III型裂纹断裂韧性测试及数值分析

设计测试岩石III型断裂韧性的试件及装置，测得比较稳定的花岗岩及大理石的III型断裂韧度。同时，也实测铸铁和低碳钢的III型断裂韧性，并对两类材料测试结果进行比较。通过断裂力学及有限元技术对试件III型裂纹应力场进行分析，得出裂纹尖端应力场第一主应力与剪应力的比值 随裂纹深度d 的变化关系。从而揭示随裂纹深度d的增加，III型裂纹破裂面将由螺旋面向直剪面变化的原因。     

岩石Ⅱ型裂纹初裂及后继破坏机理研究

计算了多种四点剪切Ⅱ型裂纹试件的全场应力，并同时进行了实验研究。通过对这些试件的计算结果与实验结果的比较分析，较好地揭示了这些Ⅱ型裂纹试件初裂、后继破坏以及“剪切核”的形成机理，避免了目前仅用Ⅱ型裂纹奇异应力场给分析带来的误差及局限。     

不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究

按照国际岩石力学学会试验规范以及工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99),对不同赋存深度的玄武岩试件分别进行动态断裂韧性测试和单轴拉伸强度测试,得到动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在一定的关系;并从岩石破坏的力学机制角度,分析动态断裂韧性与拉伸强度之间存在联系的根本原因:两者均是由于岩石内部微裂纹受到拉应力作用而引起微裂纹的扩展、互相贯通,从而导致岩石的破坏。根据动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在的关系,可以由拉伸强度的测试结果推测试件的动态断裂韧性值,将大大简化动态断裂韧性测试的繁琐性。     

岩石II型裂纹初裂及后继破坏机理研究

计算了多种四点剪切Ⅱ型裂纹试件的全场应力，并同时进行了实验研究。通过对这些试件的计算结果与实验结果的比较分析，较好地揭示了这些Ⅱ型裂纹试件初裂、后继破坏以及“剪切核”的形成机理，避免了目前仅用Ⅱ型裂纹奇异应力场给分析带来的误差及局限。     

曲线形裂纹尖端对双悬臂梁试件断裂韧性的影响

为研究不均匀分布特性对I型断裂行为的影响,以玻璃纤维增强复材(GFRP)双悬臂梁(DCB)试件为研究对象,开展断裂韧性试验及相应的数值仿真分析。研究结果表明:DCB试件的裂纹长度偏差lv与能量释放率不均匀分布系数β均随裂纹长度的增加而发生改变;利用规范中三种经典梁模型确定传统DCB试件I型断裂韧性时,需计入lv与β的影响。     

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。     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件，对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究，试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征，这表明它们的损伤断裂过程的不同机制，对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样，还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂，其破坏具有不同于其他试件的特征，破坏之前有相当长一段时间，声发射也较为活跃，且增幅越来越大，破坏时出现最高峰值，破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半，这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性，对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响。     

岩石压剪断裂的模型试验研究

本文通过含中心斜裂纹砂浆试件的单轴压缩模型试验，测试并分析了裂纹扩展过程中的声发射特性和裂纹面相对位移。试验表明：岩石类脆性材料的压剪断裂破坏机理与拉剪断裂有本质的区别，裂纹面相对位移随轴压荷载的变化曲线与裂纹扩展过程中的声发射曲线具有一定的同步性，反映出中心斜裂纹压剪断裂的阶段性，以及裂纹的几何尺寸、分布规律和裂纹面物理力学性质对岩石压剪断裂的影响。     

反平面剪切(Ⅲ型)加载下脆性岩石的断口分析

采用反平面冲剪和反平面剪切盒实验研究反平面剪切（Ⅲ型）加载下脆性岩石断裂特征。反平面冲剪试样的断裂轨迹是一空间螺旋面，断口微观特征表现为沿晶断裂，晶体大部分有3个陡峭的台阶面，晶面出现较多的河流状和鱼骨状张拉条纹，试件破坏以张拉断裂（Ⅰ型）为主。反平面压剪试样的断裂轨迹基本上沿原裂纹面，断口微观特征表现为穿晶断裂，晶面上多而密的平行线条纹和较多的岩屑表现出强烈的剪切破坏特征，试件破坏以剪切断裂（Ⅲ型）为主。增加侧压可抑制裂纹尖端的拉应力，导致岩石产生沿原裂纹面扩展的反平面剪切（Ⅲ型）断裂。反平面压剪实验是实现岩石Ⅲ型断裂和测定岩石Ⅲ型断裂韧度KⅢc的一种有效实验方法。     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。     

层理性页岩断裂韧性的加载速率效应试验研究

为探究不同加载速率对层理性页岩的I型断裂韧性影响规律,对3种类型的页岩试件(Crack-arrester型、Crack-splitter型、Crack-divider型)进行三点弯曲的断裂韧性试验。结果表明:(1)页岩的I型断裂韧性随加载速率的变化规律为正相关关系,即随着加载速率增加,I型断裂韧性逐渐增大。加载速率对岩石断裂韧性的影响主要是岩石内部损伤发展和演化的作用时间。(2)层理方向对页岩的I型断裂韧性有一定影响,相同基质的层状岩石,由于其层理引起的结构方向上的差异,会造成抵抗断裂能力的不同。(3)Crack-divider型的断裂韧性最大,Crack-splitter型的断裂韧性最小,Crack-arrester型的断裂韧性居于前两者之间。主要是由于页岩层理面胶结程度好,基质体完整且强度较高。(4)对于层理面胶结程度与基质体完整性较好的页岩,其Crack-splitter型与Cracksplitter型的I型断裂韧性相差较小。(5)层理方向对岩石I型断裂韧性大小的影响与其UCS值测试相应证,可以用垂直层理和平行层理的UCS值相对大小来评估Crack-arrester型和Crack-divider型的I型断裂韧性的相对大小。     

实时低温对干燥和饱和状态花岗岩Ⅰ型断裂韧性的影响

研究岩石在低温下的断裂韧性对评估硐穴式液化天然气地下储库结构的稳定性具有十分重要的意义。采用半圆弯曲SCB法研究了实时低温(-60,-40,-20,0,25℃)对干燥和饱和状态花岗岩I型断裂韧性的影响，并通过扫描电子显微镜对试样微裂纹进行分析。试验结果表明：干燥和饱和状态花岗岩的断裂韧性都随温度的降低而增大。0℃以下，饱和状态的断裂韧性明显大于干燥状态。干燥试样的初始压密段随着温度的降低而减小，峰值位移没有明显变化。饱和试样的初始压密段和峰值位移都随温度的降低而增大。-60℃时，花岗岩内部的微裂纹明显增多，导致断裂韧性增长变缓。     

关于加气混凝土断裂行为的研究

在本研究中对加气混凝土梁在不同初始裂纹相对长度、不同高度以及不同体积比例等情况下的断裂韧性、断裂能以及载荷-裂纹口张开位移-裂纹尖端张开位移-裂纹尖端前沿区若干测点张开位移全曲线进行了系统研究。结果表明，加气混凝土是断裂敏感的，断裂韧性值不决定干初始裂纹长度，对于大尺寸试件，所测断裂能和断裂韧性值符合方程KIC^2=EGF，已成为有效值。     

非连续断层破裂红外辐射与声发射、应力场的对比研究

应用RFPA^2D程序模拟雁列和共线非连通两种非连续断层的应力场和声发射场，并与相同条件下的热红外辐射成像试验进行对比，分析非连续断层的温度场与应力场及声发射场之间的关系。研究结果表明：数值试验的声发射与实际试验中的热红外辐射温度具有类似的时序变化阶段和空间演化特征。通过对热红外图像与应力场的比较以及对裂纹破裂模式的分析，讨论试件各裂纹表现出的红外辐射特征差异，以进一步了解非连续断层的破裂过程和破裂机制。     

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。     

忻州窑烟煤Ⅰ型和Ⅱ型断裂特性的半圆弯曲试验对比研究

为研究切缝深度和层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂特性的影响差异,采用半圆弯曲测试法对SCB煤样开展3种切缝深度和5种层理角度下的Ⅰ,Ⅱ型断裂测试,分析切缝深度与层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷、断裂韧度及裂纹扩展路径的影响规律;并对煤样加载过程中的声发射信号进行实时监测,获取煤样变形破坏过程中的微裂纹损伤演化及宏观破坏特征。研究表明:测试煤样的Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度均大于Ⅰ型断裂峰值载荷与断裂韧度,且KⅡC/KⅠC=1.02;煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷随无量纲切缝深度a的增加逐级降低,断裂韧度K_(ⅠC)和K_(ⅡC)均随a的增加先增大后减小。Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度随层理角度的增加均先减小后增大,呈"对勾"型分布;煤的Ⅰ型断裂裂纹扩展路径近似为直线,而Ⅱ型断裂裂纹扩展路径为曲线。层理对Ⅱ型断裂裂纹扩展路径影响较大,层理角度为22.5°,45°和90°时,裂纹出现沿层理面扩展的现象;煤样的Ⅰ,Ⅱ型断裂破坏过程分为压密、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展3个阶段。总体表现为拉伸裂纹主导的拉剪复合型断裂,拉伸微裂纹最先发育,之后拉剪复合型微裂纹急剧扩展,并最终造成试样的宏观失稳破坏。     

含预制裂隙黑色页岩裂纹扩展过程及宏观破坏模式巴西劈裂试验研究

为研究在层理和预制裂隙共同作用下黑色页岩的断裂特性及破断机制,对含预制裂隙的圆盘试件进行巴西劈裂试验,并利用高速照相机和声发射监测装置对试件的破坏过程进行监测。结果表明:预制裂隙会削弱试件的强度,随层理和预制裂隙角度的变化,试件的强度会表现出显著的差异性。层理角度和预制裂隙角度会影响试件起裂点的位置和裂纹尖端起裂角的大小,当预制裂隙角度较小时,试件的起裂点会偏离预制裂隙尖端,裂纹沿试件中部或层理面扩展;随预制裂隙角度增大,试件起裂点逐渐转移至预制裂隙尖端,裂纹由预制裂隙尖端向应力加载方向扩展,且层理角度对裂纹起裂角的影响随预制裂隙角度增大而逐渐减弱。根据试件的裂纹形态和形成机制,可将含预制裂纹试件的破坏模式划分为5种类型,其声发射计数的时间分布特征可以划分为2种类型。同时,结合数值模拟和理论分析结果可以看出,黑色页岩表现出一定的横观各向同性特征,其层理效应随层理角度增大而增强,随预制裂隙角度增大而减弱;且最大切向应力准则可以作为预制裂隙起裂的判据。     

构造应力面研究

所定义的构造应力面的概念为三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面．为此，对似U形沟谷按不同沟谷宽度、山体坡度和山体高度建立三维模型，分别考虑重力、水平侧压力以及二者联合进行三维应力场有限元数值模拟，分析最大水平主压应力在空间的变化规律，并进行数学统计分析，给出构造应力面深度随上述因素变化的经验公式。研究结果表明水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素，当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度之比等于1时，在沟谷谷底，构造应力面深度近似等于山体高度。     

岩石节理剪切力学行为的颗粒流数值模拟

 利用颗粒流程序生成岩石节理直剪试验数值模型,进行不同法向应力作用下节理直剪试验的颗粒流数值模拟,研究节理的宏细观剪切力学行为,以及不同法向应力作用下微裂纹的发育及演化规律。结果表明：模型试件在直接剪切过程中表现出类似于真实节理的宏观力学行为,试件的抗剪强度和剪切峰值剪胀角对法向应力的依存关系体现出与JRC-JCS模型预测结果良好的一致性;模型试件主要在节理面两侧的微凸体附近产生接触压力集中现象。法向应力越大,接触压力集中区越多,集中程度越高;随法向应力不断增大,试件内微裂纹的发育速度逐步提高,剪切裂纹发育数目在微裂纹总数中所占的比例逐步增大,但仍远少于张性裂纹;节理面上接触压力的分布特征与模型试件内微裂纹的发育规律一致;节理在外荷载作用下的剪切破坏是节理面上微裂纹汇集贯通的结果,“压致拉”效应在此过程中起主导作用。