水力冲击内蕴初始裂纹混凝土致裂机理

为研究水力冲击内蕴初始裂纹混凝土破碎机理,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了水力冲击含竖向裂纹混凝土数值模型,并基于图像处理技术,量化表征了混凝土致裂区破碎规律。研究表明:在初始裂纹弱作用区,水锤效应导致液固接触边界出现剪切断裂,贯通后形成近似"碗状"破碎坑;在初始裂纹强作用区,液固接触边界压剪应力和初始裂纹上部应力集中共同作用引发了初始裂纹上尖端裂纹;"水楔+砼楔"效应与初始裂纹下部应力集中导致了初始裂纹下尖端裂纹;水力冲击激发的应力波在自由边界和初始裂纹反射后相互叠加,引发了锥形裂纹;混凝土破碎度沿射流轴向呈非线性阶跃衰减,表明初始裂纹对混凝土破碎演化有明显阻断及强干扰作用。     

高压水射流冲蚀混凝土破碎区演进特征及裂纹扩展规律研究

高压水射流冲击下混凝土内部裂纹扩展规律是洞察水力破碎机制的重要基础。借助相似材料、模型试验及高速摄像技术,构建了高压水射流冲击透明类混凝土冲蚀孔洞及裂纹扩展检测系统,研究了射流冲击混凝土冲蚀破碎区演化历程及裂纹扩展模式。结果表明,在射流冲击下混凝土破碎区演进过程分为三个典型阶段:水锤压缩区扩展、非压缩区扩展及侵彻贯通后扩展。在水锤压缩区冲蚀孔洞以近似"花瓣"状形态向自由面扩展,在冲蚀孔洞阵前面存在显著的塑性屈服区及交错裂纹网,并从理论上提出了冲蚀孔洞演进的临界判据;在非压缩区冲蚀孔洞近域塑性屈服区明显减少,材料去除演变为完全脆性破碎模式,冲蚀孔洞轴向演进速度呈现阶段性停滞;侵彻贯通后冲蚀孔洞径向维度将继续增大,并在孔壁近域出现不连续、半球状微裂纹区域,当扩展至初始贯通孔径2倍左右时,主冲蚀孔洞将趋于稳定。     

煤岩体水力致裂弱化技术及其进展

针对煤矿开采中坚硬顶煤（板）冒落性差的问题,讨论了煤矿生产中由此产生的顶煤放出率、冲击 矿压、自燃发火和瓦斯积聚等技术难题;分析了坚硬顶煤（板）水力致裂弱化技术的岩体水力致裂裂缝扩展行 为规律、渗透压力对裂隙岩体宏细观结构的改造作用及其宏观力学响应,水压裂缝扩展形态控制技术,钻孔封 孔技术和岩体水力致裂弱化的监测监控的研究现状和技术发展趋势。     

含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

局部高温诱导致裂非均质花岗岩机理研究

深部难钻地层钻速慢、钻井成本高的问题是现阶段钻井提速遇到的瓶颈问题，传统机械破岩难以大幅提速，亟需新的高效破岩方法。该文通过室内试验分析了局部高温作用下花岗岩的破碎模式，基于颗粒流离散元PFC2D建立了非均质花岗岩的等效岩体模型及局部高温诱导致裂花岗岩的热-力耦合模型，考虑了地层压力、液柱压力对于局部高温诱导花岗岩致裂的影响，再现了非均质花岗岩的微、宏观破裂过程，总结了温度、压力与岩石微观损伤的关系。实验结果表明：合理调节温度，在不产生熔融花岗岩的前提下，高温破碎花岗岩效果极为显著，破碎的岩屑呈片状，利于携岩。局部高温作用下花岗岩主要产生两个类型裂纹：晶内剪切裂纹和晶间拉伸裂纹；液柱压力对高温诱导裂纹的抑制作用特别明显，侧向压力能促进晶内剪切裂纹扩展；局部高温使花岗岩产生明显损伤的情况仅发生在浅地层，对深部地层作用甚微，建议结合PDC钻头切削或冲击；对花岗岩不同位置进行加热时，晶内剪切裂纹只存在于加热中心位置，而晶间拉伸裂纹扩展的范围更广，裂纹密度和分布与晶粒属性有关。研究结果有助于对高温热致裂岩石机理的深入了解以及为深部钻井提速提供新的思路。     

巷道内Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹在冲击载荷作用下的断裂行为分析

研究了巷道内纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹在冲击载荷作用下的动态扩展特征,预制裂纹位于巷道拱顶圆弧区域与巷道对称轴线平行,并与巷道对称轴线的间距不同。以中低速落锤冲击试验机对砂岩巷道模型试样进行动态冲击加载,巷道内裂纹的起裂时间与扩展特性采用粘贴在裂纹尖端的应变片进行相应的测试分析。采用AUTODYN模拟巷道内裂纹的扩展路径,总体上数值结果与试验结果比较吻合,采用ABAQUS计算裂纹的应力强度因子,结合试验-数值法确定巷道模型内预制裂纹的起裂韧度。研究结果表明:Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹起裂过程中,既有Ⅰ型起裂韧度又有Ⅱ型起裂韧度,其比例大小与裂纹距离巷道对称轴的距离有关;纯Ⅰ型与Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的扩展行为有很大差别,纯Ⅰ型裂纹起裂沿着原裂纹方向竖直向上扩展,而Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹与原裂纹成一定角度起裂,形成翼型裂纹,最后沿着最大主应力方向进行扩展,并且复合型裂纹在扩展过程中,存在明显的拐点特征。     

二维C/SiC复合材料在冲击拉伸下的损伤过程

利用分离式霍普金森拉杆实验装置(SHTB)和超高速照相机,对二维C/SiC复合材料进行了冲击拉伸力学性能实验研究,同时结合其宏观力学行为,分析了在冲击拉伸载荷作用下的损伤破坏过程。结果表明:材料的应力-应变曲线呈明显的非线性特征,其内部损伤破坏和裂纹扩展过程分为四个阶段:损伤积累于第一阶段,裂纹起源于第二阶段,屈服失效于第三个阶段,快速扩展于第四个阶段。     

一种基于残余应变的混凝土疲劳损伤模型

介绍了混凝土在承受疲劳荷载时内部微裂纹的扩展规律,根据疲劳损伤变形的3阶段特征,可知混凝土内部微裂纹的扩展是导致其疲劳损伤的本质原因,提出了残余应变可作为建立疲劳损伤模型的基础。研究并介绍了混凝土疲劳损伤破坏时峰值应变εunstab的确定、等幅或变幅荷载作用下残余应变ε残和总应变ε总的计算理论。根据疲劳等效累积原则和混凝土疲劳残余应变的计算理论,推导出混凝土在疲劳荷载作用下基于残余应变的疲劳损伤模型,并提出了建立混凝土疲劳损伤模型需要进一步研究的重点和难点。     

混凝土细观结构动态力学特性CT试验研究

混凝土材料在动载作用下具有与静载不同的特性。从实时CT扫描试验出发,以素混凝土圆柱体试样为研究对象,分析了正弦波动压和动拉荷载作用下,混凝土的细观结构变化对动态力学特性中诸如强度、变形和破损形态的影响。通过CT差值图像研究,得出动压荷载作用下混凝土裂纹具有发展迅速,破坏过程短,破坏裂纹多,破坏面积大等特点;通过CT数等密度分割图研究,得出动拉荷载作用下混凝土微裂纹突然合并形成一条主裂纹贯穿试件,试件突然断裂;通过加载过程中CT数变化规律研究,得出动压荷载作用下混凝土的密度经历了一个先增大后减小的过程,试件经历了压密、扩容、裂纹贯通直至最后破坏的过程,而动拉荷载后试件的密度持续减小直至断裂,荷载初期无压密现象。混凝土试件形成单位面积的压、拉裂纹面所需的能量基本相同,形成单位面积的动力裂纹面所需的能量略大于静力裂纹面所需能量。混凝土动压、动拉的应力状态不同,导致其破坏程度不同,所形成的裂纹面积不同,所需的总能量也不同,最终导致测定的强度不同,应力状态不同是动压、动拉强度差异的根本原因。     

冲击荷载作用下橡胶混凝土的损伤研究

针对冲击荷载作用下橡胶混凝土的损伤问题,利用自动冲击球压仪对橡胶混凝土的动态冲击损伤行为进行研究,并应用激光共聚焦扫描显微镜(LSCM)和扫描电子显微镜(SEM)分析了其冲击损伤形貌及机理特征。结果表明:冲击荷载下橡胶混凝土抗冲击能力优于基准混凝土,且随橡胶粒径的减小抗冲击能力增强;随着冲击荷载的不断增加,橡胶混凝土的压痕增长速率小于基准混凝土,极限荷载值却大于基准混凝土,而橡胶粒径的减小,使压痕增长速率呈减小趋势,极限荷载值增大,表面抗塑性变形能力及试样表面动态力学性能增强;冲击荷载下材料表面形成球冠状小坑,压痕边缘出现不同程度的材料堆积,80目的橡胶在混凝土中分布更加均匀,且损伤区较为连续无明显微裂纹。研究结果为冲击荷载作用下对橡胶混凝土材料损伤研究提供依据。     

基于X-CT的高温后再生保温混凝土损伤分析

火灾的发生往往会导致混凝土材料微细观结构的损伤劣化，体现在水化物分解、孔隙结构粗化、热开裂和水汽压力升高诱致开裂等，继而导致材料宏观力学性能及耐久性的下降。轻质高强、内部多孔、高热稳定的玻化微珠(GHB)的细观调控功能可实现混凝土耐高温性能的提升。为了研究受高温作用的再生保温混凝土(RATIC)内部细观结构及裂纹变化特征，本研究首先对高温作用后的RATIC开展了立方体抗压强度试验和CT扫描试验，之后利用基于改进的自适应阈值法和区域生长法的图像分割算法，建立了基于真实结构的RATIC细观模型，分析了不同GHB及再生骨料(RCA)掺量的RATIC试件随温度变化时其内部微裂纹的孕育、萌生、发展及贯通过程。并对RATIC破坏形态与CT结果进行了对比分析。研究结果表明：GHB对裂缝的延伸有显著阻断作用，为蒸汽压提供了释放通道，缓解了砂浆区域、孔隙边界处的开裂，减缓了热量的传播，提升了混凝土抗热致损伤性能。     

冲击载荷下结构陶瓷的失效与破碎特性研究

为了研究AD95陶瓷在冲击加载下的动态力学性能与损伤机理,采用仿真软件AUTODYN模拟了一维应力与一维应变状态下材料不同失效与破碎模式,获得了完整的损伤历程.结果表明,在一维应力波作用下,材料内部损伤以及裂纹扩展始于圆柱试样端部的应力集中,在陶瓷整体被瞬间压垮前,试样仍具有承载能力.平面冲击波作用时,试样在低于Hugoniot弹性极限下出现了两个相向传播的破坏面.由于应力波的相互作用以及材料本身抗拉强度不足,试样内同时产生了明显的层裂现象.     

两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究

针对装药在多次冲击作用下易产生结构损伤,进而形成热点,引起战斗部提前点火甚至起爆的问题,采用一级轻气炮为加载源,设计了冲击加载模拟实验装置,分别开展了单个10 mm 、单个12 mm、两个10 mm和两个12 mm厚端盖4种工况的冲击加载试验。结合仿真模拟和扫描电子显微镜（SEM）,获取了装药内部应力分布规律及损伤特征,分析了加载次数对装药损伤的影响。结果表明:与单次冲击加载相比,炸药在连续两次冲击加载条件下损伤模式仍以拉伸断裂为主;但试样表面裂纹条数增多、分布范围更广、拉伸波叠加以及损伤演化速率提高等因素使得二次冲击加载时炸药内部微裂纹更易发展成为宏观裂纹。     

基于CT图像的再生混凝土细观破坏裂纹分形特征

为深入研究再生混凝土的破坏形态和内部裂纹扩展情况与普通混凝土之间的差异,以不同再生粗骨料(RCA)取代率的再生混凝土为研究对象,利用Phoenix v | tome | x s240微焦点工业CT获取再生混凝土加载到90%预估破坏荷载的二维扫描图像,借助Photoshop CS6图像处理软件,对材料内部破坏裂纹进行提取,进而基于分形几何理论,以分形维数及多重分形谱表征裂纹的分形扩展规律,建立分形维数和多重分形谱特征参数与RCA取代率和再生混凝土抗压强度的关系。结果表明:再生混凝土的细观受力破坏模式与普通混凝土不同,其受力破坏形态不仅取决于粗骨料与水泥浆体的界面黏结强度,还取决于RCA自身性能,当裂纹发展至天然粗骨料或强度较高的RCA时会绕过骨料表面继续发展,发展至强度较低的RCA时会贯穿骨料;分形维数可定量描述混凝土材料内部细观裂纹的整体扩展情况,即裂纹越丰富,分形维数越大;多重分形谱可反映从局部到整体不同层次的细观裂纹特征,裂纹分形维数和多重分形谱特征参数均与RCA取代率呈线性下降关系,与抗压强度呈线性增长关系;本研究可为再生混凝土在大型结构工程中的广泛应用奠定理论和实验基础。      

不同倾角裂隙混凝土试件动态力学破坏特性试验研究

为了探讨含不同倾角裂隙的混凝土试件在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对含有5种不同倾角裂隙的混凝土试件进行了冲击试验,借助高速摄像系统实时捕捉了裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明：倾角为30°的裂隙试件的反射波波幅相对最大,倾角为0°的裂隙试件的反射波波幅相对较小。当预制裂隙倾角为0°时,冲击波耗散较少,透射波波幅较大;当预制裂隙倾角为60°时,冲击波耗散较多,即当应力波传播方向与预制裂隙夹角为60°时试件最容易发生破坏。冲击荷载下新形成的裂纹整体上均沿着预制裂隙尖端起裂、扩展和贯通,破坏模式主要为压应力作用下的张拉破坏;在相同预制裂隙宽度下,长度为20 mm预制裂隙的破坏形式比10 mm长度预制裂隙试件更加简单,形成新裂纹的数量相对较少,且更容易沿预制裂纹尖端方向向外起裂;巴西圆盘试件在冲击荷载的破坏形式与预制裂隙长度密切相关,与裂隙宽度关联性较弱。     

高压磨料水射流切割破碎岩石的单轴力学特征研究EI北大核心CSCD

高压磨料水射流切割破碎后岩石的力学参数变化对于岩石的进一步破碎具有重要的影响。选取了砂岩、灰岩与花岗岩在水射流切割平台上开展了磨料射流冲击切割试验,对切割后的岩石进行CT扫描并重构岩石在不同冲击切割条件下的三维破碎形态,最后通过单轴压缩试验对比分析了岩石试件在磨料射流冲击切割前后的力学响应特征。研究结果表明:①在相同的射流参数条件下,岩石在磨料射流的移动切割下大多出现较为规整的缝槽形态,而定点冲击则出现孔洞破碎形态,前者比后者在岩石内部造成的损伤破碎程度更大;②磨料射流的冲击切割作用导致岩石试件在单轴压缩过程中出现折断型破碎形态的概率增加,且这种增加趋势随着切割长度的增加而愈加显著,但切割作用几乎不改变岩石试件的应力应变趋势;③岩石试件的单轴抗压强度与泊松比随切割长度与射流压力的增加呈现近似线性降低的趋势。该研究结果可为高压磨料水射流煤层割缝卸压的工程应用提供一定的理论指导。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响的细观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1)混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2)随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3)混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4)随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

混凝土直切槽平台巴西圆盘冲击劈裂拉伸断裂特性试验和数值模拟研究

采用变截面霍普金森压杆(SHPB),对高速冲击荷载下混凝土的断裂特性和裂纹演化进程进行了研究。对含复合型裂纹直切槽平台巴西圆盘(CSTFBD)进行劈裂拉伸试验,并结合理论研究了不同水灰比、不同应变率、不同预设裂纹长度和倾角对裂纹分布及断裂韧性的影响;采用扩展有限单元法(XFEM)模拟了具有不同预设裂纹倾角试件的开裂进程,得出开裂过程中试件内部的应力分布情况。结果表明,复合断裂韧性比对预制裂纹倾角的变化敏感,与裂纹长度和倾角呈负相关,而与应变率无关;次生裂纹的开裂并非发生在预设裂尖处,且裂纹倾角越大,裂尖应力集中越小、主裂纹发展越缓慢。     

水中高压脉冲放电致裂岩体实验研究

在以煤层气井脉冲放电致裂增渗为工程背景,对在耦合静水压下煤岩体受到脉冲放电冲击波致裂机理分析,采用混凝土试样代替煤岩体,使用自我研发设计的可以改变静水压和试样三轴围压的实验装置,对混凝土试样在不同地应力(0～8 MPa)、静水压(0～2 MPa)、放电参数(10 kV或14 kV)下进行了脉冲放电致裂实验,研究地应力、静水压、放电参数对混凝土试样裂纹延展方向和长度的影响规律。研究表明:地应力抑制裂纹的产生及扩展,裂纹方向为垂直于最小主应力方向;静水压不影响裂纹的延展方向,静水压增大可以加快裂纹的延展速度和长度;高电压下裂纹扩展长度及贯通效果较好,高电压下裂纹长度有所增加。在实际的应用中,可以提高设备的放电电压增加对煤岩体致裂效果。