用SCDC试样测试岩石动态断裂韧度的新方法

 利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆对大尺寸(150 mm×80 mm)压缩单裂纹圆孔板(SCDC)试样冲击加载,采用实验–数值–解析法测定了青砂岩的I型动态起裂韧度和动态扩展韧度。试样的起裂时刻和裂纹扩展速度由黏贴在裂尖附近的裂纹扩展计确定,通过对比发现,裂纹扩展计的准确性和灵敏性都比黏贴在同一试样对应位置的普通应变片更好。实验–数值–解析法根据实验数据获取试样两端的加载历程,利用有限元数值计算和普适函数的半解析修正,综合考虑材料惯性效应和裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响,较准静态方法更适于采用大尺寸试样确定岩石动态断裂韧度。实验–数值–解析法所确定的高加载率和高裂纹扩展速度下砂岩的动态断裂韧度值分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。最后,通过对SCDC试样裂纹扩展路径上应变片的断裂时间分析,确定了利用SCDC试样实现动态止裂的可能性。     

爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法初探

爆破是岩土工程中广泛采用的掘进方法,岩石在爆炸载荷下的断裂特性是岩石动力学的核心问题之一。利用雷管和带裂纹的水泥砂浆试样进行爆破试验研究,采用试验–数值方法确定试样的动态断裂韧度。通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹起裂的时间,将得到的时程曲线输入有限元程序ANSYS,利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移,进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线。裂纹起裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态断裂韧度,从而给出了在爆炸载荷下I型裂纹的动态断裂韧度测试新方法。     

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。     

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。     

爆炸载荷下Ⅰ型裂纹的起裂及扩展规律研究

为了研究爆炸载荷作用下I型裂纹的断裂韧度参数及扩展规律,首次将裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)和内部单裂纹圆盘(single internal crack circular disc,SICCD)试件引入到爆炸载荷下的韧度测试中。试验采用了大尺寸PMMA试件和示波器、超动态应变仪搭接的测试系统,并利用动态有限差分软件AUTODYN和有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度等断裂参数。试验结果表明:(1)预制裂纹在扩展过程中,扩展路径出现拐点时,会产生明显的止裂现象,当裂纹再次起裂时,速度会明显上升。(2)CPG能够更加精准地监测裂纹的扩展规律,结合试验–数值法能够很好地计算出裂纹的起裂韧度等动态参数,为爆炸试验断裂参数的获取提供了一种新型的测试方法。(3)初步的分析表明爆炸载荷下动态止裂韧度要大于动态起裂韧度和动态扩展韧度。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究

采用双扭试件和自行研制的加载装置,对三峡船闸花岗岩进行了亚临界裂纹扩展试验研究。采用ＵＣＡＭ５Ｂ自动巡回监测仪量测加载过程中试件的位移和应变。根据试验结果,得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系和花岗岩的断裂韧度。由于试验方案设计合理,试验结果可靠     

基于DIC方法的地聚合物混凝土断裂过程分析

为了量化研究地聚合物混凝土断裂过程参数的演化过程,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法及夹持引伸计法对含初始缺口粉煤灰基地聚合物混凝土试样在三点弯曲加载过程中的裂缝口张开位移(CMOD)、裂尖张开位移(CTOD)及裂缝扩展长度进行测试与计算分析.结果表明:DIC测试的裂缝口张开位移与夹持引伸计测试值吻合较好,试样经历了起裂、裂缝的稳态和亚稳态扩展及失稳破坏阶段;基于DIC测试的裂尖张开位移与基于弹性等效的理论计算吻合较好,但基于DIC裂缝扩展长度的测试值与弹性等效裂缝扩展长度的计算值之间存在较大偏差,导致这一差别的主要原因是由于地聚合物混凝土与水泥混凝土一样存在断裂过程区.     

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。     

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.     

含双缺口北山花岗岩的热力耦合断裂特性试验研究

 通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性,热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响,并且这些机制反过来也将影响其他的机制,如渗流场及化学场的变化。对于北山花岗岩I型断裂而言,裂纹的扩展主要受到与其垂直方向拉应力的影响,但试件较大的原生缺陷和较大矿物颗粒对花岗岩的断裂路径影响不容忽视。特别是随着温度的变化,花岗岩的断裂机制将发生变化,低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主,而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。试验表明,75 ℃之前花岗岩的平均断裂韧性约为4.728 MPa•mm1/2,而75 ℃之后的平均断裂韧性为3.048 MPa•mm1/2,前后断裂韧性降低了35%左右,这主要是因为温度的升高直接导致热开裂增多,且矿物颗粒之间的胶结作用明显减弱,这逐渐影响了花岗岩的断裂韧性,进而将影响其渗流场和化学场,可见高放核废料储库设计中温度的影响不容忽视。     

Dynamic notched semi-circle bend(NSCB) method for measuring fracture properties of rocks:Fundamentals and applications

Rocks are increasingly used in extreme environments characterised by high loading rates and high confining pressures.Thus the fracture properties of rocks under dynamic loading and confinements are critical in various rock mechanics and rock engineering problems.Due to the transient nature of dynamic loading,the dynamic fracture tests of rocks are much more challenging than their static counterparts.Understanding the dynamic fracture behaviour of geomaterials relies significantly on suitable and reliable dynamic fracture testing methods.One of such methods is the notched semi-circle bend(NSCB) test combined with the advanced split Hopkinson pressure bar(SHPB) system,which has been recommended by the International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering(ISRM) as the standard method for the determination of dynamic fracture toughness.The dynamic NSCB-SHPB method can provide detailed insights into dynamic fracture properties including initiation fracture toughness,fracture energy,propagation fracture toughness and fracture velocity.This review aims to fully describe the detailed principles and state-of-the-art applications of dynamic NSCB-SHPB techniques.The history and principles of dynamic NSCB-SHPB tests for rocks are outlined,and then the applications of dynanic NSCB-SHPB method(including the measurements of initiation and propagation fracture toughnesses and the limiting fracture velocity,the size effect and the digital image correlation(DIC) experiments) are discussed.Further,other applications of dynamic NSCB-SHPB techniques(i.e.the thermal,moisture and anisotropy effects on the dynamic fracture properties of geomaterials,and dynamic fracture toughness of geomaterials under pre-loading and hydrostatic pressures) are presented.     

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...     

非标准钢筋混凝土三点弯曲梁双K断裂特性

以双K断裂理论为基础,基于标准钢筋混凝土三点弯曲梁断裂特性,推导了非标准钢筋混凝土三点弯曲梁断裂参数计算公式.开展了非标准钢筋混凝土三点弯曲梁试件断裂试验,研究了其断裂参数的变化规律.结果表明:试件荷载值随试件高度的增加而增大;而试件的亚临界扩展相对值、断裂韧度、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度均不随试件高度的增加而变化,可认为是常数.     

石材裂纹扩展分形特性

 利用楔形劈裂试验系统观测石材裂纹起裂与扩展，利用应变片系统量测出试件在不同加载速率下裂纹尖端附近裂纹扩展速度的分布及其分形特性。所得结果如下：在考虑不同加载速率下，得到在静态或准静态加载条件下试体的断裂韧性基本上变化不大；但加载速率愈快，裂纹扩展实测平均速度愈高。考虑分形特性，在相同加载速率条件下，所得分形维数越大，则分形裂纹速度也越大，这与理论推导是相符的；分形维数与相关参数(断裂韧性、加载速率)的关系，在静态或准静态加载下近似为一个常数关系。     

裂缝长度对岩石动态断裂韧度测试值影响的研究

 为了考察裂缝长度对试件动态断裂韧度测试值的影响,采用圆盘直径为80 mm变化裂缝长度的大理岩中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行动态冲击劈裂试验。对不同裂缝长度试件动态试验时弹性压杆上测得的应变波形以及试件的断裂模式进行分析,用试验–数值的方法确定大理岩的动态断裂韧度。结果表明,在平均加载率为2.96×104 MPa·m1/2·s－1的条件下,大理岩动态断裂韧度均值是其静态断裂韧度均值的2.6倍,随着裂缝长度的增加,动态测试值没有静态测试值的变化显著,最后对与试件尺寸和构形无关的动态断裂韧度的确定方法进行讨论。