T应力对闭合裂纹断裂行为的理论和实验研究

研究受压情况下T应力对闭合裂纹断裂行为的影响。首先,根据裂纹表面的应力边界条件和Muskhelishvili基本理论得到裂纹尖端附近应力的理论解;其次,采用中心闭合裂纹砂岩试件进行单轴压缩试验,并将砂岩试件和PMMA试件起裂角的实验结果与理论值进行对比,验证该理论解的有效性。结果表明压缩荷载作用下,闭合裂纹尖端的应力应同时包含应力强度因子K的奇异项和3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy))的非奇异项;且引入3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy))的理论预测值能更好的吻合砂岩和PMMA试件的实验结果。通过理论分析可得:(1)忽略T应力将增大裂纹尖端的周向应力并减小起裂角;(2)考虑T应力影响时,包含3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy))的起裂角预测值介于只考虑T_x与考虑T_x和T_y两种情况下的理论值之间。因此闭合裂纹尖端存在3个T应力分量(T_x,T_y和T_(xy)),且这3个分量对闭合裂纹断裂行为有显著影响。     

酸性压裂液对无烟煤动态断裂行为及能量耗散规律影响研究

为探究冲击荷载作用下酸性压裂液对无烟煤断裂行为及能量耗散规律的影响,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击加载系统对酸性压裂液和水基压裂液处理后的直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样开展不同冲击气压下I型动态断裂韧性试验,采用高速摄像装置记录煤样裂纹扩展过程,结合Image J图像分析软件及PCAS图像识别系统定量分析煤样宏观裂纹扩展轨迹特征及断面细观孔隙概率熵值。通过对比不同冲击气压和压裂液作用下无烟煤样的入射能、吸收能、断裂能和残余动能,得出冲击荷载下酸蚀煤样动态断裂过程的能量耗散规律。研究表明：自然状态煤样的动态断裂韧度最大,酸性压裂液作用煤样在冲击气压高于0.35 MPa后表现出较水基压裂液更低的断裂韧度值,在更高加载气压条件下酸性压裂液处理后煤样的预制裂纹更易起裂。酸性压裂液处理后煤样所需断裂能与水基压裂液组煤样所需断裂能的差值随加载气压的增大不断增加,加载气压越高,酸性压裂液处理后煤样所需断裂能较水基压裂液更少。煤样断面孔隙概率熵值随冲击气压增加而不断增大,酸性压裂液作用使得煤样的断面形貌由致密整齐向疏松多孔转变。针对不同加载速率下压裂液对煤岩断裂行为的弱化和增强双重作用机...     

孔洞对爆生裂纹动态扩展行为影响研究

试验研究含有预制裂纹的砂岩圆板在爆炸荷载下不同孔洞间距(S)对裂纹动态扩展行为的影响。试验中采用应变片测试获取爆炸加载波形作为AUTODYN数值模拟裂纹扩展效果及ABAQUS数值计算应力强度因子的加载力。试验中采用CPG测得裂纹起裂—扩展时刻,根据测得试验数据得出普适函数,对ABAQUS计算所得应力强度因子进行修正最终得到裂纹动态极限应力强度因子。通过对比分析在不同孔间距下裂纹的动态极限应力强度因子,裂纹扩展长度及裂纹扩展速度得出以下述结论:(1)孔洞对爆炸荷载下的预制裂纹动态扩展行为有所影响,且孔洞间距越小其影响效果越显著;(2)一般情况下裂纹的起裂极限应力强度因子要略高于扩展极限应力强度因子,裂纹的扩展速度对裂纹扩展极限应力强度因子有一定影响,且二者总体趋势呈反比;(3)当裂纹扩展至孔洞附近时,由于孔洞的作用提高了裂纹的扩展极限应力强度因子,进而降低了裂纹的扩展速度并减小了裂纹的扩展长度。此外若将孔洞视为隧道光面爆破中的辅助孔或周边孔,那么研究结论可为隧道光面爆破中控制断面内的原生裂纹扩展长度,以期达到隧道围岩最大程度上的完整性提供理论支撑。     

断裂控制爆破裂纹发展规律的研究

分析了裂纹起裂与扩展时间和多孔爆破裂纹发展的规律，提出了采用不同爆破破方式和装药结构时，孔壁裂纹扩展速度计算式，阐述了孔壁产生裂纹长度和裂纹数目的条件。     

层理角度对天然岩石材料动态断裂行为的影响研究

为了探究不同层理角度下岩石材料的动态断裂行为,利用分离式霍普金森压杆冲击加载系统,对3种直切槽半圆岩石试件开展30°,45°,60°,75°和90°层理角度梯度内的动态断裂冲击试验,研究3种岩石试件在不同层理角度条件下的应力波及能量传播规律、应力响应特征和动态断裂韧性。并结合DLSM数值模拟软件进行辅助分析,证明其模拟方法能够较好地应用于岩石动态断裂行为的研究,通过应力波传播图像和裂纹尖端应力场图像分析试件应力波的传递规律,解释动态断裂韧性随层理角度改变的机制。结合模型的动能和破坏曲线总结不同层理角度下岩石的破坏特征。结果表明：层理角度改变会影响层理面对应力波的有效反射面积,从而影响反射波和透射波的传递规律,造成各部分能量比值的变化。3种岩石具有不同的破坏特征,但其动态断裂韧性均受到层理角度的影响,在小层理角度时更容易发生预裂和张拉破坏,导致试件强度降低。模拟得到的应力波传播图像解释了不同层理角度应力波的透反射规律,而裂纹尖端应力场图像则反映了动态断裂韧性与试件内部是否发生提前破坏有关。随着层理角度的增大,试件断裂消耗的动能越大,其破坏更具有均匀性。     

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。     

层理对煤岩动态断裂及能量耗散规律影响的试验研究

为研究动态荷载条件下加载率及层理倾角对煤样断裂韧度及能量耗散特征的影响,采用直切槽半圆弯拉法和霍普金森加载装置对煤样开展动态断裂韧性测试。分析不同层理倾角煤样动态断裂韧度的率响应特征;并通过对比不同冲击速度和层理倾角煤样的入射能、吸收能、断裂能和残余动能,得出冲击荷载下不同层理倾角煤样动态断裂过程的能量耗散规律。研究表明:冲击荷载下直切槽半圆弯拉煤样以拉伸破坏为主,且裂纹贯穿后的2个碎片均为匀速转动;煤样动态断裂韧度为准静态断裂韧度的3.52~8.64倍,动态断裂韧度随冲击速度的增大而不断增加,但煤样中层理倾角对动态断裂韧度的影响随冲击速度的增加逐渐减弱;煤样动态断裂能随冲击速度的增大而不断增加,但断裂过程能量耗散率随冲击速度的增大而不断减小。     

冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究

为了研究冲击荷载作用下页岩的断裂特性及层理对裂纹扩展行为的影响规律,基于实验–数值法,采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)加载系统分别对0°,30°,45°,60°及90°层理倾角的页岩侧开单裂纹三角孔板构型试件(single cleavage triangle,SCT)进行动态冲击实验,并借助AUTODYN有限差分软件采用复合层状岩石模型对裂纹扩展过程进行数值模拟。实验结果表明,层理对裂纹扩展方向及试件破坏形态影响显著。裂纹的扩展速度与加载速率整体上呈正相关关系,加载速率较低的情况下裂纹停滞现象容易发生。沿层理面开裂是页岩等层状类岩石主要的破坏形式,但是次生裂纹的起点并不完全随机,实验发现裂纹扩展速度减缓处是次生裂纹起萌的高发区域。     

裂纹位置对节点断裂性能的影响

为研究梁柱翼缘对接焊缝处裂纹对节点发生断裂可能性的影响,利用ANSYS有限元软件对携裂纹工作的普通节点、板式加强型节点进行模拟研究。通过对指定路径上断裂指标的分析定量讨论裂纹位置对节点断裂性能的影响。结果表明:相较于加强型节点而言,对接焊缝处裂纹对普通节点断裂影响显著;不同位置的裂纹对节点断裂性能的影响不同。     

Ⅰ型裂纹动态断裂参量的应变片测试方法研究

基于冲击荷载作用下的三点弯曲试验,开展I型裂纹动态断裂力学参量的应变片测试方法研究。通过沿裂纹运动路径布置多点应变片,结合线弹性断裂力学裂纹尖端应变场解析解,提出动态裂纹断裂力学参量的特定锐角和钝角2种应变片测试方法。给出应变片与裂纹运动路径间特定锐角和钝角值,建立表征裂纹尖端位置及其周边应变场二项式,进而计算出裂纹运动速度和动态应力强度因子。结果表明,2种应变片方法测定的裂纹运动速度以及锐角应变片方法确定的动态应力强度因子,与同步进行的动焦散线试验结果相近;与动焦散线方法相比,钝角应变片方法确定的裂纹动态应力强度因子在试件中部相差较小,其余位置相差较大。研究结果为应变片方法在岩石材料Ⅰ型裂纹动态断裂参量测定中的应用提供了试验支撑。     

小应变原岩状态下应力路径旋转对剪切模量的影响

以重塑土经K 0固结形成的试样为试验对象,采用英国GDS公司生产的STDTTS+UNSAT(7 kN/1700 kPa)型号高级应力路径三轴测试系统,研究了在小应变范围内应力路径旋转对土体剪切模量的影响以及剪切模量随应变变化的趋势。研究表明,在小应变范围内,剪切模量的初始值随试验应力路径与近期应力历史间的夹角θ的增大而增大,当两者完全相反时,应力路径旋转对土体在小应变条件下的剪切模量影响最大;完全一致时,其影响最弱。而且,在小应变范围内,割线剪切模量总是大于切线剪切模量;当剪切应变采用对数坐标表示时,剪切模量随着剪切应变的增加而衰减,且衰减的规律都可以表示为带有两个拐点的反S型曲线,经分析验证本文所得公式3可以对此特性进行很好地反映;但应力路径、应变范围不同其衰减幅度不同。     

温度对岩石动态断裂韧度的影响研究

根据Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar(CCCD-SHPB)测试原理,采用平台巴西圆盘开展温度对岩石类材料动态断裂性能影响的实验研究。实验中控制加载速率基本一致,仅改变试件测试的温度,实现了岩石材料在同一加载速率、不同温度下的动态断裂实验,进而开展岩石材料动态断裂韧度的温度相关性研究。实验结果表明,当温度处于8～100℃时,动态断裂韧度随着温度的升高而逐步下降,近似呈线性关系。     

高温后花岗岩断裂特性及热裂纹演化规律研究

在深部地热能开发中高温岩体会经历不同速率降温过程,研究高温作用后岩石力学行为对深部地下工程具有重要意义。然而,不同冷却方式下高温花岗岩断裂特性演化规律及作用机制尚不明晰。基于此,进行了不同冷却方式下花岗岩半圆盘试样三点弯曲试验,分析了高温后花岗岩荷载-位移曲线、断裂韧度以及破裂特征,探讨了微裂纹分布及矿物含量演化规律。试验结果表明：(1)随着温度的升高,花岗岩断裂韧度呈减小趋势,遇水冷却方式下断裂韧度低于自然降温条件;(2)三点弯曲作用下花岗岩半圆盘试样裂纹首先萌生于切槽尖端,逐渐向加载点方向扩展并将岩样劈裂。随着温度的升高,花岗岩试样的断裂痕迹曲折程度、与中心线之间的距离有所增大;(3)随着温度的升高,花岗岩矿物成分未明显变化,基于图像处理技术获得的微裂纹密度逐渐上升,遇水冷却方式下微裂纹密度大于自然降温方式,表明高温引起的微观结构劣化降低了花岗岩断裂韧度。     

初始应力对应力波传播及块体运动规律影响研究

 借助理论模型和试验测试结果分析初始应力对岩石弹性波速的影响,运用数值模拟手段对比研究爆炸扰动作用下不同初始应力时的应力波形状,包括质点应力、位移和速度,得到初始应力对应力波传播影响的一般规律。建立构造块体在爆炸扰动下的运动模型,通过对模型的计算和分析,研究不同初始应力下单个块体的相对位移。研究结果表明：(1) 在低初始应力下,岩石中的弹性波速随压力增大而迅速增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值;(2) 当初始应力增大时,相同距离处的峰值径向应力和峰值位移会降低,而且衰减较快,波形变窄;(3) 块体间的相对位移与初始应力的大小成反比。     

岩石应力的电学效应及其断裂演化规律

研究岩石离子导电基本规律和脉冲非极化电流测试方法,得出岩石电阻变化率与有效孔隙度变化率之间的理论关系;采用力学与电学参数结合的方法,研究压缩应力对含氯化钠溶液石灰岩、砂岩产生的电学效应,取得完整的应力–应变曲线和相应电阻–应变曲线试验数据。试验结果表明:岩石内部裂隙的变化将引起相应的岩石电阻改变;所有电阻–应变曲线上都存在一个岩石电阻最小值,并对应于岩石开裂应力;岩石断裂过程中,应力–应变曲线与电阻–应变曲线的变化规律具有明确的反对称性。岩石电阻变化能够明确表达压缩过程中复杂断裂的演化特性,提出并验证岩石断裂规律的状态方程。     

偶应力对裂纹扩展的影响及其尺度效应

 与经典弹性理论相比,偶应力理论中考虑了微观结构的旋转梯度(即弯曲曲率),可以展示变形的弯曲效应。把无网格方法和偶应力理论结合在一起,给出偶应力理论的无网格离散模型。采用最大周向拉应力裂纹扩展准则,研究受拉情况下I型平面裂纹问题,确定该方法的基本参数,解决算法实施的关键技术。在此基础上,研究在不同微观尺度下受压岩体中裂纹初始破裂问题,进而对在某一给定微观尺度下受压岩体中裂纹扩展路径进行数值模拟跟踪。结果表明,偶应力对I型平面裂纹破裂没有影响,对复杂裂纹的弯折扩展有显著的影响,复杂裂纹的扩展角度、扩展步长、扩展载荷和扩展路径表现出显著的尺度效应。     

断裂构造对爆炸地震波传播规律的影响

从断裂构造的地质特征出发。提出了计算爆炸地震波通过削弱层的简化模型；运用粘弹性波动理论，得到了地震波通过削弱层时的衰减规律及表达式；采用数值计算的方法，分析了爆炸地震波频率与断裂构造参数对衰减的影响。     

分形截距对应力波能耗影响规律的试验研究

 分别进行粗糙断裂面的扫描试验和节理花岗岩的冲击动力学试验,探讨节理面的几何构型特征及其对应力波能耗的影响规律,建立当分形维数满足条件2.0≤D≤2.2时分形截距与应力波穿越节理时截距贡献能耗比之间的定量关系。研究结果表明,当分形维数在区间2.0≤D≤2.2时,分形维数对总能耗比的贡献仍然占绝对的主导地位,但此区间内分形维数对总能耗比贡献是一常量,总能耗比的增量由分形截距决定。节理岩石的截距贡献能耗比随分形截距的增大而减小,两者间呈非线性关系;机制分析显示,分形截距大,则对应剪切刚度大,在相同的冲击荷载条件下,剪切位移则相应较小,冲击过程所做功则较小,耗散的应力波能量也相应越小。从微观角度看,节理岩石的分形截距大,冲击加载工程中,发生微小塑性变形、断键、分子间撞击的几率将大大降低,因而耗散的应力波能量也越小。     

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。     

裂纹几何特征对压剪复合断裂的影响分析

针对岩石类材料中压剪裂纹的复合断裂问题，理论上一般将其抽象为没有厚度的Griffith线裂纹，这样就会导致翼裂纹初始起裂角与主裂纹方位角及围无关的结论。而己开展的压剪裂纹复合断裂试验表明，翼裂纹起裂角与主裂纹方位角和围压明显相关。首先较系统地讨论原生（或预制）裂纹的几何特征（如厚度、裂纹尖端曲率半径等）及围压对翼裂纹起裂角的影响：然后结合含预制裂纹大理岩压剪试验进行翼裂纹起裂角的理论预测和试验结果的对比分析。该分析为压剪复合断裂试验提供了一个理论分析框架，也为进一步研究具有复杂几何形状的裂隙提供了一定的理论基础。