孔洞对爆生裂纹动态扩展行为影响研究

试验研究含有预制裂纹的砂岩圆板在爆炸荷载下不同孔洞间距(S)对裂纹动态扩展行为的影响。试验中采用应变片测试获取爆炸加载波形作为AUTODYN数值模拟裂纹扩展效果及ABAQUS数值计算应力强度因子的加载力。试验中采用CPG测得裂纹起裂—扩展时刻,根据测得试验数据得出普适函数,对ABAQUS计算所得应力强度因子进行修正最终得到裂纹动态极限应力强度因子。通过对比分析在不同孔间距下裂纹的动态极限应力强度因子,裂纹扩展长度及裂纹扩展速度得出以下述结论:(1)孔洞对爆炸荷载下的预制裂纹动态扩展行为有所影响,且孔洞间距越小其影响效果越显著;(2)一般情况下裂纹的起裂极限应力强度因子要略高于扩展极限应力强度因子,裂纹的扩展速度对裂纹扩展极限应力强度因子有一定影响,且二者总体趋势呈反比;(3)当裂纹扩展至孔洞附近时,由于孔洞的作用提高了裂纹的扩展极限应力强度因子,进而降低了裂纹的扩展速度并减小了裂纹的扩展长度。此外若将孔洞视为隧道光面爆破中的辅助孔或周边孔,那么研究结论可为隧道光面爆破中控制断面内的原生裂纹扩展长度,以期达到隧道围岩最大程度上的完整性提供理论支撑。     

初始静态压应力场中爆生裂纹的扩展行为

深部岩体爆破致裂是初始静态应力场和爆炸动态载荷双重叠加作用结果,爆生裂纹的扩展路径、行为特征等受初始静态应力场的影响。采用数字激光焦散线试验系统,进行了静态竖向载荷分别为0,2,4 MPa 3种不同初始压应力作用下的倾斜爆生裂纹扩展规律试验,对比分析了裂纹的运动学和力学行为。试验结果表明:随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的扩展方向逐渐向主应力方向偏转,且爆生主裂纹的扩展总时间逐渐减小,试件的Ⅱ型破坏愈加显著;随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的最大偏转角度也明显随之增大,初始压应力p是爆生主裂纹产生垂直预制裂纹方向速度的动因。研究结果揭示了爆生裂纹扩展行为与初始静态应力场的关系,丰富了深部岩体爆破破坏理论。     

炮孔间距对切缝药包爆生裂纹扩展规律的影响

为研究炮孔间距对切缝药包爆生裂纹扩展的影响,采用爆破加载数字激光动态焦散线实验系统和数值模拟相结合的方法,对比分析孔间爆生裂纹在不同炮孔间距下的扩展规律。结果表明:随着炮孔间距的增加,孔间爆生主裂纹不再表现为直接贯穿,而是发生偏转呈现"牵手状"分布;爆生主裂纹在扩展过程产生明显波动,且在裂纹相遇区该波动行为更为显著;爆生主裂纹扩展速度、动态应力强度因子的峰值以及裂纹相遇区的应力峰值均取决于炮孔间距,炮孔间距较小时,峰值较大,有利于裂纹的定向扩展。     

切槽炮孔偏心装药爆源近区裂纹动态力学特征实验研究

为研究切槽炮孔偏心不耦合装药爆源近区裂纹动态力学特征,采用数字激光动态焦散线实验系统,对比分析3种切槽形状(三角形、圆形和矩形)对爆源近区裂纹扩展速度v和动态应力强度因子K_Ι~d和K_(ΙΙ)~d,以及能量释放率G的影响规律。实验结果表明:偏心爆炸荷载下,3种切槽尖端均产生非对称性裂纹,主、次裂纹分别位于装药耦合、不耦合侧;切槽形状对裂纹起裂影响较大,对裂纹扩展影响较小;起裂阶段,各主裂纹相比,三角形尖端主裂纹K_Ι~d,v,G最大,K_(ΙΙ)~d最小,有利于张开型裂纹起裂,而矩形尖端主裂纹K_Ι~d,v,G最小,K_(ΙΙ)~d最大,有利于压剪型裂纹起裂;扩展阶段,各主裂纹主要为张开型,K_(ΙΙ)~d趋于0,K_Ι~d,v,G整体变化一致。各次裂纹相比,矩形尖端次裂纹K_Ι~d,K_(ΙΙ)~d,v,G均最大,消耗较多爆炸能量,不利于主裂纹起裂和扩展。实验结果对于工程实践具有理论参考意义。     

爆生气体驱动岩石裂缝动态扩展分析

爆燃产生的气体压力以脉冲荷载形式随裂缝扩展作用于裂缝表面,不仅使裂缝壁岩体产生动态响应,而且爆生气体随裂缝扩展而发生动态变化,进而对岩体的劈裂过程产生耦合影响,这一机理的数值仿真分析尚未见报道。模型中用特殊的裂缝单元模拟裂缝张开和闭合,用Newmark法求解反映接触问题的动态有限元方程,并采用与时间相关的爆生气体压力分布模型,模拟爆生气体驱动下裂缝扩展过程。分析结果指出:①爆生气体在压裂过程中起主要作用,弹性应力波的劈裂作用范围很小;②地应力值越大起裂越晚,且裂缝扩展速度越小;③初始裂缝越长裂缝起裂越早,裂缝扩展速度也越大;④钻井中气体升压越快起裂相对时刻越晚,但对裂缝扩展速度没有明显影响。而裂缝起裂时刻越早以及裂缝扩展速度越快,可以得到更长的裂缝长度。     

含倾斜弱面介质中动态裂纹扩展行为研究

为研究冲击荷载下运动裂纹遇到介质中倾斜弱面后的动态断裂行为,采用霍普金森杆作为冲击加载装置,利用高速相机记录倾斜弱面介质中运动裂纹的扩展过程,并结合数字图像相关方法对裂纹周围应变场的演化过程、裂纹尖端的开裂应变以及裂纹的扩展速度进行了分析。结果表明,在冲击荷载下,运动裂纹在遇到弱面后易偏向弱面扩展,裂纹偏转后的开裂应变和扩展速度都显著提高。此外,应力加载率对运动裂纹的扩展有显著影响。随着加载率的提高,动态裂纹沿弱面扩展一定距离后将再次进入基质扩展,且运动裂纹沿弱面扩展的偏移距离逐渐减小。在高加载率下,裂纹沿弱面扩展的速度基本保持稳定,但再次穿过弱面后的裂纹数量和长度不断增加。在相同加载率下,弱面的强度越低,裂纹沿弱面扩展的距离越长。     

岩石裂纹扩展过程的动态监测研究

利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩试样裂纹扩展与变形破坏过程；基于动态干涉条纹的定量分析，描述了岩石微裂纹孕育起裂、扩展与闭合的动态交替演化过程，计算了岩石裂纹扩展速度与蠕变扩展速率和裂纹面的扩展变形量与蠕变变形量，实现了岩石内部Ⅰ型、Ⅰ—Ⅱ复合型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹力学性状动态演变的有效判识。     

单裂纹岩石的力学行为

通过压缩实验,利用伺服单轴加载系统对含单裂纹岩石在压缩荷载下的破坏准则进行了研究,并利用ABAQUS模拟了单轴压缩荷载作用下的力学情况,计算了复合裂纹的应力强度因子。实验和数值结果表明当裂纹倾斜角为45°时KⅠ和KⅡ基本相等,当裂纹方向与荷载方向平行时,尖端应力的强度因子变化曲线将趋近于零。     

切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究

 利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,对不同装药结构爆破爆生裂纹动态断裂效应进行分析,研究切缝药包的定向断裂控制爆破机制,比较爆生主裂纹和次裂纹动态能量释放率的差异。结果表明：不耦合系数?1= 1.67时,切缝药包爆破效果最理想;爆生主裂纹的扩展速度、动态应力强度因子随时间总体呈振荡下降的趋势,在扩展过程的中后期达到一个较小的峰值;橡皮泥介质作为炸药爆炸产物与炮孔壁间的缓冲层,传能效果良好;次裂纹尖端的动态能量释放率数值整体上小于2条主裂纹。     

爆炸荷载作用下动态裂纹扩展试验研究

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了爆炸裂纹的扩展规律。用有机玻璃试样直观、形象地研究了爆炸加载和卸载过程破裂时的应力(应变)场、成核区(阴影区)的动态特征变化,分析了爆炸裂纹发展、止裂及破坏模式、动态应力强度因子的变化规律,精确得到了材料在爆炸荷载作用下的止裂韧性值。确认了早期爆炸裂纹是在爆轰压力作用下产生快速扩展裂纹,裂纹尖端形成应力集中和积聚较大的应变能,爆炸裂纹中后期的焦散形式与一般动态焦散接近相同。初步提出了爆炸裂纹的大部分扩展是应变能释放的动态卸载破坏的结论。     

沥青混合料低温裂纹扩展演化行为分析

以悬浮密实、骨架密实和骨架空隙这3种典型骨架结构沥青混合料为试验对象,通过间接拉伸试验(IDT),从宏观角度分析了骨架结构对沥青混合料低温裂纹扩展演化行为的影响;采用颗粒随机生长算法建立了沥青混合料离散元模型,结合数值分析,从裂纹类型、数量、裂纹能量释放率及裂尖应力场等细观尺度,对3种典型骨架结构沥青混合料低温裂纹扩展...     

实心砌体局部承压力学行为研究综述

从破坏模式、局部承压工作实质、应力分布等方面总结了实心砌体结构在集中荷载下局部均匀受压的力学行为,并对集中荷载下的砌体结构进行了研究,得出了一些有参考价值的结论。     

深埋交叉隧道动态施工力学行为研究

分离式独立双洞之间的横通道开挖,再一次引起主隧道围岩和支护结构的应力释放与重分配,引起交叉段附近岩体与支护结构力学行为发生变化。结合高地应力区深埋隧道工程,通过3D弹塑性有限元数值仿真模拟,分析横通道不同施工方案和动态施工过程对主隧道围岩与初期支护结构力学行为的影响。分析结果显示,横通道的开挖对围岩应力和位移影响较大,对交叉侧主隧道侧壁初期支护应力及交叉对侧主隧道侧初期支护σ3和XY平面的剪应力影响较大。为深埋隧道交叉段监控量测系统的设计、施工方案优化及安全控制提供了依据。     

切槽孔爆炸载荷下裂纹扩展行为的实验研究

为了研究切槽孔爆炸载荷下扩展裂纹和空孔相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,分别对单炮孔和双炮孔爆炸载荷下含圆孔缺陷的PMMA材料的爆生裂纹扩展行为进行研究。研究结果表明:(1)单炮孔爆炸载荷下,切槽孔爆生主裂纹扩展轨迹平直,直接与空孔相互贯通,空孔导向效应明显。爆生主裂纹表现为I型模式。(2)双炮孔同时爆破过程中,切槽孔爆生主裂纹由于受空孔和相对扩展裂纹的影响,扩展轨迹较弯曲,空孔处产生的2条翼裂纹分别与爆生主裂纹贯通。(3)P波前缘压应力波与爆生主裂纹相互作用时,爆生主裂纹扩展速度和动态应力强度因子呈现减小变化的趋势。实验研究结果对于岩体定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义。     

不同角度单裂纹缺陷试样的裂纹扩展与破坏行为

在诸如岩石、混凝土、陶瓷和玻璃等脆性介质中，常分布大量的裂纹缺陷。这些缺陷在载荷作用下造成裂纹的孕育、萌生、繁衍、扩展和贯通，导致介质的强度和刚度降低。通过自制的试验系统，研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程，并用数值模拟进行了验证。试验和数值结果显示：单轴载荷作用下，裂纹扩展和最后的破坏行为受预置单裂纹缺陷的角度影响。当角度较小时，裂纹萌生比较容易，在整个受压过程中均匀扩展，试样一般以混合模式破坏；当角度较大时，裂纹不易萌生，但在接近峰值强度时，扩展较快，并直接导致最后的剪切或劈裂破坏；当预置裂纹缺陷的角度与试样的破坏角接近时，试样最容易发生脆性破坏，并产生很大的应力降。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而,到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此,对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明,页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致,因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力,与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的,这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外,对微裂纹长度的统计分析表明,页岩在断裂韧性方面表现出各向异性,并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

冲击荷载下岩石裂纹动态扩展全过程演化规律研究

为研究岩石裂纹全过程扩展规律及扩展行为中的定区域止裂问题,提出修正侧开半孔板(improved single cleavage semi-circle specimen,ISCSC)构型构件。通过大直径分离式霍普金森压杆试验系统进行冲击试验,使用裂纹扩展计测试系统测定了裂纹扩展速度,同时引入拉伸断裂软化损伤破坏模型进行数值模拟,通过试验–数值法,深入分析动载荷下岩石裂纹全过程扩展演化行为及双空心孔对于裂纹扩展的影响。结果显示,ISCSC构型实现了裂纹扩展中的定区域止裂,可以精准预测止裂区域;预制双空心孔的构型分布对裂纹扩展行为影响巨大,裂纹扩展速度受到明显抑制;裂纹扩展至双孔中心连线区域时,裂纹尖端拉应力场与双孔形成的叠加应力场相互作用,导致主裂纹扩展速度急剧降低,甚至出现止裂现象;裂纹扩展至叠加场时,极易受到物质不均匀性影响,产生偏折或分叉;同时,数值计算的结果和试验吻合,验证ISCSC构型用于研究裂纹起裂、扩展及止裂全过程演化行为的有效性。     

爆炸荷载下岩石I型微裂纹动态扩展研究

 基于低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗方法,以断裂动力学为基础,采用ABAQUS内嵌哑节点数值模块及编写的气楔型荷载程序,对爆炸冲击波荷载下岩石I型微裂纹动态起始扩展和爆生气体的动态作用效果进行数值研究,以期得到优化的加载方式使得岩层整体渗透性得到提升。研究结果表明：(1) 较长的冲击波上升沿持续时间可激活岩石中更多的I型微裂纹动态起始扩展;(2) 冲击波峰值压力越大,裂纹尖端动态能量释放率越大,反之越小,过大或过小的冲击波峰值压力均不利于岩石I型微裂纹的动态起始扩展和爆炸能的充分利用;(3) 对比爆生气体准静态与动态2种分析方法产生的结果,发现动态计算结果对于裂纹的持续扩展更加有利,同时也能更加合理地解释裂纹运动失稳现象。最后基于上述研究总结对爆炸荷载下深层岩体动态破裂过程的新认识。     

含孔洞加锚岩石力学特性及裂纹扩展规律

为研究含孔洞加锚岩石的力学特性和裂纹扩展规律,采用相似材料制作包含7种支护情况、0°和90°两种层理的含孔洞加锚试件,在MTS815岩石力学试验系统上进行单轴压缩试验,试验后对破裂试件进行CT扫描,分析试件不同部位裂纹分布规律。结果表明,支护结构显著提高了含孔试件的强度值,但不同支护结构的提升效果不同,以锚杆的作用最为显著,混凝土和钢拱架层效果则不太明显。层理不同,支护结构对试件的强度提升效果也不同,支护结构对90°层理试件的围岩强度提升效果要好于0°层理试件。结合试验结果和理论解析解公式发现,锚杆对岩体的锚固作用主要是通过改变锚固区域围岩应力状态和改善围岩力学参数来实现的,而混凝土和钢拱架则可以为孔洞提供支撑压力,有效防止孔洞的剥落、片帮等破坏,有利于维持孔洞的完整性。另外,对破坏后的试件CT扫描断面进行分析,发现锚杆对岩体的锚固作用使岩体一定范围内形成锚固区,锚固区对试件中的裂纹发展具有弱化、止裂和改变其传播路径等作用。     

广义有限元法对动态裂纹扩展的数值模拟

介绍了一种分析平面动态裂纹扩展的有效方法，无需网格重新划分。利用Shepard公式、可视准则、标准有限单元的形函数，构造出在裂纹处不连续的单位分解函数。利用白定义函数基，构建在覆盖上的局部逼近空间。结合这两者，可形成非连续的广义形函数，进而引入位移的不连续性，它与标准有限元法可很好衔接。利用推广的Newmark方法求解动态非线性的裂纹扩展问题；利用基于能量平衡原理的虚拟扩展区域积分方法求解动态应力强度因子，在求解该区域积分时，引入了一个新的辅助函数，改善了数值精度与稳定性。