人字形切槽巴西圆盘Ⅰ型渐进断裂数值模拟研究

对国际岩石力学学会(ISRM)建议的I型断裂韧度测试人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)试样进行细观损伤力学模拟,考虑不同切槽宽度、试样几何、力学参数与材料非均质性等,直观获悉其渐进断裂过程。通过模拟的应力和声发射分布,对CCNBD量纲一的应力强度因子标定基于的穿透直裂纹等假设进行严格评估。结果表明:无论岩石材料是否均质,人字形韧带中的裂纹前缘均为曲线形,并不符合传统方法基于的穿透直裂纹假设,而且人字形韧带越狭长的试样,裂纹前缘弯曲越严重;利用模拟得到的临界裂纹保守地标定临界量纲一的应力强度因子,发现传统方法所得结果比真实值偏小5%~10%;CCNBD易从人字形韧带尖端厚度边缘起裂,为了使真实断裂路径更符合测试原理,建议制作和选取较小切缝宽度的试样。数值模拟结果表明,应该重视测试试样的真实渐进断裂机制,量纲一的应力强度因子标定宜考虑更真实的断裂特征,以获取准确的断裂韧度值。     

用人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)确定岩石断裂韧度及其尺度律

国际岩石力学学会(ISRM)于1988年和1995年先后颁布了两种测试岩石断裂韧度的建议方法，其中1995年建议方法推荐的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)尚不够完善。有鉴于此，用两种大理岩制作成CCNBD和ISRM1988年建议方法推荐的人字形切槽三点弯曲圆棒(CB)试样，分别在MTS810型材料试验机进行试验。结果发现，CCNBD试样测出的断裂韧度值比CB试样测出的断裂韧度值小，而重新标定关于CCNBD计算公式中的关键系数Ymin*后得出的断裂韧度值有一定改善。此外，基于内聚裂纹模型，对CCNBD试样用于岩石断裂韧度测试的尺寸效应问题进行了初步探讨，提出CCNBD试样的几何形状函数gαm，很好地解决了Bazant的尺度律用于CCNBD试样结构的非相似性问题，从而减小了试样尺寸对材料断裂韧度的影响。     

单调及循环加载下大理岩断裂特性研究

基于大理岩的室内基本力学试验,使用PFC~(3D)获取一组真实反映大理岩特性的细观参数。在此基础上对大理岩人字形切槽圆盘(CCNBD)模型分别进行单调和循环加载,研究不同荷载作用下大理岩的应力分布及断裂韧度、裂纹扩展规律。研究结果表明:逐级和等幅2种循环荷载作用下,大理岩的Ⅰ型断裂韧度均有不同程度降低,且峰后会产生明显的应变软化阶段,发生亚临界裂纹扩展;循环荷载作用下试样的裂纹扩展存在明显初期、稳定、加速3个阶段,微裂纹在加载初期增加明显,裂纹扩展速率稳定,在稳定阶段裂纹扩展速率逐渐降低,最后加速阶段裂纹扩展速率逐渐增大,裂纹数目快速增加直至破坏;拉力链分布相对于单调加载更集中在韧带两端和圆盘两边。     

忻州窑烟煤Ⅰ型和Ⅱ型断裂特性的半圆弯曲试验对比研究

为研究切缝深度和层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂特性的影响差异,采用半圆弯曲测试法对SCB煤样开展3种切缝深度和5种层理角度下的Ⅰ,Ⅱ型断裂测试,分析切缝深度与层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷、断裂韧度及裂纹扩展路径的影响规律;并对煤样加载过程中的声发射信号进行实时监测,获取煤样变形破坏过程中的微裂纹损伤演化及宏观破坏特征。研究表明:测试煤样的Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度均大于Ⅰ型断裂峰值载荷与断裂韧度,且KⅡC/KⅠC=1.02;煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷随无量纲切缝深度a的增加逐级降低,断裂韧度K_(ⅠC)和K_(ⅡC)均随a的增加先增大后减小。Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度随层理角度的增加均先减小后增大,呈"对勾"型分布;煤的Ⅰ型断裂裂纹扩展路径近似为直线,而Ⅱ型断裂裂纹扩展路径为曲线。层理对Ⅱ型断裂裂纹扩展路径影响较大,层理角度为22.5°,45°和90°时,裂纹出现沿层理面扩展的现象;煤样的Ⅰ,Ⅱ型断裂破坏过程分为压密、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展3个阶段。总体表现为拉伸裂纹主导的拉剪复合型断裂,拉伸微裂纹最先发育,之后拉剪复合型微裂纹急剧扩展,并最终造成试样的宏观失稳破坏。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

基于SENDB试样的砂岩复合脆性断裂行为研究

基于岩石裂缝多为三维的事实,对不同裂缝长度和支座间距组合下的单边切槽深梁(SENDB)试样3个形状因子(即量纲一化的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子、量纲一化的T应力)进行三维标定,并与已有的二维数值标定结果进行细致对比,相关结果为科学使用SENDB试样开展岩石复合断裂韧度测试,讨论试件厚度对岩石复合断裂韧度计算的影响等奠定了基础。结果表明,由三维模型获得的几何因子相比二维模型所得结果更大,故使用二维计算结果确定的断裂韧度将比实际值小,对水力压裂这类"造缝"岩石工程设计可能带来不利影响。最后,基于SENDB试样开展从纯Ⅰ型到纯Ⅱ型的砂岩复合断裂韧度测试,并利用广义最大周向应力(GMTS)准则从理论上研究SENDB砂岩试样裂纹尖端的三维微破裂区与载荷复合度的关系。研究表明,随着裂缝倾角b的增加,由最大周向应力确定的微破裂区范围从中间大两头小变为中间小两头大;其次,裂纹在扩展方向上的临界微破裂区并非GMTS准则所采用的不变量r0=(2π)-1(KIc/st)2;更为关键的是,纯Ⅰ型裂纹和纯Ⅱ型裂纹对应的临界微破裂区半径并不相等,进而从根本上否定了GMTS准则的理论假定,相关结果为合理使用GMTS准则提供了参考并指明了GMTS准则的改进方向。     

标定ISRM岩石断裂韧度新型试样CCNBD的应力强度因子

国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics--ISRM)在1995年提出一种新型的岩石断裂韧度试样——人字型切槽巴西圆盘试样(cracked chevron notched Brazilian disc--CCNBD)。但是，该试样的重要力学参数即无量纲应力强度因子的标定尚有问题。针对此关键问题进行深入的研究，获得了该试样新的更准确的标定值。采用大型商业有限元软件ANSYS，引入了ANSYS子模型法和局部裂纹子模型法进行三维应力强度因子的计算。结果表明，子模型方法具有很高的精度和适用性。在计算了CCNBD试样的无量纲应力强度因子以后，还综合比较了前人相关的一些结果。从理论分析的角度证明了所得结果是合理可靠的。     

多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究

为了研究多次应力波作用下岩石的动态断裂破坏规律,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆径向加载直径为160 mm的含预制裂纹人字形切槽巴西圆盘大理岩试样,分别采用裂纹扩展计和普通应变片测定试样裂尖的起裂和扩展过程,分析试样破坏过程中的动态断裂规律和能量耗散特性。结果表明:在0.13 MPa的子弹发射压力下,出现了试样被多次应力波作用形成破坏的试验现象;入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小,但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大;试样的能量耗散率和动态断裂韧度都随作用次数的增大而减小,并且满足近似的线性关系,这有助于理解多次应力波作用下岩石的动态断裂机制。     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的实验研究

为了获得岩石在高加载速率作用下的动态断裂韧度值并分析加载速率的影响,由分离式霍普金森压杆入射杆杆端附加劈尖及其基座对边切槽圆盘试样施加动态劈裂载荷。把应变片粘贴在裂纹尖端附近获得裂纹扩展时间;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元计算模型,获得试样的起裂动态断裂韧度值。结果表明,在加载速率18.85×104MPa.m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度值随着加载速率的增大而上升,但上升趋势逐渐减弱。断裂韧度数值在高加载速率下呈现出明显的离散性。     

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ–Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子(SIF)的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。     

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH@于海勇$黑龙江科技学院!教授     

Dynamic cracked chevron notched Brazilian disc method for measuring rock fracture parameters

The cracked chevron notch Brazilian disc (CCNBD) method is widely used in characterizing rock fracture toughness. We explore here the possibility of extending the CCNBD method to dynamic rock fracture testing. In dynamic rock fractures, relevant fracture parameters are the initiation fracture toughness, the fracture energy, the fracture propagation toughness, and the fracture velocity. The dynamic load is applied with a split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. A strain gauge is mounted on the sample surface near the notch tip to detect the fracture-induced strain release, and a laser gap gauge (LGG) is used to monitor the crack surface opening distance (CSOD) during the test. With dynamic force balance achieved in the tests, the stable–unstable transition of the crack propagation crack is observed and the initiation fracture toughness is obtained from the peak load. The dynamic fracture initiation toughness values obtained for the chosen rock (Laurentian granite) using this method are consistent with those measured using other methods. The dynamic fracture initiation toughness is in the range 2.5–4.6 MPa m^1/2 and the propagation fracture toughness is in the range 7.1–10.6 MPa m^1/2, which is consistently larger than the initiation toughness.     

岩石Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ混合型断裂研究

For the mode I rock fracture toughness measurement, three standard methods have beenrecommended by the ISRM, but there has not been a standard method for the determination of mode II and mixedmode I-II rock fracture toughness. However mode II and mixed mode I-II fracturing of rock structures is morecommonly observed than mode I in various geological and structural engineering settings. So it is of greatimportant to thoroughly research these rock fracture problems and establish a standard method for determining themode II or mixed mode I-II fracture toughness for rock materials. Based on the progress made for mode I rock fracture research, the cracked chevron notched Brazilian disk(CCNBD) specimen was also introduced for mode II and mixed mode I-II rock fracture toughness measurement.When the crack is orientated at an angle with respect to the diametrical loading, the crack of the CCNBD specimenis exposed to the mode II or mixed mode I-II stress distribution conditions. The solutions for stress intensityfactors in the vicinity of the crack tip have been evaluated by the stepwise superimposition technique. In order tomake sure that the theoretical analysis is correct, numerical calculation method has been employed to calibrate thetheoretical results. It has been proved that the theoretical results yielded by the dislocation method are correct andreliable. According to the characteristic that the propagation of the crack in the CCNBD specimen is in its own planeand application of the energy superposition principle, the stress intensity factor of the mixed mode I-II has beendefined in dimensionless terms as Y≠mix = [(Y1*)2 + (Y*11)2]1/2. It was found that the curve of Y*mix was concave. Thereexists a lowest point which corresponds to the maximum external load and indicates the crack has reached itscritical state. Since the values of Y*mix, Y*1 and Y*II are only dependent on the specimen geometry(α0, α1, αB and θ), the critical values of Y*mix, Y1* and Y*II can be to known as long as the CCNBD specimen isprepared ready. It is only necessary to record the maximum load during the fracture tests. The fracture locus is very useful to know whether the crack in a rock structure has reached its criticalcondition. According to the amount of practical fracture testing data obtained, the rock fracturing locus was foundto be(K1/KIC)3/2+(Ku/kuc)3/2 =1 and the S-critical criterion was found to be more suitable for rock mixed mode I-IIfracturing assessment.     

岩石闭合裂缝的压剪断裂形态

介绍了对含闭合裂缝岩石试件在达到峰值压剪荷载时卸荷的裂缝断裂形态观察结果。结果表明,原有闭合裂缝已张开;裂缝尖端区域岩石晶粒已破碎,并可见碎粒剪切错动与偏转;次生裂缝组的走向与微裂区的形状呈不对称的桑叶状,与张开裂缝（切口）尖端岩石断裂形态相似;岩石压剪主剪断面沿该破裂区上部边界扩展。     

动载荷作用下含倒U型孔洞裂纹试件的动力损伤行为研究

裂纹群对隧道围岩的动力学特性影响机制复杂程度远大于单裂纹缺陷.为了研究裂纹群对隧道围岩破坏行为的影响机制,采用PMMA制备含倒U型孔洞裂纹模型试样模拟含裂纹缺陷围岩工况,利用落锤冲击试验机进行动态加载,分析遭受冲击载荷作用下裂纹群在围岩内的损伤演化规律,随后采用有限差分法软件进行数值分析,对比论证试验结果的科学性,及分...     

Fracture toughness study for a brittle rock subjected to mixed mode I/II loading

A semi-disk specimen containing an angled edge crack has been used in the past for conducting fracture tests on a brittle rock named Johnstone [Fracture testing of a soft rock with semi-circular specimens under three-point bending. Part 2—mixed mode. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 1994b;31(3):199–212]. The test specimen is appropriate for investigating brittle fracture when the rock samples are subjected to the combined effects of tension and shear along the crack line. However, the experimental results reported in Lim, Johnston, Choi, Boland [Fracture testing of a soft rock with semi-circular specimens under three-point bending. Part 2—mixed mode. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 1994b;31(3):199–212.] are inconsistent with all of the well-known theoretical criteria available for predicting mixed mode brittle fracture. In this paper, a modified criterion is used to provide accurate predictions for the reported experimental results. The modified criterion makes use of a three-parameter model (based on K_I, K_II and T) for describing the crack tip stresses. It is shown that the non-singular stress term T has a significant role when the rock fracture tests are conducted on the semi-disk specimens.     

压缩条件下岩石断裂模式与断裂判据的研究

针对岩石类材料压缩断裂中可能发生的Ⅰ型张拉断裂和Ⅱ型剪切断裂的现象 ,依据裂纹尖端应力集中引发的微裂纹损伤性质 ,提出了主裂纹尖端“微裂纹单元应力模型”的概念。通过对不同方位微裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子变化规律的研究 ,以比应力强度因子和比断裂韧度作为表征参数函数方程 ,提出了压缩条件下岩石类材料复合型裂纹断裂模式与断裂破坏的判据。该判据既可以预测岩石内部斜裂纹在压应力下的Ⅰ型扩展 ,也可以预测它的Ⅱ型扩展。由此判据 ,还给出了Ⅱ型断裂出现的条件 ,讨论了不同的影响因素。其结果较好地说明了实验现象     

化学腐蚀下裂隙岩石的损伤效应及断裂准则研究

对不同化学溶液腐蚀的岩石试件试验结果的分析表明,化学溶液腐蚀作用下,矿物颗粒间联结受到扰动,同时颗粒受到溶蚀等作用,使岩石强度显著下降,岩石结构产生损伤。因此,化学溶液对岩石材料的腐蚀影响可以归结为岩石颗粒骨架部分性质的劣化和空隙的增大两部分。对于裂隙岩体来说,化学溶液的腐蚀则主要体现在断裂应力的减小和裂隙的增大。从这两个主要影响因素出发,引入应力放大系数,建立了化学腐蚀下裂纹体的断裂准则。给出了考虑化学溶液作用的裂隙岩石断裂准则的研究思路。     

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ-Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子（SIF）的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。