爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

第36卷 第6期爆炸与冲击V o l.36,N o.6 2016年11月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S N o v.,2016

D O I:10.11883/1001-1455(2016)06-0825-07

爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟*

钟波波,李 宏,张永彬

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)

摘要:运用岩石破裂过程分析软件R F P A-d y n a m i c,就爆炸荷载的加载速率二炮孔到自由边界的距离以及

两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究三结果表明:随着加载速率的减小,炮孔周围

的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大三由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边

界的距离越小,这种趋势越明显三由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空

孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀

性,对裂纹的扩展方式有显著的影响三

关键词:固体力学;裂纹扩展;R F P A-d y n a m i c;爆炸应力波;空孔

中图分类号:O346.1 国标学科代码:1301545 文献标志码:A

在采矿工程二石油开采工程及地震预测等领域中,常常关注裂纹二空孔二夹杂物等爆破结构或材料中的原始缺陷,对介质中应力波传播方式的影响三尤其在巷道或隧道的开挖中,常设置一些空孔,利用空孔的应力集中效应二自由面效应和卸压效应,以提高爆破效果三空孔在爆破过程的作用机理,有了大量的研究三S.H.C h o等[1]通过数值模拟的方法,研究了不同波形和自由边界对动态裂纹扩展过程的影响,并讨论了岩石的非均匀性对断裂模式的影响;S.H.C h o等[2]通过D F P A软件研究了两端带有刻痕的空孔对动态裂纹扩展过程的控制作用,并讨论了空孔位置二两炮孔起爆时间误差和材料非均匀性对裂纹扩展的影响;Z.A l i a b a d i a n等[3]采用二维动态离散元方法研究了预裂爆破方法,主要考虑的参数是应力张量和压裂模式,结果表明爆炸荷载的大小和炮孔间距非常重要;李启月等[4]运用L S-D Y N A,模拟了槽孔与不同直径空孔的动态破碎贯通过程,分析了不同直径空孔引起的空孔效应及其对槽腔岩石破坏和槽腔成型的促进作用;岳中文等[5]采用新型数字激光动态焦散线实验系统,以P MMA为实验材料,对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究三由于岩石是一种非均匀材料,其断裂过程依赖于应变率的大小,其空孔作用机理复杂二设置灵活,所以对空孔周围应力场变化过程和动态裂纹扩展方式进行研究有着重要的理论意义和工程价值三本文中,选用R F P A-d y n a m i c分析系统,就爆炸荷载加载速率二炮孔到自由边界距离以及两炮孔中间空孔大小对动态裂纹扩展方式的影响进行研究三该程序可以以一个应力波或初始速度作为输入,按照时间步长进行逐步分析,在每个时间步内,考虑质量和加速度对于力学平衡的影响,用弹性动力有限元程序进行应力分析,用最大拉应力准则和摩尔库仑准则判断单元是否损伤,从而可以再现岩石这种非均匀材料在爆炸荷载作用下的动态裂纹扩展过程三

1 模 型

R F P A-d y n a m i c分析系统规定应力以压为正,拉为负,相关详情请参见文献[6-8]三

模型如图1所示,尺寸为200mm×100mm,划分为500×250=125000个单元,炮孔半径r0均为4mm三图1(a)中,炮孔到自由边界距离l分别为35二30二25mm;图1(b)中,两个炮孔间距s为50mm,

*收稿日期:2015-04-15;修回日期:2015-06-29

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014C B047100,2011C B013503)

第一作者:钟波波(1990 ),男,硕士研究生,y t g c z b b@163.c o m三

图1分析模型几何示意图

F i g .1S c h e m a t i c g e o m e t r y f o r a n a l y s i sm o d e l 图2施加荷载的压力曲线F i g .2P r e s s u r e c u r v e s f o r a p p l i e d p r e s s u r ew a v e f o r m s 两炮孔中间空孔半径r 2分别为2二4二6mm 三施加的爆炸荷载如图2所示,荷载峰值都为10M P a ,荷载上升时间分别为1二5二10二20μs ,荷载从峰值衰减到零的时间不变,均为5μs 三为了计算的精确性,动态时间步长取为0.2μs 三 研究爆炸荷载加载速率和空孔大小对动态裂纹

扩展方式的影响时,模型边界都为连续边界条件,应

力波不发生反射;研究炮孔到自由边界距离对动态

裂纹扩展方式的影响时,模型底边为自由边界,应力

波可以发生反射,其余边界仍为连续边界三采用平

面应变模型,进行分析三 计算参数分别为:P 波波速v P =5.00k m /s ,S 波波速v S =

2.89k m /s ,密度ρ=2.7t /m 3,弹性模量E =56G P a ,泊松比ν=0.25,抗压强度T =75M P a ,压拉比η=15,

均质系数m =5三为了考虑材料的非均匀性,假设基质单元的弹性模量及强度等力学参数服从W e i b u l l 分布函数,即:φ(α)=m α0αα?è

???÷0m -1e -αα()0m (1)式中:m 为均质系数,反映岩石材料力学性质的均质度,m 越小则岩石的性质越不均匀;α0为反映岩石材料平均性质的参数三有关上述分布函数和参数的定义及选取方法参见文献[9-10

]三2 结 果2.1 单孔

2.1.1 爆炸荷载加载速率对动态裂纹扩展方式的影响

4种加载速率下最大主应力分布及裂纹扩展方式,

如图3所示三从图3中可以看出,随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减小,裂纹开始萌生的位置逐渐改变三第1种加载速率下,炮孔周围形成一圈破碎区,裂纹开始萌生的位置为破碎区的外边缘;第4种加载速率下,炮孔周围未能形成破碎区,裂纹开始萌生的位置为炮孔孔壁;第2二3种加载速率下,

破碎区范围逐渐减少,裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区的外边缘向炮孔孔壁转移三这个现象主要是由于,随着加载速率的减小爆炸荷载引起的应力波作用逐渐减弱,当加载速率很小时,裂纹萌生就会类似于炮孔孔壁受法向均匀静荷载时的情况三从图3中还可以发现,随着加载速率的减小,萌生的分支小裂纹逐渐减少,而主裂纹扩展的长度逐渐增大三

上述模拟结果与文献[1

]所得到的结论基本一致三628爆 炸 与 冲 击 第36卷

图3不同加载速率下最大主应力分布及裂纹扩展F i g .3M a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c r a c k p r o p a g a t i o na t d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e s 2.1.2 炮孔到自由边界距离对动态裂纹扩展方式的影响

只施加第1种荷载,将炮孔到自由边界的距离分别取为35二30和25mm ,结果如图4所示三根据应力波传播理论,当应力波传播到自由面时,压缩应力波反射为拉伸应力波,产生拉应力三该拉应力与先

前的压应力叠加,使靠近自由面单元的径向压应力减小三当反射回来的拉伸应力波幅值大于先前入射的压缩应力波幅值时,在靠近自由面的区域内就会出现只有拉应力的情况三根据最大拉应力瞬时断裂

准则[11],一旦拉应力达到或超过材料的抗拉临界值时,就会发生层裂三 从图4中可以发现,

炮孔处向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且随着炮孔到自由边界距离的减小,这种趋势更加明显,说明自由表面的存在对裂纹扩展方向产生了明显的影响三炮孔到自由边界越近,应力波传播到自由面位置的幅值就越大,相应地反射产生的拉应力幅值也就越大,层裂现象越明显三当炮孔到自由边界的距离较小时,炮孔处扩展的裂纹与层裂产生的裂纹在自由面附近,更易于互相搭接和贯通

三

图4炮孔到自由边界不同距离下最大主应力分布及裂纹扩展

F i g .4M a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c r a c k p r o p a g a t i o no f d i f f e r e n t d i s t a n c e f r o mc h a r g eh o l e t o f r e eb o u n d a r y 2.2 双孔

2.2.1 爆炸应力波与空孔相互作用的理论依据

炮孔爆炸后,

向周围岩石施加冲击荷载,冲击波向外传播而不断衰减,最后变成应力波三当应力波传播到空孔孔壁表面时,在空气与介质的分界面处,将产生透射与反射三下面分析应力波垂直传播到空孔孔壁时,即正入射时,模型中反射波的情况三

如图5所示,

炮孔起爆后,在其周围介质中激起爆炸应力波,并向外传播,随着传播距离的增加,应力峰值衰减规律为[

12]:7

28 第6期 钟波波,等:爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

图5空孔应力集中作用分析图

F i g .5C o n c e n t r a t e de f f e c t o f s t r e s s a r o u n d g u i d eh o l e σr =p 0r 0?è???

÷r α,σθ=λd σr (2)式中:σr 为介质中某点的爆炸附加径向应力;σθ为介质中某

点的爆炸附加环向应力;p

0为炸药爆炸后作用于孔壁的初始

压力;r 0为炮孔半径;

r 为介质中某点到炮孔中心的距离;α

为应力波衰减系数[12],α=2±(ν/1-νd );νd 为介质的动态泊

松比,工程爆破加载速率范围

内的动态泊松比与静态泊松比ν的关系为νd =0.8ν;λd 为动态侧应力系数,λd =ν/(1-νd )三 当应力波传到空孔孔壁时,

由于应力波的反射,空孔孔壁附近的应力将比无空孔时大,表现为空孔的应力集中效应三根据弹性力学理论,空孔附近的峰值应力状态表示为:

σr r =121-κ()2σθ-σ()r +1-4κ2+3κ()4σθc o s 2θ+σr c o s 2()[]θσθθ=121+κ()2σθ-σ()r +1+3κ()2σθc o s 2θ+σr c o s 2()[]θτr θ=121+2κ2-3κ()4σθc o s 2θ+σr c o s 2()ì?

í???????θ(3)式中:σr r 为空孔应力集中后介质中的径向应力;σθθ为空孔应力集中后介质中的环向应力;r 2为空孔半径;R 为介质中某点到空孔中心的距离;θ为计算点到炮孔中心连线与炮孔和空孔连线的夹角;κ=r 2/R 三 对上式求d σθθ/d θ,令d σθθ

/d θ=0,得θ=0,±π,可知径向应力二环向应力及剪切应力的最大值均出现在炮孔与空孔连线方向上三此时:

σr r =121-κ()2σθ-σ()r +1-4κ2+3κ()4σθ+σ()[]r σθθ=121+κ()2σθ-σ()r +1+3κ()2σθ+σ()[]r τr θ=121+2κ2-3κ()4σθ+σ()ì?í???????r (4) 在空孔孔壁上时,r 2=R ,即κ=1,得:σr r =0σθθ,m a x =3σθ+σr =3λd +()1p 0r 0S /2-r ?è???÷2ατr θ=ì?í?

???0(5)2.2.2 空孔大小对动态裂纹扩展方式的影响

空孔在爆破中有着重要地位,

特别是在控制定向爆破中对应力波具有导向作用,这点已得到了证明[

4-5]三 图6(a )~(c )分别为半径2二4和6mm 空孔在第1种荷载作用下的最大主应力分布及其裂纹扩展方式三从图中可以看到,炮孔起爆后,伴随着应力波由炮孔逐渐向外传播,在炮孔周围逐渐形成破碎区,裂纹在破碎区边缘开始萌生二扩展;当应力波传播到空孔孔壁时,小部分应力波发生反射,反射波与之后的入射波叠加,相当于在空孔孔壁处产生了卸荷作用,大部分应力波继续向外传播,与另外炮孔产生的应力波叠加,叠加部位压应力幅值增加;炮孔周围萌生的裂纹呈放射状向外扩展,但由于空孔的导向作

8

28爆 炸 与 冲 击 第36卷

用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹三可见,空孔半径对裂纹的导向作用并无明显的影响,这与文献[13]的研究结果基本一致三半径4二6mm 空孔孔壁裂纹的萌生位置大约在与炮孔中心连线处,这与上述理论分析一致三而半径2mm 空孔的却不在中心连线处,这是由于当空孔半径较小时,非均匀性对它的影响比大孔径空孔的大三

图6(d )为均质系数25二半径2mm 空孔模型的最大主应力分布及裂纹扩展方式三通过与图6(a )作对比,发现:当均质系数增大时,分支小裂纹减少,以扩展长度基本相同的主裂纹为主,且裂纹较平直光滑;两炮孔裂纹萌生位置和扩展方式基本一样三由于炮孔各方向受力相同,当材料较均匀时,裂纹萌生二

扩展具有对称性三图6(d )中大约在空孔与炮孔中心连线上萌生了两条裂纹,且很平直地向炮孔方向扩展三这个现象与上述的弹性理论较吻合,同时说明了考虑材料非均匀性的重要意义

三

图6不同半径空孔的最大主应力分布及裂纹扩展F i g .6M a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c r a c k p r o p a g a t i o no f d i f f e r e n t g u i d eh o l e s 2.2.3 空孔孔壁单元的主应力曲线

图7为与左炮孔中心连线处二距空孔孔壁1.2mm 处一个单元的主应力曲线,

该空孔半径为4mm 三可以清楚看到应力波的传播二反射和叠加:随着应力波从炮孔向空孔的传播,单元最大主应力从零开始逐渐增大到1M P a

,到达A 点后,由于爆炸荷载开始衰减和反射的拉应力与入射的压应力叠加的双重作用,主应力开始下降;B 点为临界点,由于拉应力随着反射波的增多而增大,主应力开始反向增大,C

点为最大主应力反向的最大值,约为1M P a ;C 点到D 点之间,

由于右炮孔产生的应力波传播到了空孔左孔壁附近,导致主应力曲线出现小幅度的波动;从D 点所对应时间的最小主应力云图可以发现,由于左右炮孔向外传播的应力波和空孔孔壁反射的应力波相互叠加二炮孔辐射状裂纹尖端的应力集中及破

坏单元周围的应力释放,空孔孔壁周围形成了一个拉应力集中区,当拉应力达到试样的抗拉强度(5M P a )时,裂纹开始萌生(E 点);裂纹一旦萌生,单元应力迅速降到零三9

28 第6期 钟波波,等:爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

图7单元的主应力曲线

F i g .7T h e p r i n c i p a l s t r e s s c u r v e s o f t h e e l e m e n t 3 结 论

炮孔周围为连续边界条件时,

在爆炸荷载作用下,随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少,裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移,孔壁周围萌生的分支小裂纹逐渐减少,

主裂纹扩展长度逐渐增大三炮孔周围存在自由边界时,由于自由面的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显,加上层裂的作用,自由面附近的裂纹更易于互相搭接二扩展和贯通三当两炮孔中间有一个空孔时,由于空孔的导向作用,使炮孔向空孔方向扩展的裂纹,逐渐弯曲向空孔处扩展,但空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响,同时大约在空孔与炮孔中心连线上,空孔孔壁两端萌生了向炮孔处扩展的裂纹,由于材料的非均匀性,裂纹的萌生位置和扩展方式与弹性理论解有着些许的不同三由空孔孔壁处单元的主应力时程曲线可以发现,孔壁裂纹是由于空孔周围的拉应力集中而萌生的三参考文献:

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s i s o n 038爆 炸 与 冲 击 第36卷

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e d u c e d ;t h e p o s i t i o no

f t h ec r a c ki n i t i a t i o n m o v e s

g r a d u a l l y f r o mt

h ec r u s h e dz o n et ot h ec h a r g eh o l e ;a n dt h e n u m b e r o f s m a l l b r a n c hc r a c k s g r a d u a l l y d e c r e a s e sw h

i l e t h e l e n g t ho f t h em a i nc r a c k i n c r e a s e s .D u e t o t h e i n f l u e n c e o f t h e f r e eb o u n d a r y ,t h e c r a c k s t h a tw e r e p r e v i o u s l y d o w n w a r dn o w g r a d u a l l y b

e n d i n t h e h o r i z o n t a l d i r e c t i o n ,a n d t h i s t e n d e n c y b e c o m e sm o r e o b s e r v a b l e a s t h e d i s t a n c e

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i d a n c e o f t h e g u i d e h o l e ,t h e c r a c k s c l o s e t o t h e g u i d eh o l e g r a d u a l l y c

u r v e t o t h e g u i d eh o l e a n d ,a t t h e s a m e t i m e ,a c r a c k i s f o r m e da tb o t h e n d so f t h e g u i d e h o l ew a l l t h a t p r o p a g a t e s t o t h e c h a r g e h o l e .T h e r a d i u s o f t h e g u i d e h o l e h a s n o o b -v i o u s e f f e c t o n t h e g u i d i n g r o l e ,b u t t h e n o n u n i f o r m i t y o f t h em a t e r i a l d o e s h a v e a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h ew a y t h e c r a c k s p r o p a g a t e .K e y w o r d s :s o l i dm e c h a n i c s ;c r a c k p r o p a g a t i o n ;R F P A -d y n a m i c ;e x p l o s i v e s t r e s sw a v e ;g u i d eh o l e (责任编辑 丁 峰)138 第6期 钟波波,

等:爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

06 热应力作用下的岩石破裂过程分析

第25卷第10期岩石力学与工程学报V ol.25 No.10 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006热应力作用下的岩石破裂过程分析 唐世斌1，唐春安1，2，朱万成3，王述红3，于庆磊3 (1. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622； 3. 东北大学岩石破裂与失稳中心，辽宁沈阳 110004) 摘要：热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。岩石热破裂研究的工程意义重大。根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。RFPA2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。 关键词：岩石力学；热应力；非均匀性；数值模拟；热开裂 中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2071–08 NUMERICAL INVESTIGATION ON ROCK FAILURE PROCESS INDUCED BY THERMAL STRESS TANG Shibin1，TANG Chun′an1，2，ZHU Wancheng3，WANG Shuhong3，YU Qinglei3 (1. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China； 2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China； 3. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China) Abstract： Rock failure induced by thermal stress is called thermal cracking. It is the result of thermal and mechanical coupling. Based on the basic theory of rock deformation and thermodynamics，considering the heterogeneity and the coupling of thermal and mechanics，a numerical model，RFPA2D-thermal code，is proposed. With this model，the temperature and stress fields can be determined. The most important is that the failure process of rock induced by thermal or external stress can be simulated. Using this numerical model，the failure progresses of a rock sample with an inlaid grain was modelled during the change of temperature. It turns out that during temperature increment，if the thermal expansion coefficient of the inlaid grain is larger than that of the surrounding media，radial-cracks will be generated in the surrounding media，and theta-cracks emerge if the thermal expansion coefficient of inlaid grain is smaller than that of the surrounding media. The results agree well with the experimental results. The RFPA2D-thermal model provides a new method for analyzing the thermal cracking of rock samples in microscopic view. Key words：rock mechanics；thermal stress；heterogeneity；numerical simulation；thermal cracking 收稿日期：2005–07–20；修回日期：2005–11–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504003) 作者简介：唐世斌(1980–)，男，2003年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事热应力作用下的岩石破裂数值分析方面的研究工作。E-mail：tang_shibin@https://www.sodocs.net/doc/9b15935231.html,

裂缝导流能力测定实验指导书(1)

裂缝导流能力测定实验 一、实验目的 1.了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异； 2.分析说明达西公式与二项式公式计算出的结果不同的原因； 3.熟悉压力试验机的操作及实验流程。 二、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 三、实验仪器和材料及流程 1. 仪器： NYL—2000D型压力试验机，空气压缩机—供气源，定值器—气源开关，精密压力表，浮子流量计，岩心（钢板）模，游标卡尺，天平。 2. 材料：不同产地的压裂砂、陶粒。 3.流程： 四、实验步骤 （一）实验准备 1. 在附表1中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度； 2. 用游标卡尺量出岩心模的外径ro及孔眼的内径re记录附表1中，用作计算岩心模面积； 3. 称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在模拟岩心面上，

要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。然后称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑剂的浓度： 2 cm g ，铺有支撑剂岩心的面积单层支撑剂的重量 支撑剂（砂子）的浓度 将此浓度值记入表1中。 4. 将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。 5. 认真记录试验机载荷数显表上显示的加载值。 （二）岩心加压法 1. 岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。 2. 旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN ）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 3. 送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数Q 和对应的压力P （精密压力表示数）。 4. 需要载荷分别依次加到30、50、70、100、150、180、200、250、300kN 读出相应的P ，Q 值，记录在表2中，用达西公式计算。在测点120KN 处，保持载荷不变，改变P （调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表3中，用于二项式公式计算。 5. 试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。 6. 双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P 及Q 值记入表2、表3中。 五、注意事项 （1）不要触摸在压力试验机下的岩心室； （2）开动压力试验机前，一定要检查回油阀是否处在关闭状态；

浅谈房屋安全鉴定中常见裂缝

浅谈房屋安全鉴定中常见裂缝 【摘要】本文主要针对房屋安全鉴定工作中有关结构构件常见裂缝进行阐述，为房屋安全鉴定提供依据。 【关键字】裂缝；房屋安全鉴定；荷载裂缝；变形裂缝 引言 裂缝是固体材料某种不连续现象，大量工程实践所提供的经验都说明，建筑物的裂缝是不可避免的，而房屋的破坏往往始于裂缝，因此在房屋安全鉴定中，鉴别和分析裂缝是重要内容之一。 一、主要结构裂缝类别 房屋在实际使用过程中承受两类荷载或作用：第一类荷载，包括静荷载、动荷载和其他荷载；第二类荷载，即变形荷载（因温度变化、材料收缩和膨胀、地基基础的不均匀沉降等）。因此，可将裂缝分为荷载裂缝和变形裂缝。 1、砌体结构裂缝 荷载裂缝是指墙体因受第一类荷载而产生的裂缝。墙体承受自重以及楼盖、屋盖传来的竖向荷载，墙体还可能承受水平地震作用，当墙体因荷载作用产生的应力超过其抗压、抗剪、抗拉强度时，即产生受力裂缝。 变形裂缝是指由结构变形引起的裂缝。外界温度、湿度变化、地基基础变形和不均匀沉降、材料本身的收缩等因素作用，可能导致房屋结构变形，使砖砌墙体内产生较大的附加应力，当该应力超过材料强度时，就会造成墙体的开裂，即产生变形裂缝。常见的变形裂缝有沉降裂缝、温度裂缝、收缩裂缝等。 国内外调查结果表明，砌体结构产生的裂缝，属于变形和以变形作用为主引起的约占90%；荷载作用或以荷载作用为主引起的约占10%。 2、混凝土结构裂缝 荷载裂缝：由第一类荷载直接作用产生的应力所引起的裂缝，称为荷载裂缝。当结构自重、使用荷载等因素超过设计初始设定值时，造成结构承载能力小于荷载作用，导致结构产生裂缝。在由外荷载直接引起结构裂缝的工程，普通钢筋混凝土构件当内力达到30%极限荷载时（混凝土应力达到抗拉强度）便已出现裂缝，裂缝宽度在0.05～0.10mm，这种裂缝对

Z1东大岩石破裂自然奖项目公示培训资料

Z1东大岩石破裂自然奖项目公示

推荐2016年度国家自然科学奖项目公示 一、项目名称 岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律 二、推荐单位意见 矿山开采和岩石工程开挖引起的灾害造成大量的人员伤亡和财产损失。开采或岩石工程开挖诱发的许多工程灾害都与岩石破裂过程失稳有关，岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律是认识灾害发生的机理和进行灾害预警的关键性理论与技术问题。本项研究从实验研究、数值模拟方法研究及其工程应用等方面，系统地研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟方法RFPA，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具，推动了岩石破坏力学的发展；研究形成了以岩石微破裂监测与并行数值模拟相结合的工程岩体灾害预警新方法，在10余个典型或重大工程中得到成功应用，通过现场工程措施的实施，确保了岩石工程的安全，创造了可观的经济效益和社会效益。 该项目创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟新方法，并为国内外同行广泛应用，在国际上具有重要的学术影响。发表20篇论著总计被他引3476次，其中被SCI-E他引541次、CPCI-S他引258次、CNKI他引2677次。包括原国际岩石力学学会主席C.Fairhurst教授、J.A.Hudson教授在内的1000多位国内外专家，都在公开出版物中给予了正面引用与评价。课题组为我国岩石力学界培养了第一个国际岩石力学学会Rocha奖获得者，实现了国际岩石力学学会设奖27年来我国零的突破。国内外学者应用岩石破裂过程分析系统RFPA获得硕士、博士学位

论文的达到60余篇。本项成果已在加拿大、瑞典、香港及国内30余所高校或研究机构得到应用，协助国内十余所高校挂牌成立了与岩石破坏机理分析相关的“数值实验室”，并在济钢张马屯铁矿突水、淮南矿业集团瓦斯突出、唐钢矿业公司突冒突涌、锦屏二级水电工程隧道施工岩爆等灾害的监测预警中得到应用，为确保岩石工程安全提供了新的手段，取得了较好的经济效益和社会效益。 特推荐国家自然科学奖一等奖。 三、项目简介 矿山开采或岩石工程开挖诱发的许多工程灾害都与岩石破裂过程失稳有关。本项研究从实验研究、数值模拟方法研究及其工程应用等诸方面，系统地研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟方法RFPA，研究形成了以岩石微破裂监测与大规模高性能数值模拟相结合的工程岩体灾害预警新方法，通过现场工程措施的实施，为确保岩石工程安全提供了新的手段。该项目的主要研究及科学意义在于： (1)建立了岩石非线性统计损伤本构理论和岩石破裂失稳灾变模型，揭示了加载系统弹性回弹行为与岩石试样相互作用所带来的岩石破裂规律的复杂性，为研究岩爆等岩体工程动力灾害奠定了理论与实验基础，推动了岩石破坏力学的发展。 (2)基于“脆性破裂孕育在小变形之中”的深刻认识，提出了基于小变形和大位移原理的岩石破裂全过程分析学术思想，建立了用细观非均匀性模拟宏观非线性、用连续介质力学方法模拟非连续介质破裂问题的新型数值分析RFPA(Rock Failure Process Analysis)方法，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具。

第三章2岩石的破坏准则

,. 五、岩石的破坏准则 对岩石试样的室内及现场试验，可获得岩石试样的强度指标，但对复杂应力状态下的天然岩体，又是如何判断其破坏呢？因此，就必须建立判断岩石破坏的准则（或称强度理论）。 岩石的应力、应变增长到一定程度，岩石将发生破坏。用来表征岩石破坏条件的函数称为岩石的破坏准则。 岩石在外力作用下常常处于复杂的应力状态，许多试验指出，岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下具有延

,. 性性质，同时它的强度极限也大大提高了。

,. 许多部门和学者从不同角度提出不同的破坏准则，目前岩石破坏准则主要有：最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论（H.Tresca） 八面体应力理论 莫尔理论及库伦准则 格里菲思理论（Griffith） 伦特堡理论（Lundborg） 经验破坏准则

,. 1、最大正应力理论 这是较早的一种理论，该理论认为岩石的破坏只取决于绝对值最大的正应力。即岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压或抗拉强度时，材料就破坏。 适用条件： 单向应力状态。对复杂应力状态不适用。 写成解析式： 0))()((22322 2221=---R R R σσσ 0))()((223222221≥---R R R σσσ 破坏

,. 2、最大正应变理论 该理论认为岩石的破坏取决于最大正应变，即岩石内任一方向的正应变达到单向压缩或拉伸时的破坏数值时，岩石就发生破坏。 则破坏准则为 u εε≥max 式中 m ax ε——岩石内发生的最大应变值； u ε——单向拉、压时极限应变值； 这一破坏准则的解析式为（由广义虎克定律）

压裂模拟实验报告

中国石油大学采油工程实验报告 实验日期：成绩： 班级：学号：姓名：教师： 同组者：无 压裂模拟实验2016 1. 实验目的(每空1分，共12分) (1) 水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，此压力大于井壁附近的地应力和岩石抗张强度，便在井底附近产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝。 (2) 压裂液是一个总称，根据压裂过程中注入井内的压裂液在不同施工阶段的任务可分为前置液、携砂液、顶替液三种。 (3) 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石水平方向的抗拉强度，岩石将产生垂直裂缝。 (4) 裂缝内的砂浓度是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量；裂缝闭合的砂浓度是指单位面积裂缝上所含支撑剂的质量。 2. 实验内容(每题4分，共20分) (1) 破裂压力梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 (2) 裂缝导流能力：油层条件下填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积。 (3) 全悬浮压裂液：压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑剂的位置。 (4) 地面砂比：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量；支撑剂体积与压裂液体积之比。 (5) 增产倍数：在相同的生产压差下，压裂作业后的产量与压裂作业前产量的比值。

3. 实验流程与步骤(每空1分，共12) (1) 压裂施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。 地面设备主要包括 压裂管汇 、 蜡球管汇 、 压裂井口装置 ； 压裂车组包括 泵车、 混砂车、 罐车 、 仪表车 、 水泥车 。 (2) 泵车的作用：一是 泵送液体 ；二是 使液体升压；混砂车的作用：一是 把支撑剂与压裂液充分混合 ；二是 为泵车提供充足的液体 。 4. 数据处理（写出算例）（30分） (1) 计算闭合压力(计算一组数据即可) 以100KN 载荷为例计算： (2) 用达西公式计算裂缝导流能力(计算一组数据即可) 以单层入口压力2.39atm ，出口压力1atm ，流量0.94m 3/d=261.1cm 3/s 为例计算： W=1cm 同理可求出其他测点的闭合压力和裂缝导流能力，如表1 表1不同载荷下的闭合压力和裂缝导流能力 载荷（kN ） P 闭（kg/cm 2 ） K f W （μm 2 ?cm ） 单层 双层 50 76.78 1.006 0.9984 100 153.56 1.006 0.9984 120 184.28 1.006 0.9984 150 230.34 1.006 0.9984 200 307.13 1.006 0.9984 250 383.91 1.006 0.9984 (3) 用二项式公式计算120KN 载荷的导流能力(画图注意横纵坐标名称与单位) 注： )4 3 r r (ln w πaK 2μA o e f g -?=，{a =86.4，Q (m 3/d)；g μ(mPa ·s)；P (MPa)}，入口压力，出口压力为绝对压力。 计算数据如表2： 表2 120kN 载荷下（Pi 2 -Po 2 ）/Q 与Q 的值 单层 双层 （Pi 2 -Po 2 )/Q （MPa 2·d/m 3） Q(m 3/d) （Pi 2 -Po 2 )/Q Q

裂缝导流能力模拟实验

中国石油大学采油工程实验报告 实验日期：2015.11.22成绩： 班级：学号：姓名：教师： 同组者： 裂缝导流能力模拟实验 一、实验目的 （1）了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异； （2）分别应用达西公式与二项式公式进行计算，分析出结果的异同点，并说明原因； （3）熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。 二、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 三、实验步骤 （1）实验准备工作 ①在附表1中记录使用的支撑剂名称、产地、粒径及室内温度下的气体粘度； ②用游标卡尺量出岩心模的外径和孔眼的内径，记录附表1中，用作计算岩心模面积； ③称一定重量的支撑剂（记下支撑剂的颗粒直径）均匀地铺在岩心模面上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下支撑剂是否铺的均匀和紧密。然后称剩余支撑剂的重量，二者之差即为铺在岩心上的支撑剂重量，并按下式计算出支撑剂的浓度： 2= g/cm 单层支撑剂的重量 支撑剂浓度（） 铺有支撑剂岩心面积，将此浓度值记入表1中。 ④将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验 机下承压板中心位置。 ⑤认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 （2）岩心加压法 ①岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。 ②旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN ）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 ③送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时

岩石的破坏准则汇总

岩石的破坏准则 岩石的破坏准则 对岩石试样的室内及现场试验，可获得岩石试样的强度指标，但对复杂应力状态下的天然岩体，又是如何判断其破坏呢？因此，就必须建立判断岩石破坏的准则（或称强度理论）。 岩石的应力、应变增长到一定程度，岩石将发生破坏。用来表征岩石破坏条件的函数称为岩石的破坏准则。 岩石在外力作用下常常处于复杂的应力状态，许多试验指出，岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下具有延 1

岩石的破坏准则 2 性性质，同时它的强度极限也大大提高了。

岩石的破坏准则 许多部门和学者从不同角度提出不同的破坏准则，目前岩石破坏准则主要有：最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论（H.Tresca） 八面体应力理论 莫尔理论及库伦准则 格里菲思理论（Griffith） 伦特堡理论（Lundborg） 经验破坏准则 3

岩石的破坏准则 4 1、最大正应力理论 这是较早的一种理论，该理论认为岩石的破坏只取决于绝对值最大的正应力。即岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压或抗拉强度时，材料就破坏。 适用条件： 单向应力状态。对复杂应力状态不适用。 写成解析式： 破坏

岩石的破坏准则 5 2、最大正应变理论 该理论认为岩石的破坏取决于最大正应变，即岩石内任一方向的正应变达到单向压缩或拉伸时的破坏数值时，岩石就发生破坏。 则破坏准则为 式中 m ax ε——岩石内发生的最大应变值； u ε——单向拉、压时极限应变值； 这一破坏准则的解析式为（由广义虎克定律）

采油工程实验-裂缝导流能力模拟实验

中国石油大学（采油工程）实验报告 实验日期： 成绩： 班级：学号：姓名：教师： 同组者： 实验三裂缝导流能力模拟实验 、实验目的 1.了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力 条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异； 2．析说明达西公式与二项式公式计算出的结果不同的原因； 3. 熟悉压力试验机的操作及实验流程。 、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 验仪器和材料 1. 仪器：NYL—200D型压力试验机或NYL—2000D型压力试验机，空气压缩机 —供气源，定值器—气源开关，精密压力表，浮子流量计，岩心（钢板） 模，游标卡尺，放大镜。 2. 材料：不同产地的压裂砂、陶粒。 、实验步骤 一）实验准备 1. 在附表1中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度； 2. 游标卡尺量出岩心模的外径r o及孔眼的内径re记录附表1中，用作计算岩心模面 3. 称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在缠有铜网的岩心面 上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。然后 称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑 剂的浓度：

岩心外半 径岩心孔眼 半径 岩心面 积 支撑剂浓度 （g/cm2） 空气粘度 （mPa·s）支撑剂 将此浓度值记入表1中。 4. 将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下 承压板中心位置。 5. 认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 图3-1 岩心模型 ）岩心加压法 1. 岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模 型， 准备加载。 2. 旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开 启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 3. 送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。 同时读出流量数Q和对应的压力P（精密压力表示数）,记录在附表3中。 4. 需要载荷分别依次加到 30kN 50 kN 70kN 100kN 120kN 150kN 180kN 200kN 250kN 300kN 读出相应的P，Q值，用达西公式计算。 注意：在测点70、120、180kN处，保持载荷不变，改变P（调定值器 阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表2中，用于二项式公式计算。 5. 实验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取 出，观察支撑剂破碎情况。 6. 双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的 支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P及 Q值记入表3、表2中。 )实验测得的的数据如下所示： 表1 基本参数

疲劳荷载作用下混凝土裂缝扩展过程

第37卷增刊1 大　连　理　工　大　学　学　报Vo 1.37,Suppl .11997年8月Journa l of da l i an Un iversity of technology Aug .1997 疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程Ξ吴智敏　宋玉普　赵国藩　黄承逵 董　超33 (大连理工大学土木工程系　116024) 摘要　采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入劈拉试件研究了在等幅 重复荷载作用下砼裂缝的亚临界扩展过程.结果表明,砼在疲劳破坏前,裂缝存 在着明显的亚临界扩展,其扩展长度约为65mm .裂缝扩展速率d a d N 符合 Paris 公式 .关键词:混凝土;疲劳;裂缝扩展 分类号:TU 502.6;TU 375 砼是一种多相的复合材料;其断裂机理十分复杂,尤其对疲劳荷载作用下的裂缝扩展知之更少.许多学者认为,砼是脆性材料,裂缝一经起裂便失稳破坏,不存在所谓的“亚临界扩展过程”.针对这一问题,文献〔1〕采用最大尺寸为3.6m ×3.0m ×0.2m 的巨型紧凑拉伸试件,采用光弹贴片、电阻应变片等测试手段,研究了砼裂缝的亚临界扩展过程.结果表明,砼在失稳破坏前,存在很大的亚临界扩展;当试件高度h >1.0m 时,亚临界扩展量?a c 达200mm . 然而,在疲劳荷载作用下砼裂缝是否存在亚临界扩展阶段,扩展长度有多大,这在国内外均很少研究.文献〔2～4〕采用三点弯曲梁法研究了砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程,证实了砼在疲劳荷载作用下裂缝存在亚临界扩展;其扩展规律符合Paris 公式. 图1　试件型式本文采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入 劈拉试件,采用柔度标定法测得了砼疲劳裂缝扩展长度, 并与光弹贴片法作了比较. 1砼楔入劈拉试件静载试验结果及柔度标定 1.1　试件制作及砼配合比 根据试验目的,采用如图1所示的楔入劈拉试件;其 编号及尺寸等见表1.试件均采用同一配合比,水泥∶砂 子∶石子∶水=1.00∶1.73∶3.01∶0.52.水泥采用大连 水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥,砂为河砂,粗骨料为Ξ国家自然科学基金青年基金资助项目(2.59209084)33　现在大连民建设计院工作　收稿日期:1997206202;修订日期:1997207210　吴智敏:男,1963年生,副教授

岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究_张永彬

第25卷第9期岩石力学与工程学报V ol.25 No.9 2006年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006 岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究 张永彬1，2，唐春安2，3，梁正召3，徐涛2，李连崇1 (1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁沈阳 110004；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622； 3. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024) 摘要：岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA3D-Parallel并行分析系统。算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。应用RFPA3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。 关键词：岩石力学；岩石破裂过程；大规模；并行计算；区域分解；消息传递界面 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1795–07 RESEARCH ON PARALLEL COMPUTATIONAL METHOD OF ROCK FAILURE PROCESS ANALYSIS SYSTEM ZHANG Yongbin1，2，TANG Chun′an2，3，LIANG Zhengzhao3，XU Tao2，LI Lianchong1 (1. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China； 2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China； 3. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China) Abstract：Rock engineering hazards are closely related to unstable failure of rocks. Numerical analysis of rock failure process of large-scale rock engineering needs effective，accurate and powerful computation，while traditional serial computation becomes incapable to solve these large-scale rock failure problems；and it is necessary to employ large-scale parallel computation technology. Rock failure process analysis(RFPA) code is one of the important numerical tools that can be used to investigate rock failure process. Based on the serial code of RFPA3D，a parallel computation model of rock failure process analysis is proplsed. We complete parallel stress analysis module of RFPA3D using finite element method on a cluster and integrate it with pre-processing and post-processing of RFPA3D installed on windows pc. The parallel program is performed using a distributed memory sparse linear iterative solver with preconditioning based on MPI(message passing interface). The linear 收稿日期：2005–07–05；修回日期：2005–09–27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374020，50490274，50504003，5047017)；中国教育科研网格计划项目(ChinaGrid) 作者简介：张永彬(1979–)，男，2002年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学数值计算方面的研究工作。E-mail：zybneu@https://www.sodocs.net/doc/9b15935231.html,

岩石破坏准则

2.1岩石破坏强度准则 岩石的破坏主要与外荷载的作用方式、温度及湿度有关。一般在低温、低围压及高应变率的条件下，岩石表现为脆性破坏，而在高温、高围压、低应变率作用下，岩石则表现为塑性或者塑性流动。对于较完整的岩石来说，其破坏形式可以分为：1)脆性破坏；3)延性破坏。图2-1给出了不同应力状态下岩石破裂前应变值、破坏形态示意图和典型的应力-应变曲线示意图。 图2-1岩石破坏形态示意图 从图2-1中可以看出岩石破裂种类繁多、岩石破坏过程中的应力、变形、裂纹产生和扩展极为复杂，很难用一种模型进行描述，很多学者针对不同岩石破坏特征提出多种不同岩石的强度破坏准则。本节主要对已有的岩石强度破坏准则进行总结，找出它们各自的优缺点。 2.1.1最大正应力强度理论 最大正应力强度理论也称朗肯理论，该理论是1857年提出的。它假定挡土墙背垂直、光滑，其后土体表面水平并无限延伸，这时土体内的任意水平面和墙

的背面均为主平面（在这两个平面上的剪应力为零），作用在该平面上的法向应力即为主应力。朗肯根据墙后主体处于极限平衡状态，应用极限平衡条件，推导出了主动土压力和被动土压力计算公式。 考察挡土墙后主体表面下深度z 处的微小单元体的应力状态变化过程。当挡土墙在土压力的作用下向远离土体的方向位移时，作用在微分土体上的竖向应力sz 保持不变，而水平向应力sx 逐渐减小，直至达到土体处于极限平衡状态。土体处于极限平衡状态时的最大主应力为s1=gz ，而最小主应力s3即为主动土压力强度pa 。根据，当主体中某点处于极限平衡状态时，大主应力1σ和小主应力3σ之间应满足以下关系式： 粘性土： 213...2tan tan 454522c ??σσ??????=-++ ? ???? ?（1） 无粘性土 231.tan 452 ?σσ? ??=- ?? ? （2） 该理论认为材料破坏取决于绝对值最大的正应力。因此，作用于岩石的三个正应力中，只要有一个主应力达到岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度，岩石便被破坏。 因此，朗肯强度破坏准则可以表示为：c σσ≥1，或者t σσ-≤3 式中，1σ为岩石受到的最大主应力，MPa ；3σ为岩石受到的最小主应力，MPa ；c σ为岩石单轴抗压强度，MPa ；t σ为岩石抗拉强度，MPa 。 朗肯强度破坏准则只适用于岩石单向受力及脆性岩石在二维应力条件下的受拉状态，处于复杂应力状态中的岩石不能采用这种强度理论。 2.1.2最大正应变强度理论 岩石受压时沿着平行于受力方向产生张性破裂。因此，人们认为岩石的破坏取决于最大正应变，岩石发生张性破裂的原因是由于其最大正应变达到或超过一定的极限应变所致。根据这个理论，只要岩石内任意方向上的正应变达到单轴压缩破坏或单轴拉伸破坏时的应变值，岩石便被破坏。

水力压裂裂缝导流能力优化

水力压裂裂缝导流能力优化水力压裂裂缝导流能力优化与影响因素分析与影响因素分析 邢振辉 圣戈班陶粒中国公司 水力压裂工艺技术作为油气增产的主要手段，已经在石油工业中牢牢确立了自己的地位。在水力压裂引入石油工业的头40年中，它主要应用于低渗透油气藏的开发当中， 然而，在最近的20年来，水力压裂技术的应用逐步扩展到了中-高渗油气藏的开发中来， 同目前最先进的钻井、完井工艺结合在一起，在压裂解堵、薄层改造、压裂防砂、水平井增产改造等方面发挥着重要作用。 水力压裂的主要目的在于提供一条连通地层与井筒的高导流能力通道，改变地层流体的渗流方式，以最大限度的提高油气的生产指数（PI ）。因此，裂缝导流能力的好坏以及其与地层渗流能力的良好匹配，无论对于低渗透致密油气藏还是低压中--高渗储层，都是影响其压裂增产改造效果的重要因素。 裂缝导流能力的定义 裂缝导流能力定义为：平均支撑裂缝的宽度w f 与支撑裂缝渗透率k f 的乘积。公式表示如下: (1) 其物理意义是支撑裂缝所能提供的供液体流动的能力大小。其中，k f 应为就地应力条件下的支撑裂缝渗透率。通常在压裂设计中，支撑剂渗透率参数常来源于实验室数据，这是因为实际就地应力条件下的支撑剂渗透率数据很难获得。然而，实验室条件同真实的地层条件相比存在很大差别，支撑剂在地层条件下所遭受的破坏可能远远大于我们的想象， 同时由于非达西流以及多相流的影响，支撑裂缝的渗透率将大大降低。因此，在压裂设计中，常将实验室获得的支撑剂渗透率数据乘以一个伤害系数进行修正。 油气井经过压裂改造后，其增产效果取决于两个方面的因素，即地层向裂缝供液能力的大小和裂缝向井筒供液能力的大小。因此，为了更好地实现设计裂缝导流能力与地层供液能力的良好匹配，引入了无因次裂缝导流能力的概念。其公式表示如下： （2） 式中：C fD 为无因次裂缝导流能力 X f 为裂缝半长 K 为地层渗透率。 C f 为裂缝导流能力 无因次裂缝导流能力C fD 的物理含义是裂缝向井筒中的供液能力与地层向裂缝中的供液能力的对比。（2）式中， 除地层渗透率K 外，裂缝支撑宽度w f ，裂缝支撑半长X f 以及支撑裂缝渗透率k f 都可以通过对压裂施工规模，施工参数和支撑剂的选择进行调控。因此，C fD 是进行压裂设计时要考虑的一个主要变量，它对压后的增产效果有着重要的影响。 无因次裂缝导流能力C fD 的评价与优化 无因次裂缝导流能力是我们进行压裂优化设计以达到最佳压后增产效果的一个重要设计参数，对于具有不同的储层系数（kh ）和地层压力的油气藏，压裂设计时所要求的无因次裂缝导流能力是不同的。

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

万方数据

万方数据

第２５卷第５期梁正榴等．岩石三维破裂过程的数值模拟研究?９３３? 的材料力学。 ＲＦＰＡ３Ｄ中采用简单的弹性损伤本构模型，在达 到破坏准则之前，单元保持线弹性的力学性质。本 文的研究采掰带有拉伸截断的Ｍｏｌａｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏 准则。娄单元静最小主应力超过其单轴拉｛率强度时 单元发生拉伸破坏，其产生的拉伸损伤演化方程如 下： Ｄ＝ ０（ｅ＞ｅｍ）１＿鲁蛾。≤一ｍ）１＠≤￡哦） 式中：嚷为单元的残余强度，气为单元拉伸损伤的最小主应变门槛值，￡ｌｕ为单元分离最小主应变门槛值。拉伸损伤本构关系曲线如图１所示。 阌ｌ拉伸损伤本构关系曲线 Ｆｉｇ．１Ｅｌａｓｔｉｃｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｌａｗｆｏｒｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ 如果单元应力达到了剪切破坏的Ｍｏ羲托ｏｕ奴ｎｂ准则，单元产生剪切损伤。剪切损伤本构关系曲线如图２所示。 圈２剪切损伤本掏关系魏线 Ｆｉｇ。２Ｅｌａｓｔｉｃｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｌａｗｆｏｒｅｌｅｍｅｎｔｉｎｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ 莠切损伤演纯方程如下：式中：爨为细观单元单轴抗压强度：ｅｒ＝为单元的残余强度，且有瓯＝徽瓦，职为残余强度系数。 需要注意的楚，在损伤演化过程中，单元抵抗载荷的能力是逐濒降低鲍，在达到破坏准则之嚣仍然保持一定的残余强度。尽管上面只是单轴压缩和拉伸下的应变损伤，但是已经考虑到三维应力下其他２个主应力对最大主应变或最小主应变的影响。拉伸破坏下可采掰下面的等效应变办法进行处理： 其中， （８） 《‘）＝｛乞置萋０；三：：三寻ｐ，３ＲＦＰＡ３Ｄ的实现 ＲＦＰＡ∞主要包括３个部分：前处理、数据计算秘计算结果酶后处理。莆处理采用Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下的ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋开发。利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋强大的系统控制能力可以开发出友好方便的用户界面，采用ＳＧＬ公词跨平台图形库模块ＯｐｅｎＧＬ来实现软件模拟结果的图形图像的显示。有限元计算部分采用Ｆｏｒｔｒａｎ９０开发，ＲＦＰＡ∞的计算可以采用Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上的单枫舨，也可以采焉Ｌｉｎｕｘ平螽上的并幸亍计算。目前在单桃上已经可以计算２０万单元的规模，在３２节点的联想深腾１８００上已经可以突破３００万单元的计算。 ４岩石破裂过程的数僮模拟 本文采用ＲＦＰＡ３Ｄ分别模拟了同种岩石材料鲍单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂这３种基本试验。岩石材料的均质度为２，弹性模量的期望值为２００００ＭＰａ，细观单元单轴匿缩峰值强度的期望值为１００ＭＰａ。 ４．１单轴压缩试验 单轴压缩试验是最简单也是最重要的岩石力学试验。试件尺寸为８０ｍｍｘ４０ｍｍｘ４０ｍｍ，划分的网格为８０ｘ４０ｘ４０，共１２８０００个单元。数值试验中采用位移加载，每步位移增量为０．∞２ｍｍ。图３为 踟 彩 ＜ ≥ ◇溉 ◇旦Ｍ 一 ， 硅、 ＝ Ｄ　万方数据

CDLY-2006型裂缝导流能力测试

CDLY-2006型裂缝导流能力测试 技 术 说 明 江苏华安科研仪器有限公司 地址:江苏省海安开发区鑫港路8号

CDLY-2006型裂缝导流能力测试 一、仪器对油田增产的意义 压裂作业是油田生产中对低渗油藏增产改造的主要手段之一。压裂作业的增产效果与支撑裂缝的导流能力密切相关，导流能力取决于裂缝的宽度和裂缝闭合后支撑剂的渗透率。因此，只有对不同来源的支撑剂在压裂作业前进行优选和质量控制，才能保证最佳的施工设计，导流能力测量仪是对不同的支撑剂在压裂作业前进行优选和质量控制测试的仪器。 二、仪器基本原理 裂缝导流仪是按照API标准研制的。它可在标准实验条件下评价裂缝支撑剂的导流能力，从而对各种支撑剂进行性能对比，测试方法如下： 1．用液压机对装有支撑剂的测试室施加不同的闭合压力，使支撑剂处半稳定状态； 2．对支撑剂层注入试验液，对每一闭合压力下的裂缝宽度、压差等进行计量； 3．用达西公式计算支撑剂层的渗透率和裂缝导流能力； 4．重复此过程直到所要求的各种闭合压力和流速都被评估； 5．将测试室加热到油藏温度，再对支撑剂层进行测试。三、仪器系统流程 本仪器由以下各部件组成： 1．符合API标准的线性流导流室（径向流导流室）；

2．液压机及压力补偿系统； 3．线性位移传感器； 4. 试验液体驱替系统，包括驱替泵及脉冲压力阻尼器等； 5. 压差计、压力传感器； 6．回压调节系统； 7．天平； 8．加热及温控系统； 9．真空系统； 10．自动控制系统； 11．数据采集与处理系统。 流程如图所示： 支撑裂缝导流仪流程图

四、主要技术指标 1．液体流速范围：0～20mL/min； 2．测试压力：最大20MPa； 3．操作温度：室温～180℃； 4．闭合压力：0～100MPa； 5．支撑剂厚度：0.25～1.27cm； 6. 液体压差：ΔP(0- 6Kpa)、精度0.25%F.S; 7. 气体流量计量程： 0-3000ml/min 8. 导流能力：0-2000μm2·cm 9. 渗透率: 0-4000μm2 五、主要技术特点 1．仪器自动采集压差、位移、流量、温度等参数，并能自动进行数据处理，计算不同闭合压力下的导流能力。 2．一种闭合压力的三个流量试验完毕后仪器能自动转到下一个闭合压力，继续实验。 3．闭合压力PID智能补偿，由于支撑剂变形或其它原因引起闭合压力下降，压力补偿系统能自动补偿，维护闭合压力在一定范围内变化。 4．闭合压力下三种流量自动转换，一种流量测试完毕后仪器自动转换到下一个流量进行测试。 5.手动与自动两种操作功能。