剪切断裂韧度(K_(Ⅱc))确定的研究

对含裂纹的试件施加单纯剪应力时，裂纹将偏离原裂纹面扩展，测得的ＫⅠｃ小于ＫⅠｃ。理论分析证明，在剪切载荷作用下裂纹扩展是由于拉伸应力引起的，并非剪切破坏。为了抑制或消除剪切力引起裂纹尖端的拉应力，在给试件剪切力的同时，还必须给试件施加一定方向的压应力，从而在剪应力作用下．获得了剪切断裂。在此条件下测得岩石的剪切断裂韧度 ＫⅡｃ都大于 ＫⅠｃ。研究表明，产生Ⅱ型断裂是有前提条件的，即：裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子ｆｒθｍａｘ与裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子ｆｒθｍａｘ的比值ｆｒθｍａｘ／ｆｒθｍａｘ＞１和ｆｒθｍａｘ／ｆｒθｍａｘ＞ＫⅡｃ／ＫⅠｃ。     

岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究

博士学位论文摘要 针对含裂纹岩石压缩断裂的性质，进行了较为全面和深入的实验研究、机理分析和理论模拟。了解并掌握了岩石压缩断裂的主要规律，提出了相应的判据和模拟模型。 实验研究采用的是含中心斜裂纹的矩形石膏试件，加载方式为单向或双向施压。分别对张开型裂纹，闭合型裂纹和不完全闭合型裂纹等不同的裂纹状态，进行开裂位置、开裂角、临界载荷、压应力集中、拉应力区、断裂模式及Ⅱ型断裂条件等实验观察和研究。其中，为实现实验受力要求，自行设计并研制了液压伺服自动控制的横力加载装置，与电子万能试验机一起构成了有效的二向压缩状态。数据采集采用密集应变片布点，配合多通道动态应变测量系统，对裂纹附近应力变化实施全程监控。压缩裂纹设计为不同短长轴比的各种扁椭圆形状，裂纹倾角从0°到90°等间隔安排，以反映出压缩断裂过程的变化规律。等量增加围压轴压比系数和改变裂纹面摩擦系数，探寻Ⅰ型断裂模式向Ⅱ型断裂模式转变的条件。 基于实验结果以及相关数据分析，并结合力学模型和复变函数方法，研究了岩石压缩断裂各主要现象的产生机理。着重研究裂纹起裂的应力特征；压应力强度因子性质，它的变化规律及其对断裂的影响；Griffith型断裂（裂尖开裂）的几何范围和限定条件；裂     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明：采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

剪切断裂韧度(KIIc)确定的研究

对含裂纹的试件施加单纯剪应力时,裂纹将偏离原裂纹面扩展,测得的KIIc小于KIc.理论分析证明,在剪切载荷作用下裂纹扩展是由于拉伸应力引起的,并非剪切破坏.为了抑制或消除剪切力引起裂纹尖端的拉应力,在给试件剪切力的同时,还必须给试件施加一定方向的压应力,从而在剪应力作用下,获得了剪切断裂.在此条件下测得岩石的剪切断裂韧度KIIc都大于KIc.研究表明,产生II型断裂是有前提条件的,即裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子frθmax与裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子fθmax的比值 frθmax / fθmax＞1 和frθmax / fθmax＞KIIc / KIc.     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ–Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子(SIF)的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。     

数字散斑相关方法测定岩石I型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含I型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿–辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。     

有压圆形隧洞围岩径向裂纹应力强度因子研究

为研究隧洞围岩周边径向裂隙的水力劈裂问题,利用复势法分别给出了高水压和构造应力两种因素作用下围岩径向裂隙应力强度因子的解析公式。研究表明:在压应力构造应力场中,构造应力只主导裂隙的Ⅱ型扩展,围岩孔隙水压力只主导裂隙的Ⅰ型扩展;侧压力系数和构造主应力与裂隙夹角是影响裂隙Ⅱ型扩展的重要因素。研究结论对于进一步研究高水压和构造应力对径向裂隙的水力劈裂效应具有重要的参考价值。     

压缩状态下岩石的Ⅰ、Ⅱ复合型断裂试验

本文叙述了在压缩荷载作用下,常用的I、Ⅱ复合型脆性断裂的几种理论判据与岩石实验观测成果。初步揭示了压缩状态下大理岩和砂岩的初始断裂特性。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH@于海勇$黑龙江科技学院!教授     

应力波对岩石断裂的相关因素分析

岩石类材料具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度,对这类材料在应力波作用下断裂的相关因素分析是目前急待开展的研究课题。为了解岩石类材料的动态断裂机理,首先就须找出与断裂相关的因素,以及由此导致的裂纹开裂、发展、止裂条件等。通过拟对这些相关因素进行分析,探讨这些相关因素在动力断裂中的作用     

岩体断裂的破坏机理与计算模拟

受压岩体中的裂纹问题,可以归结为压剪裂拉剪纹两种类型,具体讨论了受压岩体中的斜裂纹问题和翼形裂纹问题,对两种不同理解纹类型的扩展机理进行了分析,给出了应力强度因子的计算方法,最的一以受单向压缩的裂纹扩展为例,说明了具体了计算模拟过程。     

大理岩I–II复合型动态断裂的实验研究

 利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(f50 mm,f130 mm,f200 mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验–数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf))。在100 μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响：对于静态情况为I–II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,f50 mm尺寸试样仍处于复合型加载,而f130 mm,f200 mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动。岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释。考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响。