岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

 通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。     

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r~(1/2)奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

细观特征对片岩起裂应力与裂纹扩展各向异性的影响

压缩作用下,含片理面脆性片岩的渐进破坏表现出各向异性。为探讨片岩起裂应力与裂纹扩展各向异性特征及其与岩石细观因素的相关性,选取3类石英云母片岩样品,首先开展岩样的细观试验,并定量分析3类样品在微裂隙(孔隙)的细观特征方面的差异。试验发现样品中的云母矿物易定向聚集形成非均质层,微裂隙主要沿该矿物边缘定向展布,而在其他部位则表现出方向的不规则性。进而开展不同片理角α圆柱试样的单轴压缩试验,基于试样破坏形态与应力–应变曲线特征,通过断裂力学的理论分析,得出轴压斜交(α=30°)与垂直(α=90°)非均质层作用时,定向微裂隙与具有优势角的不规则微裂隙(孔隙)分别控制着岩石的起裂;云母矿物的边缘弱面是否对裂纹扩展具有导向、促进作用,与加载方向密切相关,由此造成不同片理角试样宏观剪切破坏形态的差异。应力、应变数据的统计分析结果与细观数据表明,试样的起裂应力及起裂应力水平表现出较好的规律性,这与岩石的非均质特征、微裂隙(孔隙)特征(分布、数量、尺寸、性质)等相关。     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

氧化膜厚度对应力腐蚀裂纹尖端蠕变的影响

针对应力腐蚀开裂裂纹尖端的基体金属在高应变条件下发生的蠕变现象,采用有限元软件ABAQUS对高温水环境下合金600含氧化膜的应力腐蚀开裂裂纹尖端的高应力状态进行了数值模拟,并对裂纹尖端的力学场分布规律及氧化膜厚度对基体材料蠕变的影响进行了分析。结果表明:蠕变后,基体金属裂尖应力值减小,应变值会增大;氧化膜越薄,基体金属裂尖区域的蠕变量越大;高蠕变区域主要分布在与裂纹扩展方向线垂直的方向上,裂纹会沿氧化膜破裂方向扩展。本研究为准确预测核电关键结构材料应力腐蚀开裂裂纹的扩展速率奠定了一定的基础。     

具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性研究

具有宏观裂纹混凝土结构在荷载作用下裂纹是否会进一步扩展,是带裂纹工作的混凝土结构安全性能评价的重要课题.一方面要对混凝土结构应力状态进行现时观测与分析,另一方面要合理评价具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性.根据数批不同形式混凝土试件的试验结果,分析了混凝土起裂荷载/最大荷载、起裂韧度/断裂韧度与试件形式、相对初始缝长的关系,得出了一些有意义的结论.     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹,用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值,以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系,基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟,再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明,预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时,考虑基质材料力学属性的差异,研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式,结果表明,裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性,从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

裂纹非一致起裂对动态断裂韧度确定的影响

为了考察中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件直裂缝非一致性起裂对测试岩石动态断裂韧度带来的影响,在霍普金森压杆冲击系统上对圆盘试件进行冲击试验,获得了端部加载载荷和裂纹前缘不同点的起裂时刻,并借助ANSYS动态有限元分析得到了圆盘试件三维裂纹前缘不同点的动态应力强度因子时间历程曲线,采用实验—数值方法计算得到相应的动态断裂韧度值。结果表明:裂纹前缘点对应动态应力强度因子值沿厚度方向逐渐递增;二维分析方法得到的动态应力强度因子与三维分析方法裂纹前缘中心处的值最为接近,两者的相对误差小于5%,对应确定的动态断裂韧度值相对误差小于1.2%。如果不考虑圆盘厚度影响,假设试件在圆盘表面起裂,由裂纹前缘其它点所求得的动态断裂韧度值与二维方法得到的值相对误差最大可以达到23%,采用二维简化方法存在较大的误差。     

基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法

脆性作为岩石重要的力学指标,准确评价岩石脆性特征对岩体工程稳定性具有重要意义。目前,常用的岩石脆性指数评价方法主要基于岩石压缩过程中峰后应力–应变曲线变化规律,而对岩石峰前应力状态关注较少。综合考量峰后应力跌落速率及起裂应力值至峰值应力值之间的应力增长速率,建立一种基于岩体应力–应变全过程的脆性指数计算方法,更加准确、合理地描述岩体脆性特征。试验结果表明:单轴条件下当全程采用轴向位移控制时,脆性较强的岩石难以准确获得其峰后曲线,容易降低基于峰后应力曲的常规脆性评价方法的准确性,而所建立的脆性指标可根据峰前曲线进行判断,能够准确评价岩石脆性程度。在三轴条件下,该脆性指标更为全面地反映了围压对大理岩脆性的抑制作用。建立的脆性指标基于岩石整个压缩过程的应力状态,能够更加显著地体现不同因素对岩石脆性特征的影响。试验结果很好地验证了该指标的准确性与优越性,研究结果对丰富与完善岩体脆性评价体系具有重要的作用。     

含裂纹三点弯曲试样裂纹尖端应力状态分析

裂纹尖端的应力状态与构件的断裂性能关系密切,尤其是厚度方向应力的影响更为显著。含裂纹三点弯曲试样是材料断裂行为研究的一种常用模型,本文以含裂纹三点弯曲试样为模型对裂纹尖端的应力状态进行了有限元分析。分析结果表明,平面内应力σx和σy最大值均出现在距离裂纹尖端一定距离处,并随着加载的进行而向外移动;厚度方向应力σz在裂纹顶端数值为零,在缺口尖端附近存在一个最大值,平面应变系数的最大值超过0.5,接近0.6。     

裂纹闭合应力及其岩石微裂纹损伤评价

岩石压缩破坏过程存在几个重要应力阀值,即裂纹闭合应力、启裂应力、损伤应力及峰值应力。主要研究裂纹闭合应力确定方法,并讨论用其评价岩石微裂纹损伤的可行性。首先,对确定裂纹闭合应力的方法进行回顾与总结,并提出一种基于轴向应变响应确定裂纹闭合应力的新方法。该方法易于编程操作,可去除人为因素的影响,使得裂纹闭合应力的确定更加客观。基于多组岩石单轴和三轴压缩试验结果验证发现,该方法在单轴和三轴压缩下与其他方法确定的裂纹闭合应力较接近,验证了该方法的合理正确性。最后,采用裂纹闭合应力评价瑞典Forsmark和Oskarshamn地区3组岩石的取样损伤,通过将裂纹闭合应力与取样深度关联可以发现,取样深度较小时,裂纹闭合应力随取样深度线性增加;而取样深度较大时,裂纹闭合应力基本保持不变。裂纹闭合应力与主地应力差也表现出良好的线性对应关系,表明主应力差可能为影响岩样内部微裂纹发育的主要因素。     

紧凑拉伸试样厚度对镍基合金裂纹尖端力学特性的影响

为研究试样几何拘束对镍基合金应力腐蚀裂纹尖端力学特性的影响,对表征裂纹尖端扩展驱动力的应力应变及应力三轴度进行了分析。研究结果表明:试样中间层比表面层附近区域更先启裂,裂纹扩展速率也更大;由于裂尖拘束效应的影响,含裂纹的厚试样具有更大的裂纹扩展驱动力,更容易发生开裂和扩展;试样厚宽比B/W≥0.3时,裂尖拘束效应几乎不起作用。     

考虑裂缝几何特性和T应力的类岩石材料压剪张拉断裂准则

为探究类岩石材料中非闭合裂缝的压剪起裂机理,引入相对钝化系数和相对临界尺寸,建立了考虑裂缝几何特性和T应力的压剪张拉断裂准则,分析了不同因素对裂缝尖端周向应力分布规律和张拉起裂角的影响。考虑相对钝化系数后,张拉起裂角预测曲线得到明显改善;考虑T应力后,可解释由裂缝长度和材料属性引起的差异化断裂行为。根据几种典型类岩石材料的试验结果与理论曲线对比分析发现,当相对钝化系数较小时,理论预测值与试验值吻合较好,且预测角度范围较大;随相对钝化系数增大,理论预测值与试验结果误差逐渐增大,预测角度范围逐渐减小。解释了出现该现象的原因,讨论了基于线弹性断裂力学理论建立的压剪非闭合起裂准则存在的不足,并建议了本文准则的适用条件。     

高压断路器瓷套裂纹尖端应力强度因子研究

针对三维裂纹尖端应力强度因子计算困难的现状,提出了一种新型的三维裂纹应力强度因子计算方法,通过与其它方法在计算含圆孔平板裂纹尖端应力强度因子的对比分析,验证了本文应力强度因子计算方法的有效性和优越性。建立含裂纹缺陷的高压断路器瓷套有限元数值模型,将本文方法应用于高压断路器瓷套裂纹的应力强度因子计算,研究了高压断路器瓷套表面裂纹应力强度因子与瓷套所处环境温度、裂纹分布位置和裂纹尺寸的变化关系,获得了易导致瓷套断裂的环境、裂纹分布位置和裂纹尺寸,为电力行业中断路器瓷套的设计及运行维护提供有效的技术指导和借鉴。     

岩石类材料滑动裂纹模型

滑动裂纹模型被广泛应用于岩石类材料压剪断裂分析及损伤分析。针对较为典型的6种翼裂纹应力强度因子计算模型,综合考虑主裂面方位、翼裂方位、侧压及翼裂当量长度的影响,对各计算模型进行了系统的对比分析;针对翼裂纹沿主压应力方向的情形,进行有限元分析,并和理论模型计算结果进行比较。最后综合得到一些有益的结论和建议,可为选用滑动裂纹计算模型进行岩石类材料压剪断裂和损伤分析提供参考。     

裂纹闭合应力及其用于评价岩石微裂纹损伤

 岩石压缩破坏过程存在几个重要应力阀值,即裂纹闭合应力、启裂应力、损伤应力及峰值应力。主要研究裂纹闭合应力确定方法,并讨论用其评价岩石微裂纹损伤的可行性。首先,对确定裂纹闭合应力的方法进行回顾与总结,并提出一种基于轴向应变响应确定裂纹闭合应力的新方法。该方法易于编程操作,可去除人为因素的影响,使得裂纹闭合应力的确定更加客观。基于多组岩石单轴和三轴压缩试验结果验证发现,该方法在单轴和三轴压缩下与其他方法确定的裂纹闭合应力较接近,验证了该方法的合理正确性。最后,采用裂纹闭合应力评价瑞典Forsmark和Oskarshamn地区3组岩石的取样损伤,通过将裂纹闭合应力与取样深度关联可以发现,取样深度较小时,裂纹闭合应力随取样深度线性增加;而取样深度较大时,裂纹闭合应力基本保持不变。裂纹闭合应力与主地应力差也表现出良好的线性对应关系,表明主应力差可能为影响岩样内部微裂纹发育的主要因素。     

工程应力变化对岩石强度特性影响的试验研究

本文根据矿山生产中所出现的三种应力变化,利用真三轴压力装置对须家河砂岩和嘉陵江石灰岩的强度特性进行了研究。得出了三种应力变化下砂岩和石灰岩的强度准则。本文所述的三种实验粪型的研究结果还表明,岩石的强度特性是与应力变化有关的。因此,通过符合于实际工程应力变化的真三轴实验来研究岩石的强度特性是很有必要的。     

岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀

介绍了岩石亚临界裂纹扩展的应力腐蚀机理,采用双扭试件常位移松弛法,对金川矿区的三种岩样进行亚临界裂纹扩展速率测试,得出了应力强度因子与亚临界裂纹扩展速率间的关系。实验数据按腐蚀理论进行线性回归分析,线性相关系数较高。所测岩样的应力腐蚀亚临界裂纹扩展是拉应力和裂纹尖端物质与环境中的腐蚀介质发生化学反应,使化学键断裂这两种机制联合作用的结果。