爆炸载荷下砂岩动态断裂特性的试验研究

为研究爆炸载荷下砂岩的断裂特性,对3种砂岩试件进行爆炸试验,借助XRD(X-raydiffraction)衍射图谱分析测试和SEM(scanning electron microscope)电镜扫描,研究砂岩的成分、预制裂纹的扩展断裂面微观结构等,利用有限元软件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、动态断裂韧度等参数。试验结果表明:(1)炮孔周边的砂岩主要以塑性破坏为主,扩展裂纹断面的破坏形态主要以脆性断裂为主,3种砂岩成分的不同表现出微观晶体破坏形式、裂纹扩展速度、断裂韧度等的不同;(2)动态裂纹的扩展速度不是一个定值,在扩展过程中有起伏变化,黑砂岩的速度要高于红砂岩和青砂岩;(3)黑砂岩的动态起裂韧度要高于红砂岩和青砂岩,并且动态扩展韧度与扩展速度基本成反比关系。     

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。     

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。     

基于VB-SCSC岩石试样的动态断裂韧度测试方法研究

为了对扩展裂纹进行止裂,对SCSC构型试件进行改进,提出V型边界侧开单裂纹半孔板(V-shape boundary single cleavage semi circle specimen,VB-SCSC)构型试件,该试件具有V型的底部边界,在冲击载荷下产生倾斜向上的压缩波,该压缩波的水平分量对扩展裂纹具有压缩作用,进而对扩展裂纹进行止裂。实验采用中低速落锤冲击实验装置进行,利用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)测试裂纹的起裂及扩展时间,同时测试裂纹的扩展速度。采用3种V型底部的夹角,即120°,150°及180°(平的底部),进行实验研究,发现前2种试件均具有止裂功能,并用有限差分软件AUTODYN进行了模拟计算,其结果与实验结果基本一致。利用有限元软件ABAQUS计算裂纹的动态应力强度因子,并通过普适函数进行修正,最后通过裂纹起裂时间及扩展时间确定裂纹的动态断裂韧度。结果表明120°VB-SCSC构型试件具有较好的止裂功能,适合于裂纹动态扩展行为研究及动态断裂韧度的测试;动态扩展韧度与裂纹的扩展速度成反比。     

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。     

基于3D-ILC三点弯脆性固体内裂纹扩展规律及破坏特征研究

岩石内裂纹扩展问题是岩土工程学科的重要问题之一。基于3D-ILC技术,选用理想脆性材料,在对试样表面无影响的前提下,生成任意参数的真实内裂纹,进行含内裂纹试样三点弯试验,并与完整试样进行对比。开展试样破坏过程、特征荷载、破坏形态、断口特征、动态分叉、应力云纹分析,通过数值模拟得到裂纹尖端K分布规律及扩展路径,与试验对比。结果表明:(1)内裂纹的存在极大的降低试样的起裂与破坏荷载;(2)应力双折射技术可与3D-ILC联合应用进行内裂纹应力信息监测,内裂纹尖端呈现"花瓣"状应力云纹;(3)三点弯下空白试样发生动态断裂,断口呈现雾化、羽毛区特征,由动态裂纹分叉引起。含裂纹试样,从内裂纹下尖端到上尖端逐渐起裂,呈现水滴状,为纯I型破坏,断口呈现交汇Wallner线特征;(4)基于M积分的裂纹尖端K分布与试验起裂规律一致;基于MTS的内裂纹扩展路径模拟与试验一致。3D-ILC相对于目前透明类岩石研究中主流方法,在脆性度、裂纹真实性、应力场可视化、断口特征等方面具备一定进步性,试验与数值模拟成果将为岩石等脆性材料的三维断裂、内裂纹扩展等问题的研究,提供试验和理论参考。     

含裂纹模拟岩石材料动焦散实验研究

应用动态焦散线方法,进行了含预置裂纹模拟岩石材料的冲击断裂实验。分析裂纹预置位置与长度对裂纹扩展及断裂破坏的影响规律,为相关领域的岩体工程稳定性分析提供依据。实验结果表明,应力强度因子在裂纹起裂前后呈现振荡变化特征;随着裂纹距试件左边缘长度的增加,应力强度因子数值逐渐变小,裂纹起裂时间提前,II型因子比例逐渐降低;随着裂纹长度的增加,应力强度因子最大值减小,裂纹起裂时间提前。     

冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验

采用数字激光动态焦散线试验系统,利用落锤冲击含预制裂纹(倾斜角度分别为0°,30°,45°)的缺陷介质,研究裂纹扩展的动态行为.结果表明:冲击荷载下,裂纹会于预制裂纹一端起裂,扩展至整个试件,且扩展路径指向重锤落点;主裂纹尖端的动态应力强度因子振荡增大又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂;次裂纹起裂前,KId振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小;主裂纹起裂后,速度迅速减小;次裂纹扩展速度先增大后振荡减小,与KId的变化趋势保持一致;含缺陷的冲击断裂试验中,主裂纹起裂时间较晚.     

中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响

 为了考察圆盘试件不同中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响,采用直径80 mm含有不同中心圆孔孔径的圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在Hopkinson压杆系统上进行径向冲击试验,获得岩石的动态断裂韧度。结果表明,当中心圆孔孔径与圆盘直径之比r0/R∈(0.10,0.30)时,岩石动态断裂韧度的平均值为4.57 MPa•m1/2,测试值受中心圆孔孔径变化的影响并不明显。试件的断裂模式有一定差异,当圆孔孔径较小时,在主裂纹扩展的过程中萌生较多的次生裂纹;随着孔径的增大,次生裂纹减少,试件呈现更加明显的宏观拉贯通破坏。对于推广中心圆孔裂缝平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的方法,以及掌握岩石受到动态冲击时的破坏特性具有重要的意义。     

原岩应力对裂纹动态断裂行为的影响规律研究

深地岩体赋存于高原岩应力环境,常常受到动力扰动。为了研究原岩应力对裂纹动态断裂行为的影响,使用侧向加压设备赋予岩石初始应力以模拟原岩应力,利用中低速落锤冲击设备实施冲击实验。在冲击实验中使用裂纹扩展计(CPG)获取裂纹起裂时刻和裂纹扩展速度,同时使用AUTODYN有限差分法软件和ABAQUS有限元软件实施数值模拟研究。实验和数值模拟结果显示,垂直于裂纹面的原岩应力改变了裂纹起裂时间、裂纹扩展速度和裂纹扩展长度,但是对临界动态应力强度因子没有影响。垂直于裂纹面的原岩应力使得裂纹起裂时间出现滞后现象,并且原岩应力越大裂纹扩展速度越低,裂纹扩展长度越短。     

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。     

脆性材料裂纹与损伤相互作用的试验研究

为研究岩石等脆性材料的损伤对裂纹动态扩展的影响,采用动态透射焦散线方法,模拟脆性材料裂纹与损伤相互作用的动态过程,进行多种损伤情况下有机玻璃试样裂纹动态扩展过程试验研究,讨论不同类型损伤对脆性材料裂纹动态扩展规律的影响和裂纹与损伤相互作用的机制。试验结果表明:不同类型的损伤对裂纹扩展影响不同,除裂纹型损伤外,其他几种类型损伤的存在均会引起裂纹扩展出现短暂停滞,停滞时间与损伤的尺寸及距离扩展裂纹路径的距离有关系;裂纹扩展路径上存在单个圆孔时会影响裂纹扩展速度,裂纹消耗能量增大;而多个圆孔情况下,材料局部弱化,裂纹扩展速度增大,而裂纹扩展消耗能量降低;表面损伤和局部贯通裂纹的尺寸、相对裂纹扩展路径距离等影响裂纹扩展速度,但能量消耗并未增大;对称裂纹相互竞争,同步扩展,裂纹尖端位置或裂纹长度的微小差别(例如裂纹长度相差3.68%)就会对裂纹起裂产生明显影响,导致2个裂纹起裂时间不同,裂纹扩展以后,先起裂的裂纹尖端应力强度因子大说明能量集中到相应裂纹尖端,从而越有利于该裂纹的扩展,扩展速度也就越大(相差约38.9%),相同条件下裂纹扩展所消耗的能量也越大。     

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。     

顶板–煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究

基于声发射和数码摄像机录像系统,对不同高比的5组顶板砂岩–煤柱结构体进行单轴压缩试验,研究其力学特性及渐进破坏机制。顶板砂岩–煤柱结构体整体强度是远离交界面和交界面处砂岩、煤样强度的综合,摩擦效应加强了交界面处煤样强度,而削弱了交界面处砂岩强度;顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随岩煤高比递减而呈递减趋势;在同等条件下煤样原生裂纹越发育,顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、弹性模量和单轴抗压强度越小。顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂导致应力–应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,大部分起裂位置位于煤样上,但当岩煤高比为9∶1时,交界面处砂岩首先破坏起裂。煤样内裂纹扩展和贯通使其变得较破碎且形成局部破坏,同时局部破坏的贯通导致煤样最终破坏;砂岩破坏是煤样内裂纹扩展贯通至其内部造成的,且由于裂纹扩展能力、速度及角度的不同,砂岩破坏形态呈劈裂破坏、剪切破坏或不发生破坏,随岩煤高比增大,煤样和砂岩破坏程度增大,煤样更加破碎。     

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。     

超高性能水泥基复合材料三点弯曲梁断裂韧度的试验测定及影响规律

研究超高性能水泥基复合材料的双K断裂参数,针对水泥基纤维复合材料和水泥基体两种不同材料设计了不同强度等级、不同尺寸以及不同初始缝高比的14组试件,进行3点弯曲梁断裂试验,测定其起裂荷载,并以此计算得到了起裂韧度的控制值;通过测定最大荷载及对应的裂缝张开位移计算失稳断裂韧度。结果表明,两种材料试件的起裂韧度和失稳韧度都随试件抗压强度的增大而增大;随初始缝高比的减小,水泥基纤维复合材料试件的起裂韧度和失稳韧度都明显增大,而水泥基体试件的起裂(失稳)断裂韧度增大不明显;尺寸效应均比较明显,试件尺寸的增大,水泥基纤维复合材料的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度增大较为明显,而水泥基体试件呈现一定的离散型。     

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。     

裂纹损伤混凝土力学性质试验与PFC模拟研究

通过室内试验对恒定倾角(45°)裂纹损伤试件裂纹长度差异对混凝土力学性研究,并结合PFC颗粒流数值模拟软件分析结果裂纹扩展规律,进一步阐述其破坏形态及机理。研究表明:(1)裂纹损伤试件强度随着裂纹长度增大逐渐降低,降低速率先减小后增大;弹性模量随着裂纹长度增大逐渐降低,其中降低速率先增大后减小最后再降低。(2)裂纹长度为10 mm时,试件破坏形态为整体破坏;裂纹长度为20~30 mm时,试件破坏沿着初始裂纹扩展方向破坏,部分沿着初始裂纹反方向破坏,表现出裂纹部分影响破坏形态;裂纹长度≥40 mm,试件完全沿着初始裂纹扩展方向破坏,无反向裂纹产生。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。