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脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。 相似文献
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Crack evolution is initiated by the occurrence of tensile wing cracks and is then further promoted due to the crack coalescence caused by the extension of a central tensile crack segment between two relatively adjacent flaws. To understand such progressive failures in rock, a parallelized peridynamics coupled with a finite element method is utilized. Through this method, the initiation position of tensile wing cracks is observed with respect to varying inclination angles of a flaw, and then its corresponding shifting mechanism is investigated. In addition, the phenomenon of the position shifting being sensitive to various flaw shapes is discussed. Moreover, it is observed that the inclination angle of a central flaw affects the initiation position of other flaws; therefore, the initiation positions of tensile wing crack emanating from other neighboring flaws are analyzed with their angles. Following tensile wing cracks, a central tensile crack segment occurs in the bridging region between a central flaw and other neighboring flaws; the developmental patterns caused by the crack segment are discussed as well. Finally, the role a central tensile crack segment plays in the formation of crack coalescence and specimen failure is investigated in detail. The numerical results in this paper demonstrate good fidelity with established physical test results and complement them, thereby expanding the understanding of fracturing morphology in rock specimens with various flaws. 相似文献
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This paper describes the application of symmetric Galerkin boundary element methods (SGBEM) for the analysis of a 2D crack propagation problem. The sub-domain SGBEM for crack problem is derived. The coefficient matrix is completely symmetric. Cohesive crack model is used to simulate crack propagation. The increment control method for crack propagation and the method for unknown crack propagation path have been derived for high-order element. Two-stage interpolation method called the ‘quasi-higher order element method’ (QHOEM) is then proposed to solve the double integrals. In the initial stage, it uses higher order elements to interpolate the field variables, and for the numerical integration involved, it further uses interpolation functions to decompose the higher order elements into lower order elements so that the existing analytical integration can be applied. A finite rectangular plate containing a centre crack growth and four-points bending beam problem have been analysed to check the accuracy of the proposed method. For actual application, a dam buttress with an edge crack has been analysed and the results are found to be in agreement with the other numerical and experimental results. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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单轴压缩下含倾斜单裂纹砂岩试件裂纹扩展量测研究 总被引：3，自引：0，他引：3
选用砂岩作为试验材料,进行不同倾斜角度单预制裂纹的单轴压缩试验研究,透过裂纹扩展量测技术以及配合相关断裂准则,得到：(1) 理论与实验的裂纹起裂角随裂纹倾斜角增加而增大;(2) 透过相关断裂准则,砂岩试件在裂纹尖端产生反翼裂纹是因为剪力破坏;(3) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹扩展受单裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹不易起裂;当裂纹倾斜角较大时,裂纹起裂比较容易;(4) 在单轴压缩作用下砂岩试件则受单预制裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹扩展属于非稳定扩展;当裂纹倾斜角较大时,裂纹扩展属于稳定扩展;(5) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹尖端A侧与裂纹尖端 B侧的裂纹扩展平均速度随裂纹倾斜角增加而降低。 相似文献
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鄂尔多斯盆地姬塬油田上三叠统延长组超低渗透砂岩储层微裂缝研究 总被引：12，自引：0，他引：12
通过对鄂尔多斯盆地姬塬油田上三叠统延长组长4+5油藏的精细描述,指出微裂缝对提高储层渗流能力、提高超低渗透油藏开发效果具有十分重要的意义。研究表明,鄂尔多斯盆地姬塬油田上三叠统延长组长4+5油藏微裂缝线密度为7.86条/cm,微裂缝开度为3.70μm,微裂缝间距为1.2723mm,微裂缝孔隙度为0.29%,微裂缝渗透率为332×10-3μm2。微裂缝孔隙度是基质孔隙度的2.74%,微裂缝渗透率是基质渗透率的12.15倍。微裂缝分布的差异性和不均一性是造成研究区超低渗透致密储层中有相对高渗透层的主要原因。微裂缝发育及展布状况是沉积微相带及基底断裂基础上成岩过程中多期古构造应力场与现今构造应力场共同作用的结果。在油气勘探中以寻找有利的沉积相—成岩相—微裂缝带为勘探目标,会加大勘探成功率。 相似文献
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Modeling the connectivity and intersection of hydraulically loaded cracks with in situ fractures in rock 
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下载免费PDF全文 The interaction of an advancing hydraulically loaded crack and in situ fracture network can yield highly complex patterns. We model the connectivity of cells in a finite element domain and in a fracture network by a simplicial complex data structure. The complete adjacency information between cells is determined by one level down facet and one level up cofacet neighborhood information. Combined with a disjoint set data structure, explicit algorithms are derived to efficiently track network connectivity and load transfer between independent fracture sets. We also propose an approach to regularize the application of hydraulic load to newly intersected in situ cracks to smoothen the transition of pressure on intersected cracks from ambient to hydraulic pressure and to avoid the sudden loading of the entire length of these cracks. Numerical results demonstrate the performance of crack connectivity and load transfer models and the effect of regularization model. The results show that as the angle between an incoming hydraulically loaded crack and an in situ crack increases, the effect of in situ crack shifts from slight realignment to diversion/offsetting of the loaded crack. As the angle difference approaches the normal angle, the loaded crack tends to penetrate through the in situ crack. The proposed schemes are also used for transient simulation of 2D reservoirs with multiple perforations surrounded by in situ cracks with and without a bias in the distribution of their orientation. It was shown that from 2 perforations with angles closer to in situ cracks at low loading rates to all perforations at higher loading rates can result in active hydraulic crack propagation. The h‐adaptive method of asynchronous space‐time discontinuous Galerkin method is used to exactly track complex fracture patterns in these dynamic fracture simulations. 相似文献
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In this paper, a numerical model is presented to represent the fracture process in hard rocks based on a pseudo-discontinuum method called the Continuum Voronoi Block Model (CVBM). To validate this tool, numerical models for one Brazilian test, one unconfined compression test, and multiple triaxial compression tests with different confining stress were calibrated to match laboratory test results for Creighton granite. The model proved robust and matched the following macro-properties: crack initiation (CI) stress, (CD) stress, peak strength, tensile strength, Young's Modulus, and Poisson's ratio. The calibrated model served as a basis for a sensitivity study to analyze how micro-properties influence the rock's macroscopic responses. From the sensitivity study, a calibration methodology was proposed, which shall facilitate the use of the CVBM in future works. 相似文献
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模拟岩石压剪状态下主次裂纹萌生开裂的扩展有限元法 总被引：1，自引：0，他引：1
压剪应力状态下,岩石类材料中常见两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生压剪裂纹。基于扩展有限元方法（XFEM）,提出了模拟压剪裂纹面作用机制的扩展有限元位移增强方案,并给出了扩展有限元法分叉裂纹处理方法,分别用最大周向拉应力准则和Mohr-Coulomb准则判断张拉裂纹和压剪裂纹的萌生和扩展。基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem 2D,通过两个算例对所提方案进行了验证,所得结果与有限元法（FEM）计算结果吻合很好。模拟了单轴压缩载荷下含预制闭合裂纹试件的裂纹分叉、扩展过程,与试验结果的对比表明,所提方案可以模拟和预测岩石类材料张拉、压剪交互分叉裂纹的萌生和扩展行为。 相似文献
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爆炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性试验 总被引：1，自引：0，他引：1
应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了平板中预制贯通裂纹在爆炸应力波作用下端部衍生分支裂纹及爆炸主裂纹的扩展规律。预制贯通裂纹面在压缩应力波及反射拉伸波作用下表现出明显的张开和闭合交替变化,预制贯通裂纹减弱了爆炸主裂纹的动态扩展行为,爆炸主裂纹难以穿过预制贯通裂纹继续扩展。分支裂纹是爆炸应力波在预制贯通裂纹端部衍射效应形成应力集中而衍生、起裂、扩展,其开裂角与预制贯通裂纹、爆炸应力波入射角密切相关,分支裂纹尖端沿着最大能量释放率方向起裂,逐渐平行于最大主应力的方向稳定扩展,中后期扩展多表现为复合型断裂。爆炸分支裂纹的动态应力强度因子、扩展速度低于爆炸主裂纹,获得了分支裂纹起裂韧度为0.50～0.65 MN/m3/2、止裂韧度为0.25～0.35 MN/m3/2。 相似文献
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A new triangular element was created that could be used for the improvement of the accuracy of the constant displacement discontinuity method (CDDM). This element is characterized by three degrees of freedom in the three-dimensional space as in the classical CDDM approach. The element is based on strain gradient elasticity theory that accounts for the difference of the average value of stress with the local stress at surfaces with large curvature (eg, crack borders, corners, and notches) in elastic bodies. The new element is characterized by a strain gradient term in addition to the two Lamè constants that gives a more representative value of the stresses at the centroid of crack edge elements compared with the classical elasticity solution and thus an accurate stress intensity factor. In this approach, special crack border elements with square-root radius dependent displacements and numerical integrations are avoided. The extra strain gradient term is calibrated once only on the analytical solution for the penny-shaped crack. In a verification stage, the accuracy of the computational algorithm for the elliptic and rectangular crack problems is demonstrated. Then, the algorithm, which also accounts for crack closure in compression, is applied for the modeling of crack propagation and crack interaction in uniaxial tension and compression loading. It is illustrated that the numerical predictions are in accordance with experimental evidence pertaining to uniaxial compression of transparent precracked specimens in the lab. 相似文献
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在试验室进行裂纹稳定扩展及非稳定扩展的研究,其试验基座以楔形劈裂试验为基础改良而成,考虑材料的均质性,试验试体采用供铺设地板或建筑用外墙之天然石材。试验过程中利用裂缝应变片即时记录系统求出试体在稳定扩展及非稳定扩展下的裂纹扩展速度及其分形特性。结果表明,稳定扩展速度范围约在0.113～313.043 cm/s;非稳定扩展速度范围约在0.094～2 489.816 cm/s;亚临界分形维数范围约在0.994 3～1.036 6;起裂断裂韧性范围约在1.891 5～3.500 1 MPa?m1/2;分形亞臨界斷裂韌性范围约在2.063 6～3.712 8 MPa?m1/2。 相似文献
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压缩荷载下泥岩裂缝演化规律的CT试验研究 总被引：2，自引：0，他引：2
裂缝的演化与空间展布规律是影响泥岩盖层密闭效果的关键因素。为研究泥岩失稳破坏过程中裂纹的萌生、扩展和汇集贯通等演化规律,针对龙马溪组泥岩进行了单轴压缩下的同步CT扫描试验,通过裂纹面积的变化特征及裂纹结构的分形特性,探讨了不同加载水平下裂纹的演化规律,从细观尺度揭示了泥岩裂纹演化与宏观变形特性的关系。研究结果表明：泥岩CT图像灰度频率及裂纹面积的变化均可反映裂纹的演化特征。荷载水平（即当前荷载与峰值荷载之比）为0～20%时,裂纹面积迅速增加,裂纹开始萌生,但由于受到闭合效应的抑制,相对并不活跃;荷载水平（当前荷载与峰值荷载之比）为20%～65%时,裂纹面积变化不大,裂纹萌生效应和闭合效应同时进行,且作用大致相抵,泥岩进入稳定承压阶段;荷载水平为65%～85%时,裂纹面积陡然增加,裂纹进入扩展及汇集贯通阶段,而荷载水平为65%时的突然跳跃,表明裂纹从萌生闭合到扩展过渡具有突发性和瞬时性。随着荷载的继续增加,泥岩内部结构呈复杂化、混乱化的变化趋势,且裂纹从外向内逐渐贯通。裂纹分形维数呈现的增长―下降―再增长―再下降的波状变化规律,是裂纹萌生、闭合、扩展和归并等相互转化的结果。 相似文献
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特低渗透砂岩储层微裂缝特征及微裂缝参数的定量研究——以鄂尔多斯盆地沿25区块、庄40区块为例 总被引：1，自引：0，他引：1
对鄂尔多斯盆地沿25区块、庄40区块长6油藏进行精细描述,指出微裂缝对提高储层的渗流能力,提高特低渗油藏开发水平具有十分重要的意义.阐述了特低渗透储层的岩块、显裂缝系统及其各自特征,指出显裂缝大致由三组裂缝组成.研究认为:岩块系统包括基质和微裂缝两部分,微裂缝一般长度小于200 μm,规模小;两区块特低渗储层微裂缝呈条带状展布,且呈平行或雁式排列,具有明显的方向性,条带性随着岩性的变化而变化;可将微裂缝划分为有效缝和无效缝,有效缝对渗流起作用,无效缝充填方解石,对渗流不起作用.微裂缝和基质的储、渗性能差别很大,沿25区块微裂缝的储集能力是基质的0.0377倍,渗流能力是基质的42倍;庄40区块微裂缝的储集能力是基质的0.0337倍,渗流能力是基质的78倍. 相似文献
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赫兹破裂在工程和材料领域一直备受关注,但其在地质学领域的应用还很少,远未像里德尔破裂那样熟知。从微观尺度到露头尺度,从板块尺度到行星尺度,赫兹破裂在自然界都广泛存在。赫兹破裂作为一种点接触破裂区别于常见的里德尔剪切破裂。它们均是自然界中特殊而又普遍发育的破裂形式,代表了不同的边界和应力条件。典型的赫兹破裂属于弹性变形范畴,由于点接触而在三维空间中形成特征的锥形破裂,在平面上则表现为放射状及环状破裂。在剖面上锥形破裂一般会出现一定角度的拐折,下段破裂与接触面的角度变大,是锥形破裂的典型特征之一。在地质学领域,赫兹破裂有着重要的指示意义,可以表征物质的韧性(toughness)、解释环状和放射状构造、解释锥状以及弧形破裂成因与样式、判断冰川以及断层的运动学特征、区分不同破裂机制形成的新月形构造等,也可以应用于恢复沉积环境以及判断成岩过程中或者构造变形过程中的古应力及其方向。板块碰撞过程中,在特定环境下也可形成赫兹破裂,因此该类型破裂将会有助于我们理解一些断层的成因、发展以及大陆的变形,同时为类地行星(卫星)表层的构造提供解释方案。 相似文献
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水力压裂技术改造储层已经成为非常规油气开发的重要技术手段,以井下测斜仪为代表的远场测量技术进行裂缝形态监测已经逐步应用于压后裂缝效果评价。采用不同的裂缝分析模型对压裂过程中地面和井下倾斜场进行了正演研究,验证了模型的正确性,并采用矩形张裂缝模型对影响压裂倾斜场的地层和裂缝参数进行了定量分析。研究表明,（1）地面倾斜场对于裂缝的方位角和倾角变化较为敏感,对于裂缝的尺寸及裂缝中心深度变化不敏感;（2）井下倾斜场值对于裂缝的尺寸、裂缝中心深度变化较为敏感,对于裂缝的方位角及倾角变化不敏感。研究结果可应用于储层水力压裂优化设计中。 相似文献
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赫兹破裂在工程和材料领域一直备受关注,但其在地质学领域的应用还很少,远未像里德尔破裂那样熟知。从微观尺度到露头尺度,从板块尺度到行星尺度,赫兹破裂在自然界都广泛存在。赫兹破裂作为一种点接触破裂区别于常见的里德尔剪切破裂。它们均是自然界中特殊而又普遍发育的破裂形式,代表了不同的边界和应力条件。典型的赫兹破裂属于弹性变形范畴,由于点接触而在三维空间中形成特征的锥形破裂,在平面上则表现为放射状及环状破裂。在剖面上锥形破裂一般会出现一定角度的拐折,下段破裂与接触面的角度变大,是锥形破裂的典型特征之一。在地质学领域,赫兹破裂有着重要的指示意义,可以表征物质的韧性（toughness）、解释环状和放射状构造、解释锥状以及弧形破裂成因与样式、判断冰川以及断层的运动学特征、区分不同破裂机制形成的新月形构造等,也可以应用于恢复沉积环境以及判断成岩过程中或者构造变形过程中的古应力及其方向。板块碰撞过程中,在特定环境下也可形成赫兹破裂,因此该类型破裂将会有助于我们理解一些断层的成因、发展以及大陆的变形,同时为类地行星（卫星）表层的构造提供解释方案。 相似文献
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经典断裂判据在分析岩石起裂角度及强度时,往往只选择裂尖应力场展开式中的r1/2奇异应力项,而将高阶的O(r1/2)项以及非奇异应力项（T应力）忽略,造成理论预测并不能完全吻合实际的试验结果。在充分考虑非奇异应力项对裂纹扩展影响作用的基础上,利用最大周向应力判据重新研究了岩石类材料脆性破坏的I、II及I-II复合型裂纹扩展。研究结果表明：（1）纯I型裂纹状态下,T应力为负时（压缩）,裂纹的扩展是稳定的;而当T 应力为正时（拉伸）,只有当 ,裂纹才沿着裂纹方向扩展（经典断裂判据所预测的方向）,而其他情况下裂纹的扩展将发生偏转;（2）纯II型裂纹时,不仅沿着裂纹方向的T应力影响起裂角度及强度,垂直裂纹面上的N应力也同样具有重要的影响作用;（3）对I-II型裂纹而言,修正后的最大周向应力准则与试验结果吻合良好,且正的T应力增大开裂角,而负的T应力降低开裂角。通过控制T应力的大小,可以对裂纹扩展方向加以控制,从而使得裂纹扩展偏离最危险的方向,最大地限度阻止或延缓结构整体断裂的发生。 相似文献
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章君政唐朝生巩学鹏周启友程青吕超施斌 《岩土力学》2023,(2):392-402
土体在气候作用下发育干缩裂隙是一种常见的自然现象,裂隙的存在会极大弱化土体的工程性质,诱发许多岩土与地质工程问题。为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态,提出了一套基于高密度电阻率层析成像技术（ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法。分别开展模型试验及原位试验,利用自行研制的测定系统持续采集电流-电位差数据,随后利用自行开发的有限元法电阻率层析成像（FemERT）系统进行数据处理,获取了裂隙网络在不同发育阶段的空间分布特征。结果表明：（1）ERT可以实现土体裂隙发育过程的精细监测,具备监测三维裂隙网络几何形态的能力,裂隙宽度的识别精度达到毫米级,裂隙深度的识别精度达到厘米级;（2）ERT的感度分布特征解释了裂隙发育对于土体电阻率的影响规律,测定电阻值时程曲线因裂隙产生位置的不同而呈现不同的变化规律;（3）反演电阻率及其相对变化率（Rev）可以直观表征裂隙网络在不同阶段的空间几何形态,凸显裂隙动态发育过程对于土体导电性的影响。 相似文献