三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

 采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明：试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。     

三维表面裂纹扩展特征的研究

用含有预制半圆形三维表面裂纹的冷冻透明有机玻璃材料研究了裂纹的扩展机制,并对裂纹扩展中的特征应力进行了分析,同时,考察了裂纹深度、长度和倾角等几何因素变化对裂纹扩展的影响.研究结果表明,表面裂纹扩展受裂纹深度d与试样厚度T影响很大,当d/T≥1/3时,表面裂纹扩展到接近试样端部并穿透到试样的背面,当d/T＜1/3时,其裂纹扩展长度为预制裂纹直径的0.5～1倍时就不再扩展;裂纹倾角和裂纹相对试样尺寸也影响裂纹扩展.     

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

 通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力 及最大周向拉应变 判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。     

岩石类材料裂纹扩展贯通的颗粒流模拟

采用颗粒流软件PFC2D实现含有不同岩桥倾角的预制双裂纹材料在单轴压缩作用下裂纹扩展贯通过程,并利用函数模块追踪裂纹扩展过程和微裂纹数量。数值结果表明:在单轴压缩作用下随着岩桥倾角增大,岩桥区域裂纹贯通模式由张拉型(≤68°)逐渐演化为拉剪复合型(=90°和113°)和剪切型(=135°);试件峰值强度逐渐降低;并认为宏观的次生剪切带主要由张拉型微裂纹和少量剪切型微裂纹组成。利用室内模型试验对数值结果进行验证,结果表明颗粒流程序能够很好地模拟裂纹贯通过程。     

非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析

在拉张外载作用下，应用RFPA^2D程序对端部开切口、内部预制裂纹试样和坚硬颗粒试样进行数值模拟分析，并对不同均质度下岩样的贯通机制和载荷－位移曲线进行分析。结果表明，非均质性存在产生试样的应力分布局部集中和变形局部化，是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通的根源。     

单轴拉伸作用下层状岩石表面裂纹的形成模式及其机制研究

 层状岩石的表面裂纹发端于表面自由边界,而后向着层与层之间的交界面扩展,最后止于交界面或沿着交界面继续扩展。为更深入地理解这一表面裂纹扩展现象的机制,采用数值模拟方法,再现微裂纹从萌生、扩展、贯通、成核、填充到饱和的全过程,以及层间剥离现象。首先以表面预制裂纹的模型为例,对其进行单轴拉伸加载,发现不同预制裂纹间距的情况下两裂纹间的应力分布不同,这将直接影响到新裂纹的产生模式,即裂纹是插入到表层(与已有裂纹平行),还是不再有新裂纹插入(裂纹饱和),而是产生层间剥离,或已有裂纹向下扩展,导致模型破坏。其次,对比分析模型均质和非均质情况下不同裂纹间距时的应力分布,结果表明非均质材料情况下产生相同间距的裂纹所需的荷载较均质材料情况下更小,裂纹饱和对应的裂纹间距与层厚比值的临界值基本一致。最后,提取等间距裂纹形成过程中若干具有代表性的截面应力,通过分析其应力转化机制,解释裂纹饱和现象的力学机制。数值计算得到的应变与裂纹间距之间的关系拟合结果良好。研究结果还表明：产生层间开裂的裂纹间距比没有层间开裂的裂纹间距大。通过对层间的应力传递过程随着裂纹间距变化规律的探讨,研究此过程的应力传递模式。     

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。     

含三维预置单裂纹缺陷岩石破坏试验研究

 开展含三维裂纹缺陷岩石破坏行为的研究,是当今固体力学特别是岩石力学研究的重要课题之一,具有重要的学术和工程意义。基于作者提出的三维预置裂纹缺陷岩石三维破坏研究的试验方法,开展含单个不同角度三维预置裂纹玄武岩试样的破坏研究,试验结果显示：(1) 三维裂纹的方向和裂纹缺陷的大小,对岩石损伤破坏面的形成,对岩块破坏强度有直接影响;(2) 含三维裂隙岩石的屈服值与峰值的比值为0.75～0.82,平均为0.78;残余值与峰值的比值为0.58～0.67,平均为0.63,相对完整岩石屈服值和残余值与峰值的比值,其变化并不明显。     

脆性材料中倾斜裂纹扩展的数值模拟与复合应力效应研究

该研究应用一个材料失效分析模拟软件MFPA^2D，以硼玻璃作为典型的脆性材料，通过对单向拉伸下含不同倾斜角度裂纹玻璃失效情况的数值模拟，重点研究含不同裂纹角的倾斜直通裂纹玻璃试样存单向拉伸下的复合应力效应。研究表明，在这种情况下裂纹尖端存在的三种类型应力：KⅠ，KⅡ及平行应力对裂纹扩展有不同的作用。对于脆性材料的平面应力问题，KⅠ是裂纹扩展的主要因素，KⅡ起辅助作用，平行应力对裂纹扩展有抑制作用。这与传统概念所认为的对于玻璃和陶瓷类脆性材料，断裂完会由Ⅰ型应力强度决定有所不同，对于认识脆性材料的失效机理和断裂预防具有积极意义。     

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。     

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。     

荷载和水压力作用下岩石裂纹贯通过程的数值模拟研究

应用自主开发的数值模拟系统F-RFPA^2D，研究荷载和水压力作用下岩石裂纹和内部缺陷结构相互作用下的贯通过程，内容包括岩石应力应变过程中，不同裂纹扩展阶段的渗透率演化规律，水压力对裂纹扩展模式和峰值强度的影响，岩石内部缺陷结构对裂纹贯通模式的影响等。结果表明，水压力和缺陷结构分布的非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及裂纹贯通机制影响十分明显。     

基于应变局部化的双裂纹岩样贯通模式及强度试验研究

含裂隙岩体在外力作用下,内部裂纹会发生扩展,这会显著影响强度以及损伤特性。基于前期验证可靠的DIC系统,对含双裂纹的类岩石材料进行单轴压缩试验,捕获全过程的应变场演化云图以及岩桥区域应变局部化过程,研究发现:岩样呈现出显著的变形局部化渐进破坏特性;试验初期形成的应变局部化带基本确定了加载全程全局应变场的变化范围与变化趋势;基于试验研究,双裂纹岩样的贯通破坏模式可归总为4类:岩桥不贯通模式、裂纹内尖端贯通模式、裂纹内外尖端贯通模式以及裂纹外尖端贯通模式;岩桥角度及其空间排布在细观上影响了应变场局部化带的演化过程,宏观上决定了裂纹的扩展路径及岩样的破坏模式;岩桥贯通时应变局部化带的融合造成了应力–应变曲线的"峰前波动",使得岩样强度降低,并且融合越慢岩样强度越高。     

非贯通裂隙介质中波传播特性试验研究

 以研究非贯通裂隙对波传播的影响为主要目标,采用类岩石材料模型试件模拟节理裂隙介质,对不同裂隙长度、裂隙厚度、裂隙倾角、裂隙密度、裂隙形态(连续与非连续)的非贯通裂隙试件的声波特性进行超声波试验研究,测试和分析纵波在裂隙介质中的波速变化和振幅衰减规律。以国际大型的岩土工程分析程序FINAL为数值分析平台,进行与模型试验相对应的裂隙介质中的波传播数值仿真分析,对比分析纵波波速和波幅衰减的变化规律。研究结果表明,波速随裂隙长度变化很不明显;波幅的衰减取决于与波传播方向相垂直方向的裂隙水平投影长度,裂隙水平投影长度越大,波幅衰减量越大;随裂隙排数的增加,波幅发生衰减,2排裂隙试件的波幅值约为1排裂隙波幅值的1/2,3排裂隙试样的波幅值约为1排裂隙波幅值的1/3,且随裂隙增加,最大波幅值发生滞后现象。     

爆炸动载荷下裂纹扩展规律的实验研究

 为研究在爆炸动载荷作用下岩石内裂纹的起裂及扩展规律,应用PMMA材料制作带裂纹平板试样,在距离裂纹尖端60 mm的圆周上设置与裂纹成不同角度的炮孔,然后引爆雷管来实验研究裂纹的动态起裂及其扩展规律,系统地研究爆炸应力波入射角对裂纹起裂角和扩展角的影响规律。实验结果表明,入射角为0°时,起裂角为0°,即裂纹沿原裂纹面扩展;当入射角大于15°而小于75°时,在裂纹的两端会产生翼型裂纹,其翼型裂纹的起裂角及扩展长度都与入射角有关;当入射角大于75°时,新生裂纹很小。     

深部裂隙岩体中弹性波传播与衰减规律试验研究

为研究深埋裂隙岩体中弹性波的传播与衰减规律,采用室内模型试验,得到弹性波在深部裂隙岩体中传播时的波速值及首波波幅值随地应力变化的曲线,并对试验过程中弹性波的传播与衰减规律进行分析,对裂隙岩体中弹性波的波速增量、衰减程度与围压、裂隙数量、裂隙分布角度之间的关系进行了探讨和拟合。试验研究结果表明:在三轴压缩试验中,当围压一定而轴向压力增加时,弹性波波速值的变化经历快速增长、缓慢增长、基本稳定、快速降低4个阶段,并在轴向应力达到峰值强度的60%时,波速值迅速下降,因此可判断该点为岩体中裂纹开始扩展的起始点,同样首波波幅值的衰减程度也呈现出类似变化规律;在三轴拉压试验中,当围压一定而轴向拉力增加的过程中,弹性波波速值不断降低,波幅值的衰减程度也是不断增强。围压、裂隙角度、裂隙数量对弹性波的传播速度和衰减程度均产生一定影响,影响程度的敏感性为:裂隙数量围压裂隙角度。     

循环荷载作用下脆性材料剪切性能试验研究

在自制的MTS振动台试验设备上对混凝土、岩石类脆性材料（砂浆材料）进行静力和动力剪切试验,试验结果表明,（1）动力荷载情况下位移-剪力包络线形状同静力荷载情况下曲线破坏形状相似,均可划分为相同的4个阶段;（2）在相同垂直压力作用下试件的动力抗剪强度与静力抗剪强度相比有明显的增大趋势,强度较低的试件强度增加较大;（3）在相同频率情况下,随着垂直压力的增大,峰值剪切强度、残余抗剪强度随之增大;（4）静力荷载情况下其破坏处水平位移要大于动力荷载情况下破坏处的水平位移,其他条件相同时破坏处水平位移值随峰值抗剪强度的增大而增大;（5）剪切过程中有明显的剪胀现象出现。最后根据试件的破坏形状,初步分析混凝土、岩石类脆性材料的动静态剪切特性的机制。