采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

压剪条件下预埋椭圆裂纹三维扩展实验研究

试制出两种不同性质的脆性类岩石材料：透明的低温树脂材料和非透明的砂浆类材料。实验研究了这两种材料内置椭圆形裂隙的三维始裂、扩展过程及其破裂过程中声发射信号特征,并采用三维断裂理论确定了内部裂纹的三维始裂状态。实验结果表明,在单轴压缩荷载作用下,两种材料中内置裂隙初期破裂面形态基本一致,均为一对反对称的包裹状翼裂纹,但初始起裂位置有所不同。透明树脂试样中,初始的新生裂纹几乎在预制裂纹长轴端部附近同时起裂,但起裂点并不在裂隙长轴端部,而在砂浆类材料内的起裂位置则靠近短轴端部,亦不在短轴端部。相同条件下,两种材料的最终破裂状态明显不同,透明树脂试样是以宏观劈拉破裂为主,而砂浆类试样则以宏观剪切破裂为主,这可能与材料性质和三维裂隙的起裂位置不同有关。三维断裂分析结果与实验结果一致。二维简化模型仅为三维模型的主法平面上的特征解,无法反映出III型断裂模式在三维裂隙的起裂和扩展中的作用。三维断裂机制分析应加强对III型断裂模式及其相关的复合模式的深入分析。     

含预制裂缝大理岩试样单轴压缩实验研究

采用RMT-150B岩石力学伺服试验机对含预制裂缝的大理岩试样进行单轴压缩试验,分析了预制裂缝参数(裂缝倾角α=15°、30°、45°、60°、75°和裂缝位置l=25mm、 37.5mm、 50mm)对大理岩强度和破坏特性的影响。结果表明,应力-应变曲线随着预制裂缝倾角的增加,逐渐接近完整试样,受裂缝位置因素的影响相对较小;试样的峰值强度随预制裂缝倾角的增大,先小幅度增加,后发生减小,再剧烈增加,预制裂缝倾角很大程度地影响试样的破坏形式,并造成试样的强度差异;预制裂缝的扩展方向为偏离预制裂缝断面法线方向20°～90°范围;相比预制裂缝的位置因素,预制裂缝的倾角因素对岩石特性的影响更加显著。     

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律. 随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.      

岩石劈裂破坏过程的计算模拟

岩体的破坏主要是岩体中裂纹的扩展与贯通的结果.受压岩体的裂纹尖端,可能处于压剪状态,也可能处于拉剪状态.从断裂力学的角度,研究了地下工程围岩中的裂纹在各种受力条件下(包括拉剪、压剪两种情况)的起裂、扩展及贯通以至最终形成劈裂裂缝的特征及各个阶段的判据.针对压剪断裂,裂纹之间存在有粘结力与摩擦强度的特征,提出了岩石压剪断裂性判据.最后以受压岩体中的斜裂纹扩展过程分析为例,模拟了岩体中裂纹逐渐发展成劈裂破坏的过程,并说明了各个阶段的计算方法.     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

含预制裂纹L形梁柱试件动态断裂过程

针对含预制裂纹L形梁柱试件,为研究预制裂纹动态扩展的力学特征及其对梁柱试件破坏模式的影响,采用数字动态焦散线实验系统,对距节点核心区不同距离l处含有预制裂纹的试件进行落锤冲击实验,得到预制裂纹的扩展轨迹、速度、动态应力强度因子的变化规律。结果表明,l值增大,扩展裂纹在梁下边缘的贯通点与预制裂纹的夹角逐渐增大,曲裂程度变大。裂纹扩展速度随着l的增大振荡性增强,裂纹扩展平均速度逐渐降低。l值为2 mm时,裂尖表现为Ⅰ型断裂,l值增大,裂尖受到剪应力作用增强,Ⅰ型动态应力强度因子减小,Ⅱ型动态应力强度因子增大,断裂逐渐转变为Ⅰ-Ⅱ复合型。     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

动载荷作用下裂隙岩体的止裂机理分析

为深层次了解裂隙岩体在动载荷作用下的动态断裂特性及止裂机理,采用TWSRC（tunnel with single radial crack）构型进行中低速冲击实验,选择砂岩作为原材料制作裂隙岩体试样,以落锤冲击试验装置与裂纹扩展计实验系统对裂纹的动态起裂、扩展及止裂过程进行全过程监测,重点研究动态破裂过程的破裂行为及止裂现象。使用有限差分法程序进行数值模拟,验证冲击实验结果的科学性与准确性。研究发现:裂隙岩体的动态断裂过程是由起裂加速-高速扩展-缓慢减速-止裂-再次起裂加速-再次高速扩展等多次循环的过程构成,且止裂区间尺寸为微秒量级;裂隙岩体止裂位置的穿晶断裂比例远小于初始起裂点,青砂岩动态断裂过程的穿晶断裂比例稍大于黑砂岩;裂隙岩体中止裂点再次起裂所需的能量,远小于预制裂纹初始起裂所需要的能量。     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

压缩载荷作用下岩石类材料的断裂模式研究

为了解岩石类材料在压缩条件下的裂纹扩展规律,本文对含有内部倾斜裂纹的石膏板试件进行了双轴压缩实验. 研究表明:在通常情况下岩石裂纹按I 型张拉模式扩展,但随着裂纹表面摩擦系数μ和围压与纵向荷载比值λ的提高,翼裂纹扩展的偏转角随之减少.当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值足够大时,例如,μ=0.83和λ=0.315,岩石裂纹按Ⅱ型剪切模式扩展.然而,当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值进一步增加时,石膏板试件将发生强度破坏.本文提出了一个理论模型用以解释和描述这一实验现象.     

冲击加载下巷道内裂纹的扩展特性及破坏行为

为了开展含预制裂纹的巷道模型试样在冲击载荷下的动态断裂响应实验,选用青砂岩作为模型材料制作巷道模型试样,以可调速落锤冲击实验机作为冲击加载装置进行试样的动态断裂实验,分析冲击载荷作用下的巷道内裂纹的扩展规律。采用裂纹扩展计及应变片测试系统监测裂纹的起裂时间、扩展速度及止裂时间,并借助于AUTODYN、ABAQUS有限元数值分析软件对实验模型进行数值模拟,计算裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度等断裂参数。结果表明:巷道内裂纹在扩展路径过程中存在着明显的止裂现象;采用实验-数值方法能够较好地得出裂纹的起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度等参数。另外,对止裂现象进行了初步的分析,讨论了试样内应力反射波与透射波对止裂问题的影响。     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

两共面预制裂纹试样应力场特征与破坏模式研究

破坏模式决定着裂隙岩体的基本力学性质,通过对比分析典型两条共面裂纹的节理裂隙岩体试样的模型试验、模拟试验结果,系统地研究了预制裂纹倾角、侧压以及裂纹面摩擦系数等因素对试样应力场、破坏模式以及峰值强度的影响;进一步解释了不同裂隙分布条件下张拉次生裂纹、剪切次生裂纹的起裂、发展以及贯通路径与机理,系统地总结了两条共面裂纹试样贯通模式的演化规律。结果表明:随预制裂纹倾角从0°增大到90°,两共面裂纹试样第一主应力最大值呈现先增大而后减小的规律,倾角较小或较大时试样最大拉应力相对较小,而倾角为20°～70°时试样最大拉应力较大且45°～65°间达到最大;剪应力极值线绕预制裂纹尖端旋转,次生剪切裂纹起裂部位、发展方向均发生变化,接近0°和90°时试样内部最大剪应力值最小,倾角为20°～70°时试样最大剪应力相对较大且30°时剪应力达到最大;裂纹倾角较小时试样破坏路径由两预制裂纹中的一条与其次生裂纹贯通形成破坏路径,倾角较大时破坏路径通过两条预制裂纹以及其次生裂纹贯通形成;试样峰值强度变化曲线呈浅底"V"字形,倾角为0°、90°时峰值强度大体相同,倾角为45°时峰值强度达到最小且约为0°时峰值强度的40%～50%。     

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

不同方位裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为研究裂隙岩体爆炸动载荷作用下裂纹扩展规律,实验采用有机玻璃模型,以炮孔和裂隙相对位置为变量,通过单发雷管加载模型进行相似物理实验。结果表明,当预制裂隙右端圆弧顶点到炮孔中心连线与模型中间穿过炮孔中心的横虚线的夹角θ为0°和90°时,爆生裂纹数量相对较多,45°时爆生裂纹数量最少,但平均长度最长;每组模型总裂纹平均长度在裂隙右端半圆弧顶点到炮孔中心距离L为40mm时达到最大值;0°组各模型最长裂纹均分布在炮孔右侧,而45°和90°组则多分布于炮孔下侧;固定区域内爆生裂纹密度大多小于不定区域内裂纹密度;所有模型预制裂隙两端都能形成翼裂纹,同组模型同端扩展路径相似;L为20~30mm时两端翼裂纹扩展方向一致,L为40~60mm时两端翼裂纹扩展方向多相反;爆生裂纹扩展机制随角度θ变化而有所不同。研究结果可为裂隙岩体爆破设计及爆破参数优化等提供理论依据。     

含不同倾角单裂隙类岩石单轴强度及蠕变速率的研究

为了研究裂隙类岩石材料在单轴压缩和蠕变条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过预埋铁片的方法制作出含不同倾角的单裂隙类岩石试件,建立贯通裂隙类岩石单轴压缩强度模型,分析破坏形式。研究表明,预制裂隙倾角对类岩石试件峰值强度的影响显著,裂纹倾角越小,单轴抗压强度越低,即倾角为0°时单轴抗压强度为6.98MPa,90°时为10.85MPa,呈单调递增的趋势。建立裂隙面模型,分析类岩石试件的破坏形式,大致为两类:一类是通过预制裂隙拉剪破坏;另一类是通过裂隙的拉伸破坏。蠕变速率随着裂隙倾角的增大先增大后减小,在90°时的蠕变速率最低,在30°时蠕变速率最高。