岩石类准脆材料的起裂韧度与加载率关系的物理机理研究

基于岩石类准脆性材料的力学特性和动态裂纹尖端的应力场解析解,利用摩尔强度准则计算出了裂纹尖端断裂过程区的形状及尺寸,确定了岩石类材料动态裂纹尖端的断裂过程区面积和裂纹扩展速度之间的关系.进而利用尺寸效应公式,推导出了岩石的起裂韧度和加载率之间的关系.结果表明,岩石类材料裂纹尖端的断裂过程区的面积随着裂纹的扩展速度的提高而增大,从而推导出岩石的起裂韧度随着加载率的增大而提高.计算的岩石的起裂韧度对于加载率的依赖关系与实验结果基本定性吻合,说明理论模型的合理性.模型计算结果和实验结果有一定差距的原因,认为是模型没有考虑变形破坏的黏性效应所致,将在今后的研究中考虑黏性效应.     

岩石动态断裂过程的能量分析

能量转化在岩石变形破坏中起着根本作用,分析岩石在动态加载过程中的能量组成有助于把握岩石变形破坏的本质特征。针对动态破坏能量分析尤其是动能分析研究较少的现状,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对带预制裂纹的半圆盘三点弯试样进行动态加载,并结合高速摄像机等设备,对大理岩在动态作用下的断裂能和动能进行定量研究。研究结果表明:随着加载率的增大,大理岩的断裂能和动能都随之增大;试件破碎的断裂能和加载率近似呈幂律关系,显示出较强的率依赖性,破碎块体的动能与平均加载率近似呈对数关系,增长相对较慢;随着加载率的增大,动能占试件吸收总能量的比例减少,但仍不能忽略动能的影响。     

岩石动态断裂性能的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应研究

目前对Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应的物理本质还没有解释清楚.利用霍普金森压杆系统(SHPB)对一种带预制裂纹的半巴西圆盘岩石试件进行加载,对比不同试件尺寸和不同应变率情况下试件的起裂韧度,探究岩石材料动态Ⅱ型尺寸效应和应变率效应的规律.结果表明:岩石起始断裂韧度随着加载速度的增大,近似呈线性增大,表现出明显的应变率效应;在相同的加载速度情况下,岩石的起始断裂韧度随着试件的尺寸增大而增加,且岩石断裂韧度的尺寸效应会随着应变率的增加而增强,即更高的加载速度会使得Ⅱ型能量型尺寸效应更明显.     

冲击载荷下岩石试件破碎耗能的尺寸效应研究

能量转化在岩石变形破坏过程中发挥根本性的作用,研究并建立岩石破坏过程中能量消耗的变化规律,将有助于理解动载作用下岩石强度变化和变形破坏的本质特征.采用SHPB装置对不同直径的半巴西圆盘试样进行动态加载实验,从冲击因子的角度对岩石动态破坏的能量消耗、强度特征以及动态尺寸效应进行分析.实验结果表明:当试件尺寸一定时,岩石破碎时吸收能、起裂韧度和断裂能密度均随冲击因子的增加而线性增加;当冲击因子一定时,随试件尺寸的增大,吸收能、起裂韧度和断裂能密度均增大,具有明显的尺寸效应.采用冲击因子表示岩石的变形破坏具有更好的工程适用性.     

岩石类材料变形破坏的时间空间特性

基于岩石类材料的内部构造层次模型和裂纹扩展速度的有限性,研究了岩石类材料变形破坏的时间和空间特性.研究表明,内部构造和和裂纹扩展速度的有限性对于岩石类材料的力学行为具有决定性的影响.岩石类材料强度的尺寸效应是不同尺度上单元界面强度的体现.岩石类材料强度的应变率效应是由于裂纹扩展速度的有限性所致超载所激活的小尺度单元界面的强度.基于Maxwell型应力松弛模型,建立了应变率与所激活的内部单元尺度之间的关系.基于这一关系,阐明了岩石类材料尺寸效应与应变率效应之间的内在联系.揭示了岩石类材料动力尺寸效应的物理机理,确定了应变率一定时,静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的临界试件尺寸,以及试件尺寸一定时静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的临界转换应变率,结果与实验数据吻合,说明了模型的正确性.