基于数字图像相关技术的岩样破坏实验的应用研究

为了解喀喇昆仑公路（中国段）沿线岩石裂纹演化及受力后的力学性能（位移和应变）,采用数字图像相关技术,对三点弯曲加载条件下的灰白石英粉砂岩和片麻岩试件在万能试验机上进行了破坏实验,得到了外力作用下裂纹生成、扩展等演化过程及两种岩样在加载直至破坏过程中的位移场和平均应变曲线．实验结果表明,在相同条件下,灰白石英粉砂岩比片麻岩更易脆断,片麻岩在受力断裂破坏时出现了多条裂纹,导致试件加剧断裂,研究成果为了解这一地域的岩石强度及破坏规律提供了实验依据．     

温度影响下砂岩的细观破坏及变形场的DSCM表征

通过扫描电镜(SEM)实时在线观察研究了温度影响下砂岩的细观破坏,观察到砂岩的脆性断裂可同时发生在不同地方、不同矿物可能独立承载和裂纹分叉等现象. 温度低于100°C时,主裂纹附近有许多微裂纹和支裂纹发生;而温度超过150°C之后,表面很少出现支裂纹或二次裂纹. 随着温度的升高,砂岩的断裂韧性有先升高后降低的趋势,150°C左右是断裂韧性变化的临界温度. 随着温度的升高,砂岩的细观断裂机制有由脆性机制向延性机制转变的趋势,抵抗和协调变形的能力都得到增强. 细观尺度下砂岩的破坏机制有沿颗粒断裂、穿颗粒断裂及其混合断裂,其中沿颗粒断裂机制占主导地位,这是由于沿颗粒破坏需要消耗较少的能量,而穿颗粒断裂需消耗较多的能量. 利用数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)对SEM下砂岩破坏的细观变形场进行了测量,这表明利用DSCM表征岩石的局部变形场的连续式测量是可行的.      

应力波穿越岩石节理时能量耗散规律的实验研究

采用材料试验机和大尺度激光表面仪对大理岩和花岗岩两种岩石进行三点弯曲和粗糙断裂面的扫描实验,详细地分析了粗糙断裂面的分形特征。通过SHPB实验,研究并提出了波能量耗散与断裂面分形维数的定量关系;分析了分形维数对波能量耗散的影响规律。研究得出以下结论:1)随着粗糙断裂面分形维数的增大,通过断裂面时应力波能耗将相应增加;2)应力波能量主要是以热能和塑性变形能耗散。分形维数越大,比表面积则越大,粗糙表面粒子相互摩擦和挤压程度相应增加,导致波的机械能转化成热能和塑性变形能部分增加,因而波动能量耗散越大。     

细观尺度下岩石热变形破坏的实验研究

利用带扫描电镜的高温疲劳试验机等目前最先进的实验手段,实时观测了在温度和载荷同时作用下岩石在单向压缩和和拉伸中微细观结构的变化、缺陷演化方式和变形破坏过程,针对岩石的热膨胀是不可逆的,即它会受加温历史的影响,加热时和冷却后岩石结构有差异的特点,对岩石在温度载荷作用下的细观结构特征和细观破坏机理进行了较为系统的实验研究。得到了在不同载荷和温度作用下岩石中微裂纹萌生、扩展、断裂破坏等各个阶段清晰的SEM图像和数据。结合实时观测得到的数据和高清晰度图片,分析研究了岩石热细观损伤特性,探讨了载荷和温度的变化对岩石细观结构的影响。     

岩石破碎程度的分形度量

本文用分形几何方法对破碎岩石块度分布进行了统计分析，结果表明，分形维数Ｄ是反映岩石破碎程度恰当的统计特征量，同时指出，分形维数是岩石细观结构、破坏方式及试样形状尺寸等因素的综合反映．     

三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷，得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌，引入分形几何定量计算断口面粗糙度；结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理，分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大；不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化；从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响，对于层理倾角为0°的试样，强度由岩石基质控制，但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响；对于层理倾角为22.5°的试样，强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制；对于层理倾角为45°～67.5°的试样，强度与裂纹走向受层理弱面控制；而对于层理倾角为90°的试样，动态抗压强度受岩石基质的影响较大，在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹，导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

2D C/SiC复合材料细观损伤机制及氧化对其影响的研究

为了观察分析C/SiC陶瓷基复合材料的细观损伤机制,利用划片切割机去除表面涂层,采用扫描电镜和配套的原位加载装置探究其细观损伤机理,以此结合宏观现象对其作出解释。本文以四点弯实验为基础,利用搭建的高温加热系统在不同高温环境下氧化材料。随着氧化的发生,得到C/SiC陶瓷基复合材料细观形貌以及破坏机制的变化规律。随着氧化程度的加强,发现材料基体以及纤维出现不同程度的烧蚀,界面层遭到破坏,弯曲强度逐渐降低。同时纤维的拔出、裂纹的萌生以及扩展方式发生了改变,从而导致不同破坏断口的出现。     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

扫描电镜下断口表面的三维重建及分形维数的测量

基于数字散斑相关方法,利用扫描电镜立体对技术和计算机视觉方法实现了物体表面的三维重建,讨论了影响其精度的原因,并且利用分形理论对表面的三维形貌进行了定量分析,由立方体覆盖法得到了三维形貌的分形维数.作为应用的实例,将该方法应用到岩石断口的三维重建中,得到了重建后的高度云图和分形维数.结果表明,利用扫描电镜立体对技术对断口表面进行三维重构并进行分形维数的计算是一种行之有效的断口定量分析方法.这为研究材料断裂的微观机理、断裂过程和断裂性质等问题提供了一种途径.     

冲击速度和轴向静载对红砂岩破碎及能耗的影响

地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。     

单轴条件下砂岩三维破裂过程的CT观测

岩石破裂过程研究一直是岩石力学专家关注的重要问题。本文采用特制的三轴压力仪与医用西门子SOMATOM -plusCT扫描仪结合 ,对砂岩进行了室内单轴压缩试验。通过对砂岩的CT图像和密度损伤增量与应力关系曲线分析 ,结果显示 ,砂岩的破裂演化过程可分为初始损伤的压密、裂纹出现—扩展、裂纹归并—分岔、裂纹重分岔—扩展以及裂纹惯通—宏观破坏等五个阶段。在初始损伤的压密阶段 ,砂岩的密度损伤增量为正值 ,速率也为正 ;在裂纹出现—扩展阶段 ,砂岩出现局部密度损伤增量减小 ,并随应力增加而由正值转为负值 ,速率也由正变负 ;在裂纹归并—分岔阶段 ,砂岩的密度损伤增量全为负值 ,速率也变快 ;在裂纹重分岔—扩展阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,但速率变慢 ;在裂纹惯通—宏观破坏阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,速率变的更快。     

铝-铝爆炸焊接界面剪切行为与断口形貌关系研究

为了研究爆炸焊接界面的剪切损伤行为,本文对铝-铝复合材料开展剪切试验,并基于分形理论对试件剪切断口界面进行表征,尝试建立界面剪切强度与断口轮廓分维值及其多重分形谱关系。结果表明,焊接界面剪切强度随加载速率升高而降低,异于通常金属剪切行为;但从断口形貌及其轮廓分形维可认识界面剪切强度变化原因。此外,多重分形谱起点与终点间的高度差和跨度差值反映了界面的峰、谷落差及分布特征,是界面形貌特征的立体反映,并在数值上也与剪切强度正相关。     

高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展的分形描述

在对局部高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展规律的研究中发现,裂纹并非是由一条主裂纹循序渐进地发展,而是随着循环次数的增加,呈多条短裂纹陆续出现,弥散式发展的趋势;纤维掺量越大,临近破坏前试表面裂纹越密集、弯曲、本阐述了用分形语言描述表面裂纹演化的必要性并且探讨了描述方法,借助分形语言对试验结果分析后发现,纤维混凝土裂纹失稳扩展前的临界分维值Dc随着纤维掺量的增加而增加。     

A Study on the Evaluation of the Fracture Process Zone in CCNBD Rock Samples

The safety of many civil and mining concrete and rock structures including pre-existing crack networks is fundamentally affected by the mechanical behaviour of the material under static and cyclic loading. In cyclic loading case, cracks can grow at a lower load level compared to the monotonic case. This phenomenon is called fatigue due to subcritical crack propagation and depends on the behaviour of the fracture process zone (FPZ). This study presents the results of laboratory diametrical compression tests performed on Brisbane tuff disc specimens to investigate their mode-I (tensile) fracture toughness response to static and cyclic loading and relevant FPZ. The FPZ and fracture toughness response to cyclic loading was found to be different from that under static loading in terms of the ultimate load and the damage mechanisms in front of the chevron crack. A maximum reduction of the static fracture toughness (K _IC ) of 42 % was obtained for the highest amplitude increasing cyclic loading test. Detailed scanning electron microscope (SEM) examinations were performed on the surfaces of the tips of the chevron notch cracks, revealing that both loading methods cause FPZ development in the CCNBD specimens. When compared with monotonic FPZ development, the main difference with the cyclically loaded specimens was that intergranular cracks were formed due to particle breakage under cyclic loading, while smooth and bright cracks along cleavage planes were formed under static loading. Further, the SEM images showed that fatigue damage in Brisbane tuff is strongly influenced by the failure of the matrix because of both intergranular and transgranular subcritical fracturing.     

Fractal characteristics of rocks fractured under tension

Fractal geometry can be useful for explaining the fracture behavior and rock properties. The fractal properties of rock fracture surface developed under tension were examined. Seven different rock samples were selected for the tests. An automated surface scanning device was used to map the fractured surfaces. Variogram analysis (VA) (for 1D self-affine sets) and power spectral density (PSD) measurement (for 2D self-affine sets) were applied to calculate the fractal dimension. On a comparative basis, there exists a trend between the fractal dimension and loading rate. The profiles in the loading direction yield higher fractal dimensions indicating the anisotropic feature of fractal. The fractal dimensions obtained by PSD and VA display a relationship for grain size and porosity. Higher porosity samples give different fractal dimensions for upper and lower fractures surfaces.     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

局部高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展实验研究

在混凝土弯曲构件底部用高密度钢纤维局部增强称为局部高密度钢纤维混凝土（PHPFRC）,与同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土（SFRC）比较,它可以用近似的价格获得高得多的力学性能,本文对PHPFRC缺口试件在循环载下的裂纹扩展规律进行了研究,发现裂纹并非是由一条主裂纹循序渐进地发展,而是随着循环次数的增加,呈多条短裂纹陆续出现,弥散式发展的趋势,说明在高密度纤维的增强下,混凝土的疲劳断裂由脆性向专心性转变,根据实验及分析结果得出了两种纤维掺量下PHPFRC度件的Paris参数,并且用一个分维值D的变化描述了裂纹的演经过程,发现裂纹失稳扩展前的临界分维值D随着纤维掺量的增加而增加。