临界应变能释放率试验研究
横观各向同性岩石临界应变能释放率试验研究高吉超;李江腾;王慧文【摘要】To explore the anisotropy of crack propagation for layered slate, fracture mechanics parameters (elastic modulus, shear modulus, Poisson ratio, compressive strength) of transversely isotropic slate were tested by constant displacement load relaxation method of double torsion using MTS insight. Critical strain energy release rate was obtained. The relationship among release rate of critical strain energy, angle of bedding, compression strength and elastic modulus were discussed according to the analysis of test results. The results show that critical strain energy release rate decreases and then increases with the increase of angle of bedding because of bedding structure of slate. Critical strain energy release rate reaches the minimum in the middle and the maximum on the two sides, which presents a U change rule. Release rate of critical strain energy increases with the increase of compression strength and elastic modulus. The curve of release rate-compression strength of critical strain energy and the curve of release rate- elastic modulus of critical strain energy accord with linear rules.%为了探究层状板岩裂纹扩展的各向异性,利用MTS insight电子拉力试验机,采用双扭常位移松弛试验对横观各向同性板岩断裂力学参数(弹性模量,剪切模量,泊松比,抗压强度)进行测试,得到临界应变能释放率.通过对试验结果进行分析,探讨横观各向同性板岩的临界应变能释放率随层理角度、抗压强度和弹性模量的变化规律.研究结果表明:板岩受层理构造的影响,临界应变能释放率随层理角度的增加先减小后增大,呈现出两端大、中间小的"U"形变化规律,并且随着抗压强度和弹性模量的增大,临界应变能释放率也相应增大,且呈很好的线性关系.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(049)005【总页数】6页(P1197-1202)【关键词】横观各向同性;临界应变能释放率;层理角度;抗压强度;弹性模量【作者】高吉超;李江腾;王慧文【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TU452自然界中存在大量的层状岩体，与各向同性岩体相比，层状岩体的变形和强度特性具有明显的各向异性，层理状岩石在层理面力学性质变化不大，垂直层理面方向上的力学性质却有较明显变化，一般在力学上可将其处理成横观各向同性岩体[1]。
层状岩体单轴和双轴压缩蠕变特性的数值试验
层状岩体单轴和双轴压缩蠕变特性的数值试验的报告，600字
本报告旨在研究不同类型层状岩体（单轴和双轴）的蠕变特性，采用定向试验方法分别测试单轴和双轴压缩蠕变特性。
实验材料采用的是一个Y号水泥砂浆，其中石英砂的比重是2.6，粉煤灰的比重是2.3。
这两种材料也作为填充物被添加到
水泥砂浆中，实验样品的尺寸为D=30mm *H=50mm，其中D
为直径，H为高度。
单轴压缩蠕变实验主要是在室温下，以0.02mm/min的速度向
一侧施加一定的压力，根据受力方向测得不同方向曲率蠕变变形率，测得了增量蠕变强度及蠕变比。
双轴压缩蠕变实验主要是在室温下，以0.01MPa/s的速度向两
侧同时施加一定的压力，然后测得增量蠕变模量、增量蠕变强度、增量蠕变比和增量蠕变应变等信息。
实验结果表明，两种层状岩体的蠕变特性存在明显差异。
单轴压缩蠕变模量和增量蠕变强度均较小，大约为6MPa和1MPa；而双轴压缩蠕变模量和增量蠕变强度则分别为10MPa，2MPa，其增量蠕变比和增量蠕变应变均较大。
综上所述，单轴和双轴压缩蠕变特性的实验表明，双轴压缩蠕变的模量和增量蠕变强度明显高于单轴压缩蠕变的模量和增量蠕变强度，此外，增量蠕变比和增量蠕变应变也都比单轴压缩蠕变要大。
这表明，双轴压缩蠕变特性会比单轴压缩蠕变特性
更加可靠，因此应用双轴压缩蠕变来评估层状岩体的蠕变特性更加可靠。
岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究
( 2)
。假设组成材料的单元的物理
m- 1
( 3)
力学性质服从 Weibull 分布 : α φ(α ) = m ・ α α 0 0 α ・ exp α 0
m
渗流场控制方程 :
( 1) K
2
p =
式中 α代表材料微元体力学性质 ( 强度 、 弹性模 量、 泊松比和容重等) ,α 0 代表细观单元力学性质平 均值 , m 定义了分布函数的形状 , 其物理意义反映 了岩石材料的均质性 。 可以将 m 定义为均质度系 数 , m 越大 , 岩石越均质 ; 反之 , 则越不均质 。 在进行 数值分析时 , 只要给定这些组成材料细观单元的本 构关系就可以了 。 作为数值模型的基础 , 本文用弹 性损伤力学给出细观单元的本构关系 。
(℃ ) ,δ f i 为岩体介质的体积 ij 为 Kro necker 常数 。
概率分布 , 细观单元为各向同性 、 弹性体 。
( 2) 岩石细观单元体为弹脆性的并且具有残
余强度 , 其力学行为用弹性损伤理论描述 。
( 3) 岩体为单项水饱和介质 , 只考虑固液两
相 , 且流体不可压缩 。
( 4) 岩体介质骨架中的水渗流服从 Darcy 渗流
21 1 基本假设
ε v 1 5 p α5 Q 5t 5t
-β
( 4)
渗流 2 应力耦合方程 :
K (σ, p) = K0 e
σ α ii / 3- p
H
( 5)
温度场控制方程 : λ
2
ρw K T - cw
p
ρ T + QT = c
5T 5t
i
( 6)
本构方程 : ε δijε δ δij } , j +ρ {2G p f ij + λ kk - β s ijΔ T + α
层状岩石强度特征及其数值实现
况下， 对于不同的层理面倾角， 数值计算与理论分析的结果基本相同， 差别在 ２％以内， 说明所引入的数值计算方法能够较好地描
述层状岩体的破坏特征。
关键词 强度特征； 层状岩石； 数值分析； 理论计算
中图分类号 ＴＵ４５７
文献标识号 Ａ
文章编号 １０００－ ７８５７（ ２００８） １６－ ００６８－ ０４
０ 引言
层状岩体是一种非常复杂的不连续材料， 在岩土工程中 广泛存在， 其层面由沉积岩作用形成， 带有软硬相间的特征。
在层状岩体中， 因其结构面呈平行分布而具有明显的横观各 向同性。岩体强度不仅与岩石本身的性质有关， 还与结构面 方向、性质有很大的关系［１］。由 于 原岩 应 力 的 非 对 称 性 ， 不 同 位置岩体的主应力方向与层理面交角有所差别， 从而导致岩 体的破坏形式也不相同。为了描述层状岩体的特征， 国内外 学者从理论和试验方面做了很多研究工作［２－５］， 如 Ｊａｅｇｅｒ［２］针对 节理岩体沿节理面滑动破裂提出相应的破坏准则； Ｔｉｅｎ［３－５］等 采用不同的材料预制了不同倾角的层状岩石， 研究了倾角对 岩石整体强度的影响， 并提出相应的破坏准则。近年来， 随着 计算机技术的发展， 采用数值分析方法研究岩土工程问题成 为 新 的 趋 势［６－９］， 对 于 一 些 由 于 经 费 、时 间 等 因 素 制 约 而 无 法 进行的岩石力学试验或需大量重复的岩石力学试验， 数值试 验 有 着 其 他 方 法 无 可 比 拟 的 优 势 。 梁 正 召 ［６］ 基 于 Ｍｏｈｒ－ Ｃｏｕｌｏｍｂ 破坏准则， 采用 ＲＦＰＡ２Ｄ 模拟了单轴压缩下横观各 向同性岩石的破裂过程， 讨论了不同岩层倾角的横观各向同 性 岩 体 的 不 同 破 裂 模 式 及 其 破 坏 准 则 。但 其 将 岩 体 视 为 均 质 连续体， 对不同 Ｍｏｈｒ－ Ｃｏｕｌｏｍｂ 材料采用不同参数进行模拟。 由 于 层状 岩 体 具 有 明 显 的 各 向异 性 ， 其 强 度 、变 形 及 稳 定 性 主要受节理面控制， 不宜采用连续介质模型或等效模型进行 分 析［１０］。基 于 以上 考 虑 ， 本 文 首 先 分 析 了 层 状 岩 石 的 强 度 特 征， 然后引入相应数值计算模型， 对比理论分析结果与数值 计算结果， 以期对相关岩体工程的加固与设计提供指导。
板岩单轴压缩各向异性力学特征
板岩单轴压缩各向异性力学特征王聪聪;李江腾;林杭;廖峻;王佩新;王思青【摘要】考虑岩石材料的各向异性，选用层理比较明显的板岩进行单轴压缩试验，分析力学参数的变化规律。
研究结果表明：层理是板岩力学参数、强度特性及破裂模式呈现各向异性的重要原因；板岩单轴抗压强度和弹性模量均随层理面倾角的增大呈“U”型变化趋势，单轴抗压强度的各向异性比为2.8，属中级各向异性水平，试样变形模量的各向异性参数比为1.7；岩样整体泊松比随层理面倾角的增加而增大，但不同试样、相同位置的泊松比变化规律不同；岩样不同倾角的层理面是出现不同破裂模式的重要原因，0°试样形成贯穿层理面的张拉破坏，30°和45°试样基本沿层理面形成单一剪切破坏，70°试样由平行层理面的剪切和贯穿层理面的张拉组成复合破坏，90°试样形成沿层理的张拉劈裂破坏。
%Considering the anisotropy, the slates with obvious bedding planes were chosen to make the uniaxial compression tests. The change regulations of the mechanical parameters of different inclinations of bedding planes were analyzed. The results show that the weak bedding surface is an important reason for the anisotropy of the mechanical parameters, the strength characteristics and the failure modes of the slate. The uniaxial compressive strength and the elastic modulus of the slate both decrease first and then increase with the increase of the inclination of the bedding plane. As the bedding orientation changes, the curves both present U-shape. The anisotropicratio of the slate’s uniaxial compressiv e strength is 2.8 and it belongs to intermediate level. The anisotropic parameter of the slate’s deformation modulus is 1.7. The whole rock Poisson ratio increases with the increase ofthe bedding planes’ inclination. But the change regulations of the same location in different specimens are different. The bedding plane with different inclinations is an important reason for different failure modes. Tensile splitting across bedding planes occurs forβ=0° sample;single shear failure along bedding planes occurs for β=30° and β=45° samples; comprehensive failure of shear failure along bedding planes and tensile splitting across bedding planes occurs for β=70° sample and tensile splitting along bedding planes occurs forβ=90° sample.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(047)011【总页数】6页(P3759-3764)【关键词】板岩;单轴压缩;各向异性;层理面;破裂模式【作者】王聪聪;李江腾;林杭;廖峻;王佩新;王思青【作者单位】中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083;中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083;中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083;招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆，400060;中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083;中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083【正文语种】中文【中图分类】TU452层理、裂隙、断层等结构面造成岩体的力学特性与完整块体有较大差异。
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第26卷第1期 岩 土 力 学 V ol.26 No.1 2005年1月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2005收稿日期：2003-10-20 修改稿收到日期：2004-03-02基金项目：国家自然科学基金资助(50134040) (50174013)作者简介：梁正召，男，1977年生，东北大学岩石破裂与失稳研究中心博士生，主要从事岩石破裂和数值模拟方向的研究。
E-mail: Z.Z.Liang@文章编号：1000－7598－(2005) 01―0057―06单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟梁正召，唐春安，李厚祥，徐 涛，杨天鸿（东北大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 沈阳 110004）摘 要：采用基于细观损伤力学基础上开发的RFPA 2D数值模拟软件，用2种不同的岩石材料来组成7个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件，通过单轴加载数值模拟试验，模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程，分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系，讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。
关 键 词：横观各向同性；破裂过程；单轴压缩；数值模拟 中图分类号：345.5 文献标识码：AA numerical study on failure process of transversely isotropic rock subjected touniaxial compressionLIANG Zheng-zhao, TANG Chun-an, LI Hou-xiang, XU Tao, YANG Tian-hong(Center for Rock Instability & Seismicity Research, Northeastern University, Shenyang, 110004, China)Abstract : Based on mesoscopic damage mechanics, numerical code RFPA 2D is developed to simulate the failure process of seven transversely isotropic rock samples under uniaxial loading. The rock samples are composed of two different rock materials and they are formed with different dip angles between the rock layer orientation and the loading direction. Complete stress-strain curves are obtained and the deformation and failure behavior are described. As shown as the numerical results, rock layer dip angle of transversely isotropic rocks has much great influence on the failure process, such as peak strength, failure modes, and deformation characteristics et al. It is suitable to apply different failure criteria according to different failure modes caused by layer dip angle. The results of another serial of numerical simulations is well agreement with the experimental studies. The difference between the numerical simulations and experiments is probably caused by plane strain problems and parameters used in the simulations. Keywords : Transversely isotropic rock; failure process; uniaxial compression; numerical simulation1 概 述在边坡和地下工程的稳定性分析中，一般将其当作各向同性介质来处理，这种做法对某些均质的岩体可以达到工程所需要的精度，但是对于一些力学性质呈明显各向异性的岩体，如层状的沉积岩就不适用。
沉积过程中所形成的层状结构的粘土层，在各向同性面内各个方向的矿物成份及物理力学性质是大体相同的，但在垂直此面方向内的力学性质确有很大差别。
类似这样沉积形成的天然地质体，其变形破坏分析可以采用横观各向同性弹性体模型来描述。
横观各向同性现象在地质材料中比较常见，各向异性性状对岩体的应力-应变分析以及破坏力学行为有很重要的影响，国内外学者做了很多的研究工作。
最早是Jaeger 针对节理岩体沿着节理面滑动破裂提出了相应的破坏准则[1]，后来很多外国学者也提出了很多横观各向同性岩体的破坏准则[2-7]。
也有不少学者围绕确定横观各向同性岩体变形特性和弹性参数做了很多实验研究。
Anna 采用一种新的三轴传感器技术得到横观各向同性岩石三维变形特性和弹性常数[8]。
Tien 等用2种不同的材料人工预制了3组不同倾角的层状岩石，研究了横观各向同性体倾角对岩石整体强度和弹性模量的影响[9]，并针对横观各向同性岩石破坏的2种不同模式提出了相应的破坏准则。
李同林对煤层横观各向同性体水压岩 土 力 学 2005年致裂机理进行了深入的认识和探讨[10]。
章根德等讨论了横观各向同性岩土介质的弹塑性及其屈服准则的模拟，给出了相应的力学模型及其数学表达式[11]。
张玉军等分析了层状岩体强度异向性对地下洞室稳定性的影响，并提出了相应的经验公式[12]。
由于在应力的作用下各向异性体所表现出来的各向异性力学行为比较复杂，所以为了确定横观各向同性线弹塑性体模型，通常需要确定的材料常数达到20多个，因此需要大量的试验来确定这些常数，包括不同方向的拉伸、压缩、以及剪切强度试验,这样就很难在工程实践中应用推广。
从细观力学的角度来说，岩石晶粒的变形是很小的，塑性变形主要在于晶粒之间的滑移。
岩石弹塑性变形过程中，其宏观体积响应只是各种微结构之间相互作用的平均结果，变形的主要机理是微裂纹成核和增长及其聚集而生成细观裂纹和裂纹的扩展与传播[11]。
但是，由于材料单元中微观实体数目众多，表现形态各异，要从理论上精确地描述和分析各个损伤实体几乎是不可能的。
然而电子计算机的出现和数值模拟方法的发展为解决这一难题提供了新的途径。
因此，如果能从细观损伤力学出发，并充分考虑到岩石的非均匀性，建立一种简单直接的数值模型来模拟横观各向同性材料整个破裂过程，对于研究横观各向同性岩体开挖工程的稳定性分析以及滑坡预防等研究无疑具有重要的理论和实际意义。
本文采用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的RFPA 2D 软件，用2种不同的岩石材料来组成不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件，通过单轴加载数值模拟试验模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程，分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系，研究了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式，并就其破坏准则作了讨论。
2 数值模型介绍RFPA 2D 在考虑到细观非均匀性的前提下，基于弹性损伤力学基础上开发出的Windows 平台上的岩石破裂过程分析系统，它将岩石的非均匀性参数引入到基元中去，宏观的破裂过程就是细观基元破裂的积累，用细观非均匀性实现宏观非线性。
RFPA 2D 认为，细观基元的性质是简单的弹塑性或者弹脆性，当基元应力达到破坏准则时则发生破坏，采用刚度退化处理，达到用连续介质力学方法处理物理非连续性的问题， RFPA 2D 的一个显著特点就是可以模拟岩石在应力作用下从缺陷萌生裂纹到裂纹扩展直至宏观破坏的整个过程，有关RFPA 2D 的详细介绍参见文献[13-15]。
通常的实验室物理岩石力学实验中，由于钻取方向和岩体本身非均匀性的存在,取得足够的不同方位、不同角度的横观各向同性岩芯比较困难。
一般对于横观各向同性线弹性体来说，虽然由于旋转对称性减少了独立的弹性常数的数目，其独立的弹性常数变为5个，但是对于横观各向同性弹塑性材料，为了确定横观各向同性材料的屈服条件，还需要确定很多参数，共需要20多个材料常数才能完全确定本模型所描述的性状。
但在RFPA 2D 中，用较少的基元力学参数就可以达到很方便设置各种不同岩石力学模型，图1是RFPA 2D 设置的不同岩层倾角β的岩石试件。
岩石试件中白色条带是强度较高的岩石介质A ，较暗的条带是强度较低的岩石介质B ，由这2种介质组成了不同角度层理的岩石试件。
2种不同岩石介质细观基元的力学参数见下表1。
β=0° β=15° β=30° β=45° β=60° β=75° β=90°图1 2种不同介质所组成的7个不同岩层倾角的横观各向同性岩石试件Fig.1 Seven transversely isotropic rock samples composed of two rock materials with different dip angles58第1期 梁正召等：单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟表1 组成岩石试件的2种不同介质的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of two different rocksmaterials岩石类型平均弹模/MPa 平均强度/MPa泊松比A 25 000 100 0.25B 50 000 200 0.25表2 RFPA 2D 中的其它计算控制参数Table 2 Other control parameters in simulation in RFPA 2D3 数值模拟结果分析RFPA 2D 与其他数值模拟软件不同之点就是能够模拟岩石类脆性材料在应力作用下，从细观单元的破裂到裂纹萌生扩展以及宏观破裂的整个过程，不但可以得到破裂过程中的应力-应变的信息，还能模拟出相应的应力场和变形场的整个演化过程以及破裂过程中的声发射的时空分布情况。