层理对煤岩动态裂纹扩展分形特征的影响

对于煤岩类材料在不同应变速率下的裂纹扩展行为研究为采矿工程实践提供了重要的理论参考,然而该类研究难度较大。为了研究含层理结构各向异性煤样在冲击载荷下的裂纹扩展行为及发育机制,采用霍普金森加载装置对直切槽半圆形煤样进行冲击条件下的断裂特性测试,并采用高速摄像机对冲击过程中裂纹扩展发育特征进行拍摄。利用Matlab和Image J等图像处理软件,进一步分析了层理和加载速率对煤中动态裂纹扩展分形特征的影响。研究表明:层理结构对煤中动态裂纹扩展路径及速度均具有重要影响,45°层理煤样分形裂纹扩展速度最大,而层理倾角为0°煤样的分形裂纹扩展速度最小;层理倾角对裂纹扩展路径的分形维数也具有显著影响,45°时煤样中裂纹扩展路径分维值最大,其次为层理角度22.5°和67.5°,0°和90°最小;同一裂纹的速度峰值和加速度峰值交替出现,且加速度峰值出现在速度峰值之前,裂纹扩展的驱动力可由加速度指标间接表示。考虑瞬时效应和分形特征的若干煤样裂纹扩展速度测试值与瑞利波速接近,且22.5°,45.0°和67.5°层理角度的煤样测试时易出现最高峰值。该试验结果与先前理论假设相吻合,因此获取含结构面煤岩类材料动态裂纹扩展速度时应当充分考虑其分形效应和瞬时特征。研究成果有助于进一步理解掌握含结构面煤岩体受动载扰动下的裂纹扩展分形特征及裂纹速度演变规律。     

用SHPB径向冲击边裂纹平台圆环(ECFR)的动态断裂实验

为了研究岩石的Ⅰ型动态断裂韧度测试方法,用大直径(100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)对边裂纹平台圆环(edge cracked flattened ring,ECFR)砂岩试样进行径向冲击实验。分别用普通应变片和高精度裂纹扩展计2种测试元件监测试样起裂时刻和测定裂纹传播速度,比较了它们的准确性和合理性。用实验-数值结合普适函数分析测定了砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度,初步探讨了动态加载率影响动态起裂韧度的原因,以及裂纹扩展速度对动态扩展韧度的影响,对ECFR试样裂纹扩展路径弯折现象也进行了理论分析。研究结果表明：裂纹扩展计测定比应变片更为灵敏、准确、合理。加载率在(0.74~4.48)×104 MPa·m1/2/s范围内动态起裂韧度随动态加载率的增大而增大,裂纹扩展速度在(0.24~0.34) cR范围内动态扩展韧度随裂纹扩展速度的增大而提高。     

冲击倾向性煤体的三点弯曲动态断裂实验

采用三点弯曲冲击断裂实验装置和分布式多火花高速摄影系统对冲击倾向性煤体内裂纹扩展过程进行了观测，分析了裂纹扩展速度、动态裂纹扩展摸式和裂纹扩展的非稳定性.研究发现：冲击倾向性煤体内裂纹扩展具有高度的非线性特征；煤体的非均质性和不连续性对动态裂纹扩展模式和裂纹扩展速度有较大影响.实验结果解释了由放炮等震动诱发冲击地压灾害的滞后突发机理.     

不同距离应变片测定Ⅰ型动态应力强度因子对比试验研究

基于线弹性断裂力学理论,采用应变片法开展了冲击动荷载作用下的三点弯曲试验,探讨距扩展裂纹不同距离的应变片测定Ⅰ型应力强度因子的差异。当应变片与扩展裂纹成特定锐角和钝角时,采用与裂纹扩展速度和应变片的位置相关的二项式表征裂纹尖端附近应变场,并结合理论解析和试验实测的应变与裂纹扩展时间曲线,推导得到了应力强度因子计算公式。同时,采用动焦散线试验对比分析应变片法测定的动态应力强度因子值。结果表明,应变片在裂纹尖端附近合理区域内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好;明确了不同距离对测定Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响,随着应变片粘贴距离变大,测定的动态应力强度因子值与动焦散线法相差增大。研究结果为进一步应用应变片法研究岩石类材料的断裂性能提供了试验基础。     

含瓦斯煤岩剪切破断过程中裂纹演化及其分形特征

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展了含瓦斯煤岩细观剪切试验,研究了煤岩剪切破断面裂纹的开裂扩展演化规律,并基于分形理论,分析了剪切破断面裂纹分布的分形特征。研究结果表明：含瓦斯煤岩剪切破断面裂纹的演化过程经历了5个阶段,即裂纹起裂、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展、剪切破断及裂纹摩擦阶段;含瓦斯煤岩剪切破断不同阶段的裂纹分布符合分形特征,且随着剪切应力水平的提高,含瓦斯煤岩剪切面裂纹分布的分形维数呈现上升趋势,通过剪切面裂纹的分形维数可定量描述含瓦斯煤岩随剪切应力状态变化的裂纹演化特征。     

正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。     

钢筋混凝土梁断裂裂纹扩展路径的分形研究

借助于钢筋混凝土梁四点弯曲试验,基于前人研究的基础上,采用分形、断裂损伤力学理论对钢筋混凝土梁损伤开裂及裂纹扩展路径进行了定量分析及描述。由研究表明,分形几何很好地把混凝土构件裂缝与损伤断裂能联系起来,混凝土材料的脆性断裂裂纹演化可以用构件表面裂缝的分形维数来表征,并提出混凝土裂纹的锯齿形分形扩展模型。     

中低速冲击下Ⅰ型裂纹的动态断裂韧度研究

起裂韧度和扩展韧度是分别用来判别裂纹起裂和扩展的两个重要材料参数,为了探索在中低速冲击荷载下岩石的起裂韧度和扩展韧度的测试方法,选择砂岩单裂纹半圆孔板试样以中低速落锤试验机进行了冲击,并利用裂纹扩展计和应变片测试裂纹的起裂时间及裂纹扩展速度。使用AUTODYN有限差分软件,裂纹软化模型及线性状态方程建立了相应的数值计算模型,结合实验-数值法确定预制裂纹的起裂韧度和扩展韧度,结果表明:动态冲击载荷下裂纹扩展速度不是一个常数;对于隆昌青砂岩,其动态扩展韧度与裂纹扩展速度成反比关系,扩展速度越大,扩展韧度越小;材料扩展韧度不是一个独立的材料参数,而是一个与裂纹扩展速度有关的参数。     

中低速冲击下I型裂纹的动态断裂韧度研究

起裂韧度和扩展韧度是分别用来判别裂纹起裂和扩展的两个重要材料参数,为了探索在中低速冲击荷载下岩石的起裂韧度和扩展韧度的测试方法,选择砂岩单裂纹半圆孔板试样以中低速落锤试验机进行了冲击,并利用裂纹扩展计和应变片测试裂纹的起裂时间及裂纹扩展速度。使用AUTODYN有限差分软件,裂纹软化模型及线性状态方程建立了相应的数值计算模型,结合实验-数值法确定预制裂纹的起裂韧度和扩展韧度,结果表明:动态冲击载荷下裂纹扩展速度不是一个常数;对于隆昌青砂岩,其动态扩展韧度与裂纹扩展速度成反比关系,扩展速度越大,扩展韧度越小;材料扩展韧度不是一个独立的材料参数,而是一个与裂纹扩展速度有关的参数。     

切槽孔掏槽爆破机理动态焦散线实验研究

为研究切槽孔掏槽爆破爆生裂纹起裂、扩展及其与空孔相互作用机理,采用数字激光动态焦散线实验系统,对比分析了切槽孔与普通孔掏槽爆破裂纹扩展速度及动态应力强度因子的变化规律。实验结果表明：与普通孔相比,切槽孔掏槽爆破主裂纹在起裂阶段,应力强度因子出现最大值;扩展阶段,裂纹近似匀速稳定扩展,应力强度因子波动范围较小,整体数值较大;与空孔相遇阶段,3条主裂纹相互贯通,相应地产生3条次生裂纹,并与主裂纹相向运动,提高了各自的扩展速度和应力强度因子。空孔处破碎较严重,其补偿空间得到充分利用,有利于提高掏槽效率。