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。     

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。     

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。     

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.     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

巷道内径向裂纹在冲击载荷作用下的起裂与扩展研究

为了研究在冲击载荷作用下巷道围岩周边径向裂纹的破坏机制,利用落锤冲击试验机冲击含径向裂纹的砂岩拱形巷道模型,裂纹与巷道拱顶圆弧圆心成不同倾角(θ=0°～90°),借助裂纹扩展计及应变片确定试样裂纹的起裂时刻及裂纹传播速度,并分析裂纹扩展路径中的止裂问题和计算起裂韧度,随后进行相关的数值模拟。研究发现:Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的扩展行为与Ⅰ型及Ⅱ型起裂韧度都有较大关系,同时与预制裂纹倾角θ也有较大关系,动载荷下的Ⅰ型起裂韧度与静载荷下的Ⅰ型起裂韧度存在很大差异;纯Ⅰ型裂纹起裂方向与原裂纹方向相同,并在扩展过程中存在止裂现象,但Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹与原裂纹成一定夹角起裂并扩展形成翼型裂纹,随后沿着巷道的对称轴中间区域进行扩展;巷道模型在动力载荷作用与静力载荷作用下,两侧边墙的破坏行为有很大差别。     

加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响

为研究加载方式与冲击速度对煤裂纹扩展规律的影响,采用非对称加载半圆弯曲试件开展了冲击载荷下Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型3种加载方式下多种冲击速度的断裂试验与数值模拟,研究了加载方式和冲击速度对煤样动态断裂裂纹扩展过程、裂纹起裂时间和煤样破坏形式的影响规律。结果表明:煤样在Ⅰ型动态加载下,裂纹呈直线形式;在Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载下,裂纹呈向左上方扩展的曲线形式;3种不同加载方式下,煤样裂纹起裂时间均随冲击速度增大而减小,其影响逐渐减弱,煤样在Ⅱ型加载下起裂时间明显大于其他2种加载方式;煤样破坏程度均随冲击速度的增大而加大,Ⅰ型加载影响较小,Ⅰ-Ⅱ复合型和Ⅱ型加载影响较大。     

含倾斜边裂纹岩石冲击断裂模拟试验

为模拟岩石在冲击荷载下,裂纹与加载方向不同角度情况下的断裂行为,利用透射式焦散线测试系统,采用单边切口三点弯曲梁试件,进行三点弯曲梁冲击断裂试验。研究结果表明：含倾斜边裂纹试件受到正应力和剪切力作用,裂纹为复合型裂纹,裂尖产生的焦散斑为复合型焦散斑;预制裂纹与加载方向的夹角变化时,动态应力强度因子、裂纹扩展时间以及裂纹扩展速度都随之变化;预制裂纹与加载方向的夹角增大时,裂纹扩展速度的最大值增大,裂纹扩展速度的振荡性增强;当荷载的加载方向与预制裂纹的方向一致时,裂纹起裂最快,裂纹为I型裂纹。冲击载荷方向与预制裂纹夹角增大时,扩展裂纹表现为复合型特征,动态应力强度因子KdⅡ表现越明显,其最大值随夹角的增大而增大。     

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。     

不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应,以含预制贯穿孔试样为实验对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律.结果表明:加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响:随加载速率增大,抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势.加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变,拉应力强度因子KΙ减小,拉伸裂纹经历"扩展-闭合-扩展",拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系,加载速率为0.5 mm/min时,拉伸长度达到最大为43.16 mm.含孔试样的破坏模式单一,呈中心对称;加载速率较小时,远场裂纹起裂位置距边缘较近,宏观裂纹以剪切破坏为主;加载速率较大时,宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位,远场裂纹起裂位置距边缘较远.研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导.     

冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明:在动态冲击载荷作用下,试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著;当孔洞位于裂纹前方时,孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用,且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱;当裂纹再次从孔洞处起裂时,裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比,均出现较大的上升,试件S1、S2中,裂纹扩展速度分别上升了1070%、138%,相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61%、67%;裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性,但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响,裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。     

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。     

A criterion for crack initiation and propagation in intact rocks under creep condition

This paper presents a study on the criterion of crack initiation and propagation under creep conditions, which were investigated using specimens collected from outcropped sandstone rock formations. Beam specimens under three points bending were used in this investigation. The experimental result shows that due to creep deformation, rock crack will inevitably initiate and propagate after a time interval of sustained loading under a load of K1, which is less than fracture toughness KIC but not less than a constant marked as KIC2. KIC2 indicates the ability of rock to resist crack initiation and propagation under creep conditions and it is defined as creep fracture toughness.     

偏置裂纹对含双裂纹PMMA试件动态断裂影响效应研究

为研究含异长双裂纹试件中次裂纹偏置对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试件动态冲击断裂行为的影响,采用数字激光动态焦散线系统和冲击加载平台进行动态焦散线试验.记录了裂纹的焦散斑图像和主裂纹的起裂时间.讨论了裂纹缺陷对主裂纹的起裂时间、裂纹扩展最大速度和裂纹尖端动态应力强度因子的影响.试验结果表明:β对主裂纹起裂时间的早晚和主裂纹扩展速度最大值产生了明显的影响,而且这种影响效应会由于主次裂纹位于PMMA试件中线的不同位置而表现出明显的差异性.主裂纹应力强度因子变化规律相似,但达到K最大值的时间表现出了差异.     

切缝药包爆炸作用下裂纹扩展行为的试验研究

为了研究岩石动态破裂机理,采用高速摄像技术,对切缝药包间隔装药爆炸作用下混凝土试件的破坏过程进行了物理模拟试验。试验研究表明,切缝药包爆炸作用下,混凝土试件在切缝方向上产生两条基本对称的裂纹A和裂纹B。裂纹的萌生、快速扩展以及最后的失稳过程非常明显。裂纹萌生后,其扩展速度急剧达到峰值698m/s,接着快速下降,最后阶段裂纹扩展速度变化平稳。研究结果为切缝药包在实际爆破工程中的应用提供了试验依据。