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。     

不同加载率下水饱和砂岩的力学特性研究

为揭示水和加载率对岩石力学性质的共同作用效应,利用分离式霍普金森压杆试验系统对干燥和饱水砂岩进行一系列动态压缩、劈裂及断裂试验。试验结果表明,在静态加载条件下,岩石饱水后其强度和断裂韧度均会发生不同程度的降低;在动态加载条件下,岩石的强度和断裂韧度随着加载率的增加而升高,且相较于干燥试样,饱和岩石表现出更高的率相关性。在较高加载率下,岩石内部的自由水可产生惯性效应、弯液面效应以及黏性作用,阻碍裂纹的产生和扩张。特别地,当加载率超过1 290 GPa/s后,饱和试样的压缩强度甚至可以超过干燥试样。     

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。     

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。     

Stanstead花岗岩动态断裂性能

 采用一种新的方法研究Stanstead花岗岩的动态断裂性能,包括起裂韧度、断裂能、传播韧度和裂纹传播速度。该方法采用分离式霍普金森压杆加载的带预制裂纹的半圆盘三点弯试样,同时采用激光位移计监测试样的裂纹面张开位移。在动态力平衡的条件下,起裂韧度由准静态公式计算得到。通过裂纹面张开位移数据推算出2个碎片的残余动能,从而计算出平均传播断裂能和传播韧度。裂纹传播平均速度由黏接在试样上的一系列裂缝计测量得到。试验结果表明,该花岗岩的起裂韧度和传播韧度都与加载速率有关,传播韧度大于起裂韧度,传播韧度随着裂纹传播速度的提高而提高。通过裂纹传播速度和传播韧度的关系拟合得到材料的止裂韧度及裂纹传播极限速度。得到的Stanstead花岗岩与Laurentian花岗岩结果对比表明,Stanstead花岗岩颗粒较大,起裂、止裂韧度较小;Laurentian花岗岩颗粒较小,传播韧度较小,裂纹传播极限速度较大,裂纹容易传播。     

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。     

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...     

单调及循环加载下大理岩断裂特性研究

基于大理岩的室内基本力学试验,使用PFC~(3D)获取一组真实反映大理岩特性的细观参数。在此基础上对大理岩人字形切槽圆盘(CCNBD)模型分别进行单调和循环加载,研究不同荷载作用下大理岩的应力分布及断裂韧度、裂纹扩展规律。研究结果表明:逐级和等幅2种循环荷载作用下,大理岩的Ⅰ型断裂韧度均有不同程度降低,且峰后会产生明显的应变软化阶段,发生亚临界裂纹扩展;循环荷载作用下试样的裂纹扩展存在明显初期、稳定、加速3个阶段,微裂纹在加载初期增加明显,裂纹扩展速率稳定,在稳定阶段裂纹扩展速率逐渐降低,最后加速阶段裂纹扩展速率逐渐增大,裂纹数目快速增加直至破坏;拉力链分布相对于单调加载更集中在韧带两端和圆盘两边。     

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。     

Effects of loading rate on rock fracture

By means of a wedge loading applied to a short-rod rock fracture specimen tested with the MTS 810 or SHPB (split Hopkinson pressure bar), the fracture toughness of Fangshan gabbro and Fangshan marble was measured over a wide range of loading rates, =10⁻²–10⁶ MPa m^1/2 s⁻¹. In order to determine the dynamic fracture toughness of the rock as exactly as possible, the dynamic Moiré method and strain–gauge method were used in determining the critical time of dynamic fracture. The testing results indicated that the critical time was generally shorter than the transmitted wave peak time, and the differences between the two times had a weak increasing tendency with loading rates. The experimental results for rock fracture showed that the static fracture toughness K_Ic of the rock was nearly a constant, but the dynamic fracture toughness K_Id of the rock ( ≥10⁴ MPa m^1/2 s⁻¹) increased with the loading rate, i.e. log(K_Id)=a log +b. Macroobservations for fractured rock specimens indicated that, in the section (which was perpendicular to the fracture surface) of a specimen loaded by a dynamic load, there was clear crack branching or bifurcation, and the higher the loading rate was, the more branching cracks occurred. Furthermore, at very high loading rates ( ≥10⁶ MPa m^1/2 s⁻¹) the rock specimen was broken into several fragments rather than only two halves. However, for a statically fractured specimen there was hardly any crack branching. Finally, some applications of this investigation in engineering practice are discussed.     

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。     

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.     

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。     

两种不同加载方法下的混凝土剪切断裂过程对比研究

采用室内试验和数值模拟相结合的方法分析半边对称加载法和四点剪切加载法的联系与区别。首先对不同参数的半边对称加载试件和四点剪切梁分 别进行断裂过程试验,以研究其裂缝扩展形态和断裂韧度;然后通过扩展有限元方法对裂缝尖端应力情况进行分析。结果表明：半边对称加载试件裂缝尖端 剪切应力比垂直于预制缝的张拉应力大得多,裂缝沿着原预制缝方向扩展,断裂韧度与初始缝长无关,但随着试件长度的增加和高度的减小而增大;四点剪 切梁试件裂缝尖端存在大小相当的剪切应力和最大主应力,裂缝起于预制缝尖端,扩展到近加载点位置附近,断裂韧度与试件的几何尺寸无关,随着初始缝 长的增大和近加载点与预制缝截面距离减小而增大。     

Effects of high temperatures on dynamic rock fracture

The dynamic fracture toughness of Fangshan gabbro and Fangshan marble subjected to high temperature was measured by means of the split Hopkinson pressure bar (SHPB) system. The specimens for measuring the fracture toughness were manufactured according to the requirements for the Short Rod (SR) specimen suggested by ISRM. Two cases were investigated: (1) the SR specimens of the gabbro and marble were fractured at high temperature (100–330°C), and (2) the specimens of the rocks were first pre-heat-treated at 200°C for the marble and 600°C for the gabbro, and then fractured at room temperature. The experimental results showed that under dynamic loading the fracture toughness of both the gabbro and the marble tested in the above-mentioned cases increased with increasing loading rates. The relationship between the fracture toughness and the loading rates in the two cases is similar to that obtained in the room temperature environment, i.e., without high temperature. (This is defined as the third case.) It can be concluded that temperature variation affects the dynamic fracture toughness of the two rocks to a limited extent within the temperature ranges tested. This is different from the results obtained under the static loading condition. Furthermore, by means of the scanning electronic microscope (SEM), the vertical sections of the fracture surfaces for some gabbro specimens were examined. In addition, the fractal dimensions of the fracture surfaces of some specimens were measured by means of fractal geometry. The results showed that under dynamic loading: (1) macro-crack branching near the fracture surfaces was universal; (2) the fractal dimensions increased with increasing loading rates; (3) in the sections of the specimens tested at high temperature there were many micro-cracks that were probably induced by thermal cracking. On the basis of the above macro- and micro-experimental investigation, an energy analysis of the process of dynamic rock fracture was performed. The results showed that the energy utilisation in dynamic fracture was much lower than that in static fracture.     

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。     

基于半圆弯拉试验的煤样抗拉及断裂性能研究

 为研究准静态加载条件下煤的抗拉及断裂性能,采用巴西圆盘劈裂法和半圆弯拉法对煤样进行抗拉性能对比测试;并开展不同切缝深度的半圆弯拉煤样断裂性能测试分析,探讨平面应变断裂韧度KIC和J积分断裂韧度对评价煤的断裂性能的适用性,研究切缝深度对半圆弯拉煤样的2种断裂韧度测定结果的影响;并结合受载过程中煤样表面应变监测和破坏后试样的工业CT扫描图像分别对煤样受载变形特征和破坏后裂纹展布规律进行分析。研究表明：半圆弯拉试验更适于测定煤的抗拉强度;当量纲一化的切缝深度 = 0.28时半圆弯拉煤样平面应变断裂韧度KIC离散度最小;煤样的J积分断裂韧度离散度更小,且更适用于评价煤的断裂性能。