孔洞形状对大理岩渐进破坏力学特性影响研究

为研究孔洞形状对岩石破坏特性的影响,对含不同形状孔洞大理岩进行单轴压缩实验,利用高速摄像仪记录孔洞周边裂纹的萌生、扩展和贯通直至试样破坏的过程,分析孔洞形状对大理岩力学特性、破坏模式、裂纹扩展特性的影响规律,以及试样所储存的能量与岩石变形破坏的关系。研究发现,孔洞形状对大理岩的力学特性有明显影响,且不同边界类型的孔洞有不同的裂纹扩展特性。另外,试样的宏观破坏是由远场裂纹迅速扩展的结果,而初始裂纹对材料破坏没起到关键作用。从能量的角度提出一个可判别岩石脆性破坏的能量跌落系数,还发现岩块弹射烈度与单位体积吸收能量的大小有关。通过FLAC^3D对不同孔洞形状大理岩进行数值模拟,得到不同孔洞形状大理岩的应力分布和应力集中系数特征,其应力分布特征较好地反映了室内试验的破坏特征。     

基于XFEM的岩石裂纹扩展数值模拟

扩展有限元法(XFEM)采用水平集法描述裂纹,以单位分解方法改进形函数,可以很有效的模拟含裂纹问题。以ABAQUS软件为平台,利用XFEM计算了有限板应力强度因子,模拟了大理岩三点弯曲荷载下的裂纹开展状况。结果表明,扩展有限元法能有效的对裂纹扩展过程进行仿真,计算结果满足工程要求,为解决实际复杂问题提供了方便的途径。     

灰岩平板试件变形破坏过程的实验观测研究

利用扫描电镜实时观测系统,研究了带预制割缝灰岩平板试件受单轴压缩时微裂纹的萌生、扩展和连通过程。实验所用灰岩平板试件尺寸为25 mm×13 mm×1.1 mm,试件中心预制一直径为3.0 mm的圆孔或一长轴与外载方向成不同角度(30°,45°或60°)的割缝,割缝长约6 mm,宽约1 mm。在扫描电镜的观察下,灰岩试样受到准静态单轴压缩。用照相的方法记录了试件受力产生变形和微裂纹扩展过程中的表面图像。将实验观测的微裂纹扩展结果与大理岩和砂岩中的裂纹扩展过程进行对比,发现次生裂纹的萌生部位与大理岩和砂岩中比较一致,但灰岩中的裂纹发育较单一。用NOLM程序中的低抗拉应变软化本构模型对实验结果进行了有限元模拟计算,将计算结果与实验观测结果进行对比,两者吻合较好。     

静态预应力条件作用下岩板动态破坏行为试验研究

 深部岩石的动力破坏,是岩石力学研究的一个热点问题。为模拟深部岩石动态断裂情况,选取一种花岗岩制备带10 mm预制裂纹的板状试样,开展含预应力条件下的岩板动态破坏行为研究。试件尺寸为305 mm×305 mm×10.5 mm岩板,在静态竖向预压的条件下,使用25 mm杆径的霍普金森压杆进行冲击试验。利用超高速摄影仪记录试样裂纹扩展的全过程,采用数字图像相关(DIC)技术分析试样的位移场及应变场,通过设置虚拟引伸计,获得预应力条件下岩板起裂时刻、裂纹长度、裂纹扩展速度及断裂韧性等动态断裂力学参量。研究结果显示：该岩板试件裂纹扩展速度可达到瑞利波速的0.57倍(～1000 m/s),验证了采用花岗岩岩板测试的优势。在特定预应力条件下,岩板的裂纹扩展速率与动态断裂韧性具有明显的率相关性;特定冲击速度条件下,随着静态预应力的增加,裂纹扩展速度受到抑制,破坏模式由单一裂纹扩展向多条微裂纹扩展等复杂模式转变,甚至出现止裂现象。当气枪冲击气压103.43 kPa、静态预应力30 MPa时,裂纹扩展速度降为452.4 m/s,属于低速裂纹扩展范围。     

脆性裂纹在梯形板中的变速传播行为

为了说明裂纹在矩形带板中传播时出现时而加速、时而减速的物理现象,利用断裂丝测试方法对等腰梯形板试样动态裂纹传播进行实验。结果发现:裂纹传播速度存在加速和减速机制,从小端到大端裂纹传播呈现先加速后减速的情况,而相反方向的裂纹则呈现一直加速的情况,其数值模拟与实验结果定性一致。     

受单轴压缩大理岩填充割缝周围的微裂纹生长

在扫描电镜实时观测下,进行了受单轴压缩大理岩填充割缝周围的微裂纹生长的实验观测研究。实验所用岩石材料为房山大理岩,试件为平板状,中心予制穿透试件的割缝,用水泥砂浆充填,割缝的长轴与外加单轴压缩方向分别成30°,45°和60°夹角。对试件中填充割缝周围的微裂纹的萌生、扩展连通和闭合等过程进行了显微照相及分析,结果表明,微裂纹首先呈剪切破裂带状发育,随外载的增加而连通形成断裂带。将实验结果与以往未填充割缝实验结果对比发现:割缝填充后微裂纹萌生所需的载荷水平明显提高;同时,微裂纹的起裂点向割缝端部移动,微裂纹的多重发育也更加明显。     

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用 ANSYS 软件对花岗岩 在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明：静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。     

正交异性钢桥面板肋-板处裂纹扩展特性研究

基于扩展有限元的方法,结合ABAQUS软件,进行正交异性钢桥面板肋-板试件模型在疲劳荷载下裂纹的三维扩展模拟,初始裂纹为肋-板焊趾位置处的半椭圆形裂纹,并采用Forman公式评估其剩余寿命。分析结果表明半椭圆形裂纹在扩展过程中形状会逐渐变得扁平;裂纹扩展后的形状以及平面外偏转也说明了不能忽略Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响。     

冲击荷载作用下的I/II复合型裂纹扩展规律研究

 为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

双轴加载下断续预置裂纹贯通机制的研究

通过物理实验和数值模拟,研究双轴作用下不同几何分布和不同围压的断续预置三裂纹的萌生、扩展和贯通机制。结果清楚显示裂纹贯通机制主要受加载条件与预置裂纹几何分布的影响。在双轴加载条件下,裂纹贯通的模式包括拉贯通、剪贯通、压贯通和混合贯通。拉裂纹在双轴加载下, 其扩展速度减慢或停止,且在岩桥间出现剪裂纹,从而形成混合贯通或剪贯通。压裂纹是在侧压下产生的次生裂纹,其贯通受制于两非共线的重叠裂纹间的岩距。当1相似文献   

低围压下脆性岩石单裂纹扩展与影响因素分析

为了探究低围压下脆性岩石单个裂纹扩展与影响因素,开展了混合片麻岩室内岩石力学基本实验,确定了Sheorey强度准则参数;利用岩石滑动裂纹模型和非局部线弹性理论,在综合分析裂纹尖端应力场包括非奇异应力项的基础上,建立了混合片麻岩单裂纹扩展USR判据。理论分析认为:脆性岩石单个裂纹扩展过程分为缓慢、中等和加速3个阶段,并且裂纹逐渐向最大竖向压力方向扩展;影响因素分析表明:(1) 随着裂纹摩擦系数和裂纹倾角增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(2) 当侧压力为拉应力时,竖向应力随着裂纹扩展而减小;当侧压力为压应力时,随着测压力系数增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(3) 随着初始裂纹长度增大,竖向应力随着裂纹扩展而减小。     

Crack dynamic propagation properties and arrest mechanism under impact loading

Crack dynamic propagation and arrest behaviors have received extensive attention over the years. However, there still remain many questions, e.g. under what conditions will a running crack come to arrest? In this paper, drop weight impact (DWI) tests were conducted to investigate crack arrest mechanism using single cleavage triangle (SCT) rock specimens. Green sandstone was selected to prepare the SCT specimens. Dynamic stress intensity factors (DSIFs) were calculated by ABAQUS code, and the critical DSIFs were determined by crack propagation speeds and fracture time measured by crack propagation gauges (CPGs). The test results show that the critical DSIF at propagation decreases with crack propagation speed. Numerical simulation for SCT specimens under different loading waves was performed using AUTODYN code. The reflected compressive wave from the incident and transmitted plates can induce crack arrests during propagation, and the number of arrest times increases with the wave length. In order to eliminate the effect of the incident and transmitted plates, models consisting of only one SCT specimen without incident and transmitted plates were established, and the same trapezoid-shaped loading wave was applied to the SCT specimen. The results show that for the SCT specimen with transmitted boundary (analogous to an infinite plate), the trapezoid-shaped loading wave cannot induce crack arrest anymore. The numerical results can well describe the occurrence of crack arrest in the experiments.     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

无厚度三节点节理单元在裂纹扩展模拟中的应用

节理厚度在实际工程中很难用常量描述,为便于描述节理的力学行为,在原三节点节理单元的基础上构造无厚度三节点节理单元,并推导出相应的刚度矩阵。由于三节点节理单元与原三角形单元共享节点,因而它在模拟裂纹扩展过程中无需对网格进行重新划分;另外,在网格剖分时,也无需考虑裂纹体的几何完整性,可直接对结构进行三角网格剖分。因此,该方法可为裂纹的模拟提供极大的便利,并显著提高计算效率。相应的大理石模拟试验表明,该方法在岩石裂纹扩展的模拟中是有效可行的。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

基于X射线CT的岩石内部裂纹宽度测量

岩石内部裂纹变形、扩展和扩张是试样在裂纹演化阶段的主要过程。研究基于X射线CT的岩石内部裂纹宽度测量问题，根据岩石变形破坏的细观机制，分析了岩石密度损伤与体应变的关系。对脆性岩石来说，岩石的体积变形与其密度损伤有一一对应关系。基于X射线密度损伤增量公式，推导出岩石体应变公式，得到岩石内部裂纹宽度的普适性计算公式。据此测得岩石中两条CT尺度裂纹在不同应力阶段的宽度，并与有关公式进行了比较，相互得到验证。说明在动态条件下岩石内部裂纹宽度测量问题在理论上可以得到解决。     

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。