大理岩I-II复合型动态断裂的实验研究

利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(φ50 mm,φ130 mm,φ200 mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验-数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf)).在100 μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响:对于静态情况为I-II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,φ50 mm尺寸试样仍处于复合型加载,而φ130 mm,φ200 mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动.岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释.考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响.     

采用中心圆孔裂缝平台圆盘确定岩石的动态断裂韧度

由于带有预制裂缝岩石试件的难于制作以及动态研究的复杂性,岩石动态断裂韧度在研究方法上一直也没有统一的标准,有必要对其测试方法进行研究。采用大理岩制作了一种含有中心圆孔预制裂缝宽度小于1mm的平台圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行了动态冲击试验,并采用实验-数值方法,确定其动态断裂韧度。该方法基于一维应力波理论,采用Hopkinson弹性压杆上应变片获得作用在试件两端面的动态载荷P(t),输入此载荷,利用动态有限元法求得试样内动态应力强度因子KI(t)随时间的变化历程,对应于试件上应变片测得的起裂时间tf的动态应力强度因子KI(tf)即为材料的动态起裂断裂韧度KId。     

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。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

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。     

含裂纹岩石巴西圆盘试件在冲击载荷下断裂参数的有限元计算

采用LS-DYNA有限元软件,对含中心裂纹的岩石巴西圆盘试件在冲击压缩荷载作用下的变形过程进行数值分析。基于虚拟裂纹闭合技术,提出在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到巴西盘试件的能量释放率和应力强度因子与时间的关系曲线,并给出不同冲击速率对该曲线的影响。对含中心裂纹的岩石巴西盘试件在冲击压缩荷载作用下I型断裂参数与II型断裂参数的时间历程曲线进行比较。计算结果表明：在相同冲击速度下,在同一时刻II型断裂参数的数值比I型断裂参数小几个量级,含中心裂纹的巴西盘试件可作为I型断裂模型处理。     

基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究

巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的I-II-III型断裂研究一直较为落后。基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂纹的及完整巴西圆盘试样试验,对裂纹扩展过程、应力双折射规律、裂纹起裂及破坏荷载进行分析,并与已有文献进行对比,开展三维内裂纹I-II-III型断裂数值模拟,分析KI,KII,KIII分布规律及实现裂纹扩展全过程模拟,规律与试验相符。结果表明:①3D-ILC在断裂力学试验中的优势得到证明,为断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题的研究奠定了基础。②与完整试样匀称连续的应力云纹分布相比,含内裂纹试样应力云纹集中于内裂纹尖端,呈花瓣状,色差对比显著。③30°内裂纹被括弧状破坏面切断;60°内裂纹上下尖端出现I-II型翼裂纹扩展,侧面出现III型裂纹叠加;90°内裂纹试样,沿内裂纹面扩展破坏,为纯I型破坏。④与完整试样破坏荷载相比,含30°,60°,90°内裂纹试样破坏荷载分别下降10.7%,60.6%,89.2%;30°,60°,90°内裂纹起裂与破坏荷载比分别为100%,11.7%,15.6%。⑤数值模拟与物理试验特征一致。结论与成果对断裂力学领域的三维内裂纹、I-II-III型断裂问题的研究提供了试验与理论基础。     

单轴压缩条件下含双圆孔类岩石试样力学特性的细观研究

圆孔作为一种典型的岩石缺陷,对岩石的力学特性具有重要影响。采用室内试验及PFC2D程序,构建含双圆孔类岩石试样并对其进行单轴压缩试验,研究其不同圆孔间距、倾角组合条件下的强度、裂纹模式及破裂孕育演化特征。研究表明:(1)当间距不变时,随倾角的增大,试样单轴抗压强度呈先减小后增大的趋势,且在倾角为45°~60°时达到最低单轴抗压强度;当倾角为90°恒定时,随间距的增大,试样单轴抗压强度呈先增大后减小的趋势,且在间距为40 mm左右时达到最大单轴抗压强度。(2)试样产生的裂纹类型可分为I型(张拉型)裂纹、II型(剪切型)裂纹、III型(混合型)裂纹等三类。当孔距较近时,随倾角的增大,圆孔间裂纹类型逐渐由III型裂纹转变为II型裂纹,两圆孔靠近加载端部一侧的孔壁逐渐产生I型裂纹,靠近试样两侧边界处的孔壁始终会产生II型裂纹。当倾角为90°恒定时,随间距的增大,两孔间相互作用减弱,但两圆孔靠近加载端部一侧及靠近试样两侧边界处的孔壁,始终分别产生I型裂纹和II型裂纹。(3)两孔间岩桥连线上的II型裂纹首先产生,其次在圆孔靠近加载端部一侧的孔壁产生I型裂纹,最后在圆孔靠近试样两侧边界处的孔壁产生II型裂纹。通常构成II型裂纹的声发射事件破裂强度,高于构成I型裂纹的声发射事件破裂强度。     

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。     

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。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

爆炸荷载作用下动态裂纹扩展试验研究

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了爆炸裂纹的扩展规律。用有机玻璃试样直观、形象地研究了爆炸加载和卸载过程破裂时的应力(应变)场、成核区(阴影区)的动态特征变化,分析了爆炸裂纹发展、止裂及破坏模式、动态应力强度因子的变化规律,精确得到了材料在爆炸荷载作用下的止裂韧性值。确认了早期爆炸裂纹是在爆轰压力作用下产生快速扩展裂纹,裂纹尖端形成应力集中和积聚较大的应变能,爆炸裂纹中后期的焦散形式与一般动态焦散接近相同。初步提出了爆炸裂纹的大部分扩展是应变能释放的动态卸载破坏的结论。     

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     

Dynamic crack propagation in plates weakened by inclined cracks: an investigation based on peridynamics

Peridynamics is a theory in solid mechanics that uses integral equations instead of partial differential equations as governing equations. It can be applied to fracture problems in contrast to the approach of fracture mechanics. In this paper by using peridynamics, the crack path for inclined crack under dynamic loading were investigated. The peridynamics solution for this problem represents the main features of dynamic crack propagation such as crack bifurcation. The problem is solved for various angles and different stress values. In addition, the influence of geometry on inclined crack growth is studied. The results are compared with molecular dynamic solutions that seem to show reasonable agreement in branching position and time.     

Rock fracture characterization using the modified Arcan test specimen

This study presents an application of fracture mechanics to determine mixed-mode fracture properties of rock using the numerical and experimental methods. The modified version of Arcan specimen test was, in association with a special loading device, an appropriate apparatus for experimental mixed-mode fracture analysis. Using the finite-element results, correction factors were applied to the specimens and a polynomial fit was proposed to evaluate the stress-intensity factors of a modified version of Arcan specimen with a crack subjected to mixed mode loading. The finite element analyses of specimens were also studied for various materials, different thickness and crack length. The mixed-mod fracture-toughness tests were carried out by using the modified Arcan test specimens over a wide range of loading angles. Using the finite element results, non-dimensional stress-intensity factors applied to the fracture specimen. By employing experimentally measured critical loads and the aid of the finite element method, mixed-mode fracture toughness for rock under consideration determined. The fracture surfaces under different mixed-mode loading conditions were examined by optical and scanning electron microscopy (SEM) to gain insight into the failure surfaces.