加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响

为研究加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响,采用非对称加载半圆弯曲试件开展了冲击载荷下Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型3种加载方式下多种冲击速度的断裂试验与数值模拟,研究了加载方式和冲击速度对煤样动态断裂裂纹扩展过程、裂纹起裂时间和煤样破坏形式的影响规律。结果表明:煤样在Ⅰ型动态加载下,裂纹呈直线形式;在Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载下,裂纹呈向左上方扩展的曲线形式;3种不同加载方式下,煤样裂纹起裂时间均随冲击速度增大而减小,其影响逐渐减弱,煤样在Ⅱ型加载下起裂时间明显大于其他2种加载方式;煤样破坏程度均随冲击速度的增大而加大,Ⅰ型加载影响较小,Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载影响较大。     

冲击载荷下圆孔缺陷对材料固有线性缺陷影响的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统,在冲击载荷作用下研究圆孔缺陷对材料体固有线性缺陷的影响规律,以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:圆孔缺陷使Ⅰ裂纹起裂时间增长,速度、应力强度因子值增大,Ⅱ裂纹贯穿试件的时间缩短,速度、应力强度因子呈现急剧增大的趋势;当Ⅰ裂纹扩展至圆孔缺陷周围时,圆孔对裂纹的扩展速度和应力强度因子有明显的抑制作用,并且这种抑制作用随着圆孔直径的增加而变得更加明显。     

含预制双层理的半圆盘模型冲击试验

通过含预制双层理的半圆盘缺陷介质来模拟真实岩体受到冲击荷载下的断裂特性，采用焦散线实验方法测量了试件破坏过程中裂纹尖端的动态应力强度因子的数值及裂纹扩展轨迹、速度等数值。实验表明：当取层理面与预制裂纹之间的角度为变量时，角度减小对折裂纹扩展有着阻碍作用，60°的试件穿过了两道层理，45°及30 °试件未能穿过第二道层理面，且三者裂纹扩展时经过第一道层理面的偏移量分别为20.6mm、32.3mm、26.6mm。三种试件在裂纹未扩展至层理面前的开裂只受到Ⅰ型应力强度因子的影响，开裂主要受拉应力作用，后期的开裂机制变得复杂，受到两种应力强度因子作用，且在层状岩体中，层理面的结构相对薄弱，容易在受到冲击荷载下发生开裂。研究结果对于工程实例中层状岩体的结构强度的研究有着重要的参考价值。     

不同距离应变片测定Ⅰ型动态应力强度因子对比试验研究

基于线弹性断裂力学理论,采用应变片法开展了冲击动荷载作用下的三点弯曲试验,探讨距扩展裂纹不同距离的应变片测定Ⅰ型应力强度因子的差异。当应变片与扩展裂纹成特定锐角和钝角时,采用与裂纹扩展速度和应变片的位置相关的二项式表征裂纹尖端附近应变场,并结合理论解析和试验实测的应变与裂纹扩展时间曲线,推导得到了应力强度因子计算公式。同时,采用动焦散线试验对比分析应变片法测定的动态应力强度因子值。结果表明,应变片在裂纹尖端附近合理区域内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好;明确了不同距离对测定Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响,随着应变片粘贴距离变大,测定的动态应力强度因子值与动焦散线法相差增大。研究结果为进一步应用应变片法研究岩石类材料的断裂性能提供了试验基础。     

层理方向对含预制裂纹页岩Ⅰ型断裂特性的影响

层状页岩受内部层理方位分布特征的影响,其力学性质常表现出明显的各向异性特征。为了探究层理方向对层状页岩Ⅰ型断裂特性的影响,针对不同层理倾角β、预制裂纹角度为0°的半圆盘试件开展三点弯曲静态压缩试验和数值模拟试验。试验结果表明,试件的Ⅰ型标准化应力强度因子Y_Ⅰ会随着层理倾角的变化呈现出明显的差异性,并与层理倾角呈现出良好的三次函数关系,且仅在层理倾角β为0°和90°时,试件表现为纯Ⅰ型断裂模式,即层理倾角的变化会改变试件的断裂模式。同时,试件的Ⅰ型断裂韧度随着层理倾角的增大而逐渐减小,并与层理倾角呈二次函数关系;当层理倾角与预制裂纹角度垂直时,试件的Ⅰ型断裂韧度最大;而当层理倾角和预制裂纹角度平行时,试件的Ⅰ型断裂韧度最小。另外,基于扩展有限元法(XFEM),对半圆盘层状页岩试件的破断机制进行研究,验证了试验和计算结果的准确性。     

冲击载荷作用下材料Ⅰ型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明:在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8kN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被"活化"有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

低透气性煤层脉动注水增透机理研究及数值分析

为了有效提高低透气性煤层渗透率,提出脉动注水增透技术,从微观机理上对脉动注水原理和疲劳裂纹起裂扩展过程进行了研究。在充分考虑有效应力以及滑动摩擦力的基础上,结合 Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂判据,首次计算得到考虑影响因素较全面的煤体原级裂纹起裂的临界裂隙水压计算公式;通过将分支裂纹力学模型简化为悬臂梁模型,计算得到适合分支裂纹起裂扩展的裂隙水压范围。通过FLAC3D内嵌FISH程序语言编写脉动注水函数,实现了对裂纹尖端裂隙水压变化趋势以及裂纹扩展规律的数值模拟,模拟结果表明原级裂纹起裂扩展临界裂隙水压为13.1 MPa,分支裂纹初次起裂扩展水压为12.91 MPa;裂纹扩展半径在水平方向为3.6 m,竖直方向为2.3 m。现场试验表明脉动注水压裂增透效果明显优于普通注水压裂增透效果。     

T应力对半圆盘岩石试件裂纹断裂及扩展机理研究

为将常规的最大周向应力扩展准则与考虑T应力的修正最大周向应力准则的理论预测结果及试验测试结果进行对比,验证笔者建立的修正最大周向应力裂纹扩展准则的准确性,得到T应力对断裂韧性及裂纹扩展规律的影响,采用三点弯曲半圆盘试件,通过改变预制裂纹方向,对Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧性和裂纹起始扩展角进行了研究。研究结果表明:当考虑T应力后,纯Ⅰ型裂纹扩展角不再保持为0,裂纹扩展方向发生偏折;关于Ⅰ-Ⅱ复合型断裂而言,当T应力为正时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力增强,断裂强度增大;当T应力为负时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力减弱,断裂韧性会减小。T应力对裂纹起裂角及临界应力强度因子的影响是不可忽略的,尤其是对Ⅱ型断裂影响更为显著,GMTS准则能够更好的预测岩石复合型裂纹初始扩展角及断裂韧性。     

冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明:在动态冲击载荷作用下,试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著;当孔洞位于裂纹前方时,孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用,且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱;当裂纹再次从孔洞处起裂时,裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比,均出现较大的上升,试件S1、S2中,裂纹扩展速度分别上升了1070%、138%,相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61%、67%;裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性,但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响,裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。     

Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹对脆性岩石受压破坏的影响

脆性岩石内部的细观裂纹是导致其失稳破坏的重要因素之一,基于细观机制研究岩石受载后微裂纹的扩展、贯通有着重要的意义。脆性岩石内部主要存在Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,目前该复合裂纹的扩展、贯通对岩石受压产生失稳破坏的影响研究相对较少。依据最大周向拉应力准则,结合拉剪复合作用下的Ⅱ型裂纹强度因子将Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式作了变换,得到了受裂纹参数影响的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式,并通过裂纹强度因子与裂纹扩展之间的关系式得到了受Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数影响的应力与裂纹扩展长度的关系式,再结合损伤—应变关系推导出受其裂纹参数影响的应力—应变关系式。通过对比大理岩的常规三轴实验结果,发现二者比较吻合,充分验证了该模型的合理性。结果表明,岩石的承载力随着岩石内部初始损伤、裂纹尺寸以及翼型裂纹长度的增大而减小,随着裂纹间摩擦系数的增大而增大。并且在相同轴压的情况下,随着围压的增大,裂纹扩展长度减小,说明围压有效地遏制了岩石内部裂纹的扩展、贯通。本文从细观力学的角度解释了Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数对岩石承载能力的影响,并将裂纹开裂角考虑到了其中,为从细观机制方面研究岩石的受压破坏提供了一定的参考。     

中低速冲击下Ⅰ型裂纹的动态断裂韧度研究

起裂韧度和扩展韧度是分别用来判别裂纹起裂和扩展的两个重要材料参数,为了探索在中低速冲击荷载下岩石的起裂韧度和扩展韧度的测试方法,选择砂岩单裂纹半圆孔板试样以中低速落锤试验机进行了冲击,并利用裂纹扩展计和应变片测试裂纹的起裂时间及裂纹扩展速度。使用AUTODYN有限差分软件,裂纹软化模型及线性状态方程建立了相应的数值计算模型,结合实验-数值法确定预制裂纹的起裂韧度和扩展韧度,结果表明:动态冲击载荷下裂纹扩展速度不是一个常数;对于隆昌青砂岩,其动态扩展韧度与裂纹扩展速度成反比关系,扩展速度越大,扩展韧度越小;材料扩展韧度不是一个独立的材料参数,而是一个与裂纹扩展速度有关的参数。     

乳化液泵阀座拉升器疲劳裂纹扩展有限元分析

基于线弹性断裂力学,采用有限元分析,对乳化液泵用阀座拉升器中疲劳裂纹扩展进行预测,获得Ⅰ+Ⅱ型(张开型+滑开型)混合型裂纹的等效应力强度因子,并应用到Paris公式中,从而求得裂纹扩展增量以及总的裂纹长度；混合型裂纹扩展方向角也可应用Ⅰ型(张开型)和Ⅱ型(滑开型)的裂纹应力强度因子计算得出.分析表明:在裂纹扩展前期,有限元裂纹扩展方向角约与拉升器螺杆轴线成45°的方向,与试验结果吻合度较高.     

含单裂纹带圆孔板单轴破坏试验及仿真

为了研究含不同预制裂纹长度及倾角下的单裂纹带圆孔板单轴应力状态下的裂纹扩展状况,分别制作裂纹倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°及裂纹长度为7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm的带直径为15 mm圆孔的类岩石试件,利用DDL-200型试验机进行单轴压缩试验,并使用颗粒流离散元软件PFC对试件应力状态和裂纹扩展做进一步研究。结果表明：合理的预制裂纹能够提高试件的抗压强度,并且随着裂纹倾角的增加,试件应力集中逐渐从裂纹尖端过渡至孔边,使得新裂纹的萌生和扩展向孔边转移,同时,较大的裂纹长度和较小的裂纹倾角使得试件有更大的受拉区域面积和更加不均匀的应力分布;此外,应力强度因子随着裂纹倾角的增大呈先减小、后增大的变化规律,降低阶段和上升阶段所对应的裂纹分别属于闭合型和张开型。该研究成果可为地下工程中的巷道支护和切顶卸压提供一定的参考。     

不同直径空孔对爆生裂纹扩展行为影响规律的实验研究

为得到空孔直径的改变对爆生裂纹扩展行为的影响规律,采用动态焦散线实验方法,研究了不同空孔直径情况下爆生裂纹扩展轨迹、扩展速度及裂尖动态应力强度因子的变化规律。研究结果表明:随着试件中三条爆生主裂纹的尖端相对距离的减小,裂纹尖端应力场的相互作用逐渐增强,使裂纹扩展速度增加并达到峰值;随着空孔直径的增大,裂纹扩展后期裂纹扩展速度和应力强度因子振荡效应减弱,有利于运动裂纹向空孔方向扩展;在一定范围内,空孔直径越大,空孔对爆生裂纹的导向作用越明显;随着空孔直径的增大,三条爆生裂纹在相互贯通之前,裂尖的动态应力强度因子发生突跃增大的趋势减弱。     

冲击载荷作用下材料I型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明：在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8KN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被“活化”有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。     

爆炸载荷下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

应用动态焦散线测试系统,模拟含缺陷岩体爆破过程,进行了PMMA（有机玻璃）模型透射式动态焦散线试验,着重研究了与预制裂隙共线的炮孔爆炸作用下裂纹扩展的规律.试验结果表明,爆炸载荷下裂隙两端分别产生了1条翼裂纹A和B,翼裂纹A的长度大于翼裂纹B的长度,2条翼裂纹向相反的方向扩展;随着翼裂纹长度的增加,裂纹扩展速度出现快速增加,减少,再增加,再减少的振荡过程;翼裂纹扩展加速度也始终存在着加速与减速不断交替变化的现象;翼裂纹尖端动态应力强度因子呈快速增大到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子K^d_Ⅰ最大值为1.3 MN/ m^3/2,K^d_Ⅰ一直大于K^d_Ⅱ.     

SHPB系统的动态力平衡分析

研究了一维应力波假定与应力均匀化假定对SHPB测试装置的必要性;分析了预制裂纹型试件在SHPB装置下的适用性,并分别论述了如何消除应力波弥散效应与试件惯性效应的方法;提出了动态力平衡对于验证这2个基本假定的必要性以及对于数据处理的准确性;得到了SHPB装置同样可以运用于预制裂纹型试件.     

巷道内径向裂纹在冲击载荷作用下的起裂与扩展研究

为了研究在冲击载荷作用下巷道围岩周边径向裂纹的破坏机制,利用落锤冲击试验机冲击含径向裂纹的砂岩拱形巷道模型,裂纹与巷道拱顶圆弧圆心成不同倾角(θ=0°～90°),借助裂纹扩展计及应变片确定试样裂纹的起裂时刻及裂纹传播速度,并分析裂纹扩展路径中的止裂问题和计算起裂韧度,随后进行相关的数值模拟。研究发现:Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的扩展行为与Ⅰ型及Ⅱ型起裂韧度都有较大关系,同时与预制裂纹倾角θ也有较大关系,动载荷下的Ⅰ型起裂韧度与静载荷下的Ⅰ型起裂韧度存在很大差异;纯Ⅰ型裂纹起裂方向与原裂纹方向相同,并在扩展过程中存在止裂现象,但Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹与原裂纹成一定夹角起裂并扩展形成翼型裂纹,随后沿着巷道的对称轴中间区域进行扩展;巷道模型在动力载荷作用与静力载荷作用下,两侧边墙的破坏行为有很大差别。     

中间起爆柱状药包爆炸应力应变场演化规律

结合动态焦散线、超动态应变测试和数值分析方法,对中间起爆柱状药包爆炸材料中的应力应变场以及爆生裂纹尖端局部应力场的演化规律进行了研究。3种分析方法得到的结论具有一致性。由焦散线方法可得,中间位置起爆柱状药包中垂线方向、端部垂线方向、端部轴向和端部倾斜方向主应力差值依次减小,各方向近炮孔圆孔处主应力差最大值分别为50.9,29.9,15.3和13.3 MPa,端部效应明显。由于爆炸应力波迅速衰减,圆孔处主应力差值差异随距离炮孔距离的增加逐渐减小。利用小圆孔可有效的对裂纹影响大小和影响范围进行测量,当爆生裂纹扩展到圆孔附近时,受爆生裂纹尖端局部应力场的影响,圆孔处焦散斑呈增大趋势,随着裂纹的不断扩展,其圆孔处焦散斑方向随之不断变化。由超动态应变测试方法可得:炮孔柱部由于应力波的叠加,垂直炮孔方向应变持续时间为40 μs,主要表现为压应变,炮孔端部轴向应变持续时间为10 μs,首先表现为压应变,随后转为拉应变并持续了较长时间。数值模拟得到了炮孔周围4个方向应力衰减的拟合曲线,弥补了实验方法不能测得炮孔近区应力应变场演化规律的缺陷。中间起爆柱状药包显著改善了沿炮孔轴线爆炸应力场的均匀程度,有利于岩石的破碎,从而提高炮眼利用率,减少岩石大块率。