冲击加载下的砂岩动态断裂全过程的实验和分析

采用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘(HSCFBD)新型试样在直径为100 mm的分离式霍普金森压杆上进行径向冲击加载,完成I型动态断裂实验,首次研究了砂岩的动态断裂全过程。实验表明,在低加载气压(0.16~0.17 MPa)驱动炮弹条件下,炮弹撞击速度为3.7~4.4 m/s,检测到试样的破裂历经裂纹的动态起裂、扩展和止裂3个阶段,止裂后到第2次起裂开始,裂纹停滞较长一段时间。采用裂纹扩展计测得裂纹起裂、扩展和止裂完整过程的瞬时时间,以此确定试样的动态起裂时刻、裂纹扩展速度和止裂时刻,并运用实验-数值-解析法分别得到砂岩的动态起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度。从微观角度分析了动态起裂韧度和起裂时间的加载率效应。最后,初步讨论了试样内应力波反射对止裂的影响。     

用SHPB径向冲击边裂纹平台圆环(ECFR)的动态断裂实验

为了研究岩石的Ⅰ型动态断裂韧度测试方法,用大直径(100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)对边裂纹平台圆环(edge cracked flattened ring,ECFR)砂岩试样进行径向冲击实验。分别用普通应变片和高精度裂纹扩展计2种测试元件监测试样起裂时刻和测定裂纹传播速度,比较了它们的准确性和合理性。用实验-数值结合普适函数分析测定了砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度,初步探讨了动态加载率影响动态起裂韧度的原因,以及裂纹扩展速度对动态扩展韧度的影响,对ECFR试样裂纹扩展路径弯折现象也进行了理论分析。研究结果表明：裂纹扩展计测定比应变片更为灵敏、准确、合理。加载率在(0.74~4.48)×104 MPa·m1/2/s范围内动态起裂韧度随动态加载率的增大而增大,裂纹扩展速度在(0.24~0.34) cR范围内动态扩展韧度随裂纹扩展速度的增大而提高。     

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。     

爆炸荷载下含预裂缝的裂纹扩展实验研究

预裂爆破技术目前广泛应用于爆破工程中,为了探究预裂爆破形成的预裂缝对爆生裂纹和原生裂纹动态断裂特性的影响,基于数字激光动态焦散线实验开展了一系列研究,获得了裂纹扩展的时实动力学参数。研究结果表明:预裂爆破形成的预裂缝可以阻挡爆生裂纹向保留岩体内扩展,加大被爆岩体的损伤;其两端产生的翼裂纹向保留岩体扩展,且扩展长度随着预裂缝长度的增加而增大;长度较短的预裂缝(L=20~80 mm),对保留岩体内原生裂纹扩展有促进作用,只有当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),才会对保留岩体内原生裂纹扩展有抑制作用,预裂缝A长度L=100 mm时,其B裂纹扩展长度为无预裂缝A模型时的21%,Bz和By扩展速度均值为无预裂缝A时的0和64.8%;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端翼裂纹的起裂时间随着预裂缝长度增加而增加,当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),迎爆侧翼裂纹没有起裂,By起裂时间推迟到和无预裂缝时一样的150 μs;原生裂纹迎爆侧翼裂纹断裂韧度小于背爆侧断裂韧度;当有预裂缝存在时,原生裂纹两端起裂韧度均小于无预裂缝时的起裂韧度,且随着预裂缝长度增加迎爆侧翼裂纹起裂韧度降低;原生裂纹两端应力强度因子峰值随着预裂缝长度增加而减小。     

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

采用一种新型的透明性和脆性度良好的非饱和树脂材料,制作了一组含有不同倾角椭圆形三维内置单裂隙的试样。研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,分析探讨其产生的条件和机理。试验结果表明：三维单裂隙试件破坏过程大致经历4个阶段。三维单裂隙的断裂比二维断裂复杂得多,产生多种不同形态的裂纹,如鱼鳍状裂纹、花瓣形裂纹等。在FLAC 3D软件框架内还建立了一种新的弹脆性破坏本构关系和分析法,并采用超细单元划分法建模,用以模拟三维裂隙扩展。数值模拟结果与本文和前人的三维裂隙试验对照,相符程度均良好,表明了新的数值模拟方法的有效性。当推广到双轴压缩试验模拟时,也与前人相关试验结果有很好的一致性。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用 FLAC^3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,最终形成一个倾斜的应力面,导致试件最后形成一个倾斜的破坏面;而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。     

刀具破岩机理的细观数值模拟及刀间距优化研究

通过采用RFPA2D软件对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下岩石破碎机理进行数值模拟研究.分别模拟了单刀头、双刀头、三刀头作用下的岩体破碎过程,并对多刀头作用时进行了刀间距优化.模拟结果表明,岩石在单刀头作用下的破碎过程大体可以分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体出现4个阶段,并体现为以张拉为主、伴随挤压或剪切破坏等复杂破坏形式.在围压作用下,平行于围压方向的裂纹更容易产生与扩展,更有利于刀头侧向裂纹的贯通.多刀头之间有明显的协同作用效应,破碎比能随着刀间距的增加有一个逐渐增加然后减小的过程.数值模拟结果与试验结果吻合较好,可以为岩石掘进机设计、盘形滚刀布置提供参考.     

含偏置裂纹材料断裂韧性的焦散线实验测试

应用落锤冲击加载系统,对含偏置裂纹的半圆盘试件在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了实验研究.结果表明:随着预制裂纹偏置距离的增大,剪应力在裂纹尖端的作用增强,裂纹逐渐由I型向I-II复合型裂纹转变,裂纹起裂需要的时间也略有增加,裂纹在扩展过程中的曲裂程度显著增大;在动态载荷作用下,裂纹的扩展速度在起裂后迅速增大到某一值后呈现不断波动变化的特点,裂纹扩展的平均速度随偏置距离的增加逐渐减小,当裂纹扩展的归一化裂纹竖向长度λ>0.8时,由于冲击点处局部压应力场的影响,裂纹的扩展速度迅速降低;随着裂纹偏置距离的增大,材料的起裂韧性K_IC减小、K_IIC增大.随着裂纹的扩展,裂纹的扩展韧性有所增大.     

板状页岩单轴压缩实验及断裂力学分析

基于板状页岩的单轴压缩试验,研究了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展规律,从断裂力学角度,解释了裂纹起裂顺序,推导了板状页岩的脆性断裂准则及抗压强度,给出了断裂韧性的求取方法,得到:含预制裂隙页岩的抗压强度劣化程度较弹性模量大;破坏后宏观裂纹分为两类,一类为表面平整、光滑的拉裂纹,另一类为呈锯齿状、有明显压痕的压剪裂纹;预制裂隙内端比外端更容易起裂,起裂角范围为46°~86°;裂隙间距越小岩桥越容易搭接贯通;裂纹尖端起裂方向只和θ有关,和KⅡ无关;裂隙尖端的内端应力强度因子较大,更易起裂;共线双裂纹模型的优势裂纹角为β_m=0.5arctan f~(-1)。     

不同瓦斯压力下煤岩三点弯曲断裂特性研究

为探求含瓦斯煤I型裂纹断裂韧度及断裂过程裂纹扩展特性,以原煤制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样为研究对象,利用自行研制的带视窗的含瓦斯煤岩试验装置,开展了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤I型裂纹断裂特性研究。研究结果表明：在瓦斯赋存状态下,随瓦斯压力的增大,I型断裂韧度及断裂能耗呈逐渐降低的趋势;含瓦斯煤试样扰度逐渐增大,试样在破坏前塑性形变逐渐明显;裂纹初始扩展速度显著增加（瓦斯压力由0增加至1.5 MPa时,其初始扩展速度由78 m/s提高至239 m/s）,且随裂纹长度的增加,扩展速度明显降低;通过数字散斑方法,清晰的描述试样表面变形及裂纹扩展过程,并得到裂纹扩展前的损伤区域。     

储层射孔压裂裂缝起裂与扩展的数值分析

掌握储层水力压裂裂缝的起裂与扩展规律对非常规油气资源开采和提高采收率至关重要。采用水泥砂浆模拟天然页岩,获得了与页岩基本力学参数和断裂韧性一致的相似材料。运用FRANC3D和ANSYS,模拟分析了不同水平应力比和射孔布置方式对水力压裂起裂和扩展的影响。研究表明:利用FRANC3D+ANSYS可以较好地模拟射孔压裂裂缝的起裂和三维空间中的扩展行为。射孔压裂裂缝的起裂压力随水平应力比的增大而减小。射孔方向与最大水平主应力方向一致时起裂压力较小,射孔方向与最大水平主应力成夹角时,裂缝扩展面扭转并趋向于平行最大水平主应力方向。相对于射孔对称排布和交错排布,射孔线性排布时的起裂压力较小。     

2. Size effect in the fracture toughness of Ogino tuff

Splitting tests were conducted using large specimens of Ogino tuff in order to investigate the process of fracture propagation and also to clarify the size effect in fracture toughness of the rock-including specifically the effects of thickness, width and height of specimen as well as that of crack length. Two types of stiff loading apparatus, a wedge type and a screw type, were used for controlling fracture propagation; and fracture toughness during the process of fracture propagation was determined with compliance calibration. From the results on size effects, a standard size of the specimen was proposed to obtain a specimen size-independent fracture toughness value in the splitting test.     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

相邻巷道围岩动态裂纹起裂与扩展行为研究

为研究冲击荷载下相邻巷道截面周边岩体动态裂纹起裂与扩展的力学行为特性,借助新型数字激光动态焦散线实验系统,使用类岩石介质材料P MMA制作双截面巷道模型进行冲击实验,并基于ABAQUS数值模拟平台对裂纹扩展过程进行仿真.结果表明:当相邻截面预制裂纹偏转角度分别为45°、22.5°、0°、-22.5°、-45°时,裂纹起...     

冲击荷载下运动裂纹与空孔相互作用的焦散线试验研究

为了研究含有圆形缺陷的半圆盘试件在不同冲击速度下的断裂特征,采用霍普金森杆加载系统和动态焦散线试验系统,对半圆盘试件进行了试验研究。结果表明:裂纹起裂前,焦散斑半径出现跳跃情况,是入射杆的反复加载造成的;随着冲击速度的增加,裂纹穿过圆形缺陷的应力强度因子峰值有所增加,裂纹穿过圆形缺陷的扩展速度也增加明显;随着圆形缺陷半径的增大,裂纹在圆形缺陷处发生二次起裂时的应力强度因子变大。     

局部荷载下含中心孔洞煤体裂纹扩展特征量化分析

采用高清数码摄像机和红外热成像仪,对含中心孔洞煤体试件在局部荷载作用下的裂纹扩展规律进行系统的试验研究,研究分析煤体试件在不同加载面积作用下试件表面裂纹的萌生、扩展、贯通,直至形成宏观破坏的整个过程中表现出的特征与规律。试验结果表明:局部荷载作用下含中心孔洞煤体试件裂纹扩展是加载条件和宏观中心孔洞耦合作用结果,裂纹扩展路径受其主导作用,而由孔、裂隙系统引起的非均质性则占据从属地位;均布荷载条件下,孔洞周边形成拉、剪应力区,且裂纹由此起裂,孔洞是引起应力集中的主导因素,但随着加载面积的改变,孔洞的主导地位被颠覆,应力集中强弱顺序发生突转,起裂位置由孔洞周边转向荷载临界处;受载面积对含中心孔洞试件裂纹扩展的影响具有区域性特点,且明显集中出现于有载荷作用的区域;随局部荷载的增加,初始裂纹的尺度(裂纹宽度和长度)不断增加,且裂纹的发展方向出现明显的非平直化趋势。     

完整岩石试件和含有裂隙岩石试件在单轴压缩下破坏过程的数值模拟研究

应用RFPA岩石失稳和破坏失稳程序对完整岩石试件以及含有单一裂隙和交叉裂隙的岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟研究。结果揭示了完整岩石试件和含有不同裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般都分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,随后在中间、径向、侧向均出现裂纹,并且这些裂纹迅速扩展衍生许多新的次生裂纹,最终贯穿整个岩石试件。而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的2端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展并贯通整个岩石试件。     

基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律

实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导地下岩体工程稳定性控制,推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义。研制一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备,位于CT扫描区域的设备部件均采用新型碳纤维材料的设计,包含竖向加载系统、横向加载系统、真三轴压力室等核心部件,使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域,实现了真三轴应力环境下实时CT扫描的功能。利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT扫描试验,获得了整个加载过程中岩石应力-应变曲线。获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征,结果发现:与CTT条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比,TTT条件下岩石内部裂纹空间形态简单,为一沿σ₂方向的平面裂纹。说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿σ₂方向扩展)。TTT-c2(含裂隙且沿σ₂方向)和TTT-c3(裂隙沿σ₃方向) 2种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹,但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面,而且预制裂纹面仍然基本保持完整;后者均与预制裂纹前缘线垂直,呈现横切预制裂隙的趋势,最终形成了复杂的裂隙网络,导致预制裂隙多处出现挤压破坏。真三轴3种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中,均与σ₂方向大致平行,表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用,岩石内部裂隙扩展发育过程强烈依赖中间主应力方向。