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压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究

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煤炭学报 2013年第7期38卷 1207-1214页

作者：李碧勇朱哲明能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065 四川大学建筑与环境学院四川成都610065

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长... 详细信息

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长度的增大使应力强度因子增大,长度较大的分支裂纹对长度较小的有一定的抑制作用。通过对张开型分支裂纹和弯折裂纹砂岩试件的单轴压缩试验,发现砂岩试件的破坏形式主要是以I型翼型裂纹扩展为主,其起裂位置距离裂纹尖端的距离随着分支裂纹角度的增大而减小;分支裂纹倾角越大,其翼型裂纹起裂角就越小但相应的起裂载荷却越大。还对张开型裂纹和闭合型裂纹做了一定的比较,发现张开型裂纹的起裂角要大于闭合型裂纹的起裂角,但其起裂载荷却正好相反。

关键词：分支裂纹张开裂纹应力强度因子翼型裂纹起裂角起裂载荷

裂纹对直墙拱形隧道围岩损伤破坏模式的影响规律研究

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岩土力学 2017年第12期38卷 3688-3697页

作者：周磊朱哲明刘邦四川大学建筑与环境学院能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065

运用不同的有限元分析软件(RFPA^(2D)、ABAQUS)模拟研究隧道周边裂纹对直墙拱形隧道围岩稳定性的影响。裂纹分布在隧道拱底、边墙、拱肩、拱顶等部位,将两种数值模拟方法进行对比分析,研究隧道周边裂纹的起裂、扩展机制及隧道围岩在围... 详细信息

运用不同的有限元分析软件(RFPA^(2D)、ABAQUS)模拟研究隧道周边裂纹对直墙拱形隧道围岩稳定性的影响。裂纹分布在隧道拱底、边墙、拱肩、拱顶等部位,将两种数值模拟方法进行对比分析,研究隧道周边裂纹的起裂、扩展机制及隧道围岩在围压载荷作用下的破坏形式。为了验证数值模拟结果,采用水泥砂浆制作隧道模型进行模型试验并与数值模拟结果进行对比分析,其数值分析与模型试验结果较为一致。结果表明,隧道墙脚处的裂纹是隧道围岩破坏的较弱位置;隧道拱顶圆弧位置处的裂纹与隧道拱顶圆弧圆心成45°夹角时,隧道模型的抗压强度最低,稳定性最差;隧道在围压作用下,破坏形式主要是拱底、拱顶的拉伸破坏和边墙、裂纹尖端的压剪破坏。

关键词：裂纹数值模拟岩石破裂过程分析隧道

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砂岩半圆盘弯曲的复合型断裂性质及准则研究

四川大学学报（工程科学版） 2016年第S1期48卷 121-127页

作者：冯若琪朱哲明范勇四川大学建筑与环境学院能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065

针对裂纹倾斜角度β这一几何参数对砂岩半圆盘试件复合型断裂性质的影响,采用含边缘裂纹的四川黑砂岩半圆盘试件(SCB试件)进行三点弯曲试验,结合有限元数值模拟软件ABAQUS计算复合型断裂韧度,并将最终结果与已提出的多个断裂准则进行比... 详细信息

针对裂纹倾斜角度β这一几何参数对砂岩半圆盘试件复合型断裂性质的影响,采用含边缘裂纹的四川黑砂岩半圆盘试件(SCB试件)进行三点弯曲试验,结合有限元数值模拟软件ABAQUS计算复合型断裂韧度,并将最终结果与已提出的多个断裂准则进行比较,得出适用于黑砂岩复合型断裂的断裂准则。结果表明:随着裂纹倾斜角度β增加,Ⅰ型断裂与Ⅱ型断裂的复合度即二者所占比例发生变化,Ⅰ型断裂所占比例逐渐减小,应力强度因子KⅠ逐渐减小,同时Ⅱ型断裂所占比例逐渐增大,应力强度因子KⅡ和T应力逐渐增加;黑砂岩复合型断裂试验结果与改进的R准则最为吻合,验证了改进的R准则在黑砂岩半圆盘弯曲试验中的准确性和可靠性。

关键词： SCB半圆盘弯曲试件岩石复合型断裂应力强度因子断裂准则

利用岩石断裂强度来估算地下岩体水平应力的范围

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岩石力学与工程学报 2012年第8期31卷 1721-1728页

作者：朱哲明胡荣李业学四川大学建筑与环境学院四川成都610065 襄樊学院土木工程系湖北襄阳441053

地下岩体的垂直应力一般可用其上部覆盖岩体的平均比重乘以其深度来估算,但是水平应力却很难估算。基于岩石断裂韧度是一个常数,利用共线裂纹模型建立裂隙岩体的稳定条件,并应用该稳定条件来估算水平应力的范围。估算结果符合现场的测... 详细信息

地下岩体的垂直应力一般可用其上部覆盖岩体的平均比重乘以其深度来估算,但是水平应力却很难估算。基于岩石断裂韧度是一个常数,利用共线裂纹模型建立裂隙岩体的稳定条件,并应用该稳定条件来估算水平应力的范围。估算结果符合现场的测试结果,表明这一估算方法是有效的、可行的。利用该裂隙岩体稳定条件能很好地解释水平应力与垂直应力之比在浅部地壳中分布在较宽的范围内,但在深部区域内却分布在一个狭小的范围内这一现象。

关键词：岩石力学水平应力应力强度因子裂纹地下岩体

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法向压缩载荷对Ⅱ型裂纹扩展的影响规律研究

四川大学学报（工程科学版） 2016年第S2期48卷 80-85页

作者：何廉朱哲明任利荣冠四川大学建筑与环境学院能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065 武汉大学水利水电学院湖北武汉430072

为得到法向压缩载荷对剪切型(Ⅱ型)裂纹开裂角和极限应力强度因子的影响规律,采用含单边裂纹的砂岩试件,在岩石剪切试验系统上对其进行剪切断裂试验研究,通过破坏时的最大剪切载荷计算出Ⅱ型极限应力强度因子,并拟合其与法向压缩载荷之... 详细信息

为得到法向压缩载荷对剪切型(Ⅱ型)裂纹开裂角和极限应力强度因子的影响规律,采用含单边裂纹的砂岩试件,在岩石剪切试验系统上对其进行剪切断裂试验研究,通过破坏时的最大剪切载荷计算出Ⅱ型极限应力强度因子,并拟合其与法向压缩载荷之间的关系;最后运用ABAQUS模拟验证本文试验结果。结果表明:法向压缩载荷对裂纹的起裂及扩展起到抑制作用,随着裂纹法向压缩载荷的增大,裂纹起裂角逐渐减小;随着法向压缩载荷增大,岩石Ⅱ型裂纹极限应力强度因子增大。

关键词：压缩载荷起裂角 Ⅱ型裂纹应力强度因子

砂岩储层裂缝在水力压裂作用下扩展准则及其应用

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四川大学学报（工程科学版） 2015年第5期47卷 38-45页

作者：谢军朱哲明胡荣四川大学建筑与环境学院四川成都610065

为研究不同储层裂缝方向以及井网布置下的油田合理注水压力,基于多孔介质力学及断裂力学理论建立了含共线裂缝岩体储层裂缝的扩展模型及注水压力计算模型。结合头台油田扶余储层参数探讨了储层裂缝方位、注采井方位及裂缝距注水井距离... 详细信息

为研究不同储层裂缝方向以及井网布置下的油田合理注水压力,基于多孔介质力学及断裂力学理论建立了含共线裂缝岩体储层裂缝的扩展模型及注水压力计算模型。结合头台油田扶余储层参数探讨了储层裂缝方位、注采井方位及裂缝距注水井距离对注水压力的影响规律。结果表明:在给定的注采井方位下,当裂缝与最大主应力方向平行时,注水压力最小,随着裂缝与最大主应力夹角的增大,注水压力也逐渐增大,当裂缝与最小主应力方向平行时压力最大;注水压力随注采井方位及裂缝距注水井距离的增大而增大。为避免油井出现暴性水淹及提高油田采收率,针对扶余储层给出了一个合理的注水压力范围值。研究结果与实际工程测井数据较吻合,对同类油田开发具有指导意义。

关键词：共线裂缝水力压裂地层压力裂缝性油藏应力强度因子

基于SCSCC试样的岩石复合型裂纹动态扩展特征研究

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四川大学学报（工程科学版） 2016年第2期48卷 57-65页

作者：王蒙朱哲明胡荣四川大学建筑与环境学院四川成都610065 四川大学能源工程安全与灾害力学教育部重点试验室四川成都610065

侧开单裂纹半孔板(single cleavage semi circle compression,SCSCC)试样是一种改进后的矩形板试样。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行冲击试验,完成了SCSCC试样纯Ⅰ型及Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态断裂试验,并进行数值分析,研究其扩... 详细信息

侧开单裂纹半孔板(single cleavage semi circle compression,SCSCC)试样是一种改进后的矩形板试样。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行冲击试验,完成了SCSCC试样纯Ⅰ型及Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态断裂试验,并进行数值分析,研究其扩展路径及扩展过程中的止裂问题。结果表明:SCSCC试件在试验过程中,纯Ⅰ型裂纹扩展过程中尖端沿着原方向朝试件右侧移动,Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程中朝着试件中轴线方向(最大应力区)移动,且可以观察到止裂现象;应变片法是一种监测断裂时刻的有效方法。使用修正的最大主应力准则及引入能量释放率的拉伸断裂软化损伤(crack softening,CS)破坏准则可有效解决岩石类材料的动态破坏问题,且可以描述材料全应力-应变破坏过程。Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹SCSCC试件构型在研究岩石裂纹止裂领域具有较大优势;且SCSCC构型是一种大尺寸试样,可减小岩石非均匀性带来的影响。

关键词：岩石复合型动态断裂扩展 SHPB试验侧开单裂纹半孔板(SCSCC) 数值模拟断裂损伤

不同积分路径对动态有限差分法计算精度的影响效应

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四川大学学报（工程科学版） 2017年第S2期49卷 141-149页

作者：王雄朱哲明汪小梦周磊能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065 四川大学建筑与环境学院四川成都610065

动态有限差分法作为解决冲击动力学问题的有效方法而被广泛使用。作者针对该算法实现细节上,如网格中积分路径的形状和网格单元类型对计算结果的影响效应,进行深入讨论。基于拉格朗日动力学有限差分法求解框架,使用JAVA语言编写动力学... 详细信息

动态有限差分法作为解决冲击动力学问题的有效方法而被广泛使用。作者针对该算法实现细节上,如网格中积分路径的形状和网格单元类型对计算结果的影响效应,进行深入讨论。基于拉格朗日动力学有限差分法求解框架,使用JAVA语言编写动力学程序。首先模拟长柱形物体中的应力波传播,利用已有的理论解,对比多种积分路径下的模拟结果。利用可变覆盖率的积分路径,得到覆盖率与节点加速度的影响关系,从理论上得出积分路径选取的一般原则。从能量误差的角度,讨论四边形单元相对三角形单元的缺陷,利用受分布冲击荷载的矩形模型,得出四边形单元沙漏控制系数与能量误差率的关系。模拟无限大介质中的点源冲击应力波的传播模型,利用理论解,验证四边形单元受集中荷载作用确实会造成过大的能量误差,从而造成计算错误。从对长柱模型中的应力传播模拟可以看出,只有完全覆盖计算模型的积分路径,才能得到正确的解;欠覆盖路径会导致波速偏快,峰值偏大,过覆盖则会导致相反的效果。对两种单元类型的讨论可以得出:四边形单元由于固有的沙漏效应缺陷,即若关闭沙漏阻尼修正,会产生单元沙漏变形,导致计算失败;若开启沙漏阻尼修正又会引入过大的能量误差,同样会造成计算错误,因此不适合集中荷载作用的环境,在这种情况下,三角形单元具有独特的优势。

关键词：动态有限差分法不同积分路径沙漏效应能量误差计算精度

冲击荷载作用下的Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹扩展规律研究

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岩石力学与工程学报 2016年第7期35卷 1323-1332页

作者：王蒙朱哲明王雄四川大学能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室四川成都610065

为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系... 详细信息

为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。

关键词：岩石力学动态裂纹扩展分离式霍普金森压杆实验数值模拟单裂纹半孔板试件