加载速率对岩石动态断裂韧度影响的实验研究

为了获得岩石在高加载速率作用下的动态断裂韧度值并分析加载速率的影响,由分离式霍普金森压杆入射杆杆端附加劈尖及其基座对边切槽圆盘试样施加动态劈裂载荷。把应变片粘贴在裂纹尖端附近获得裂纹扩展时间;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元计算模型,获得试样的起裂动态断裂韧度值。结果表明,在加载速率18.85×104MPa.m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度值随着加载速率的增大而上升,但上升趋势逐渐减弱。断裂韧度数值在高加载速率下呈现出明显的离散性。     

花岗岩材料在动态压应力作用下力学特性的实验和模型研究

 博士学位论文摘要　岩石材料动态力学特性是评价岩石结构在爆炸以及地震载荷作用下稳定性的重要参数, 是国防和民用防护工程研究的基本资料, 具有重要的学术价值和应用价值。对花岗岩材料在动态压应力(单轴和三轴) 作用下的力学特性进行了较系统的实验和理论研究。首先通过实验研究了花岗岩材料的动态断裂特性以及在单轴和三轴动态压应力作用下的强度以及变形特性。结果表明, 花岗岩的动态断裂韧度随加载速率的增加以及加载时间的减小而增加。在单轴情况下, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化很小。在三轴情况下, 花岗岩的抗压强度也随应变速率的增加而增加, 强度的增加幅度随围压的增加有减小的趋势, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化不大; 花岗岩的杭压强度随围压的增加明显增加, 在不同的应变速率下具有相同的趋势, 花岗岩的杨氏模量以及泊松比随围压的增加有小幅度的增加趋势。在实验研究的基础上, 应用滑移型裂纹模型对花岗岩材料在压缩应力作用下的力学特性进行了理论研究。在单轴情况下, 采用一组与轴向应力平行的滑移型裂纹系列模拟岩石材料的劈裂破坏模式同时考虑裂纹间的相互作用。根据裂纹的动态扩展准则以及能量平衡理论, 得到了不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系, 这些理论结果与实验结果符合得非常好。本部分的研究还表明, 在动载荷作用下, 裂纹的扩展速率以及岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性导致岩石材料的单轴抗压强度随应变速率的增加而增加。当应变速率为10- 4～ 100S- 1范围时, 裂纹的扩展速率对岩石材料的破坏影响可以忽略, 岩石材料的抗压强度随应变速率的增加仅仅由于岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性造成。在三轴情况下, 用一组与轴向应力成一定夹角的滑移裂纹系列模拟岩石材料的剪切破坏模式, 并根据虚拟力方法得到了该裂纹系列的应力强度因子表达式。根据动态裂纹扩展准则以及能量平衡理论, 也得到了不同围压以及不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度以及应力应变关系随应变速率的变化规律与实验结果符合得比较好。模型结果还表明, 由模型得到的强度以及应力应变曲线随围压的变化规律在较低围压时(小于110M Pa) 与实验结果符合得比较好。本项研究在实验研究的基础上, 创新性地从研究岩石内部固有的微裂纹在动载荷作用下的扩展聚合特性入手, 结合细观力学以及动态断裂力学的相关理论, 揭示了花岗岩的率相关特性机理, 初步建立了岩石材料宏观动态力学特性与岩石内部固有的裂纹动态扩展特性的关系以及岩石材料强度与应变速率的关系和率相关的岩石材料本构模型, 构筑了系统研究岩石材料率相关特性的基本框架。     

各向异性脆性材料动态断裂的实验研究

通过引入了正交各向异性动态裂纹尖端应力场,结合焦散线方法理论,得到正交各向异性材料的应力强度因子和裂纹长度随时间的变化以及材料的动态断裂韧度。通过选用经过压缩变形后呈现明显的各向异性的聚碳酸酯(PC),研究了不同压缩变形处理下PC材料的动态断裂性能,验证实验方法的可靠性。实验结果表明,对于相同压缩变形的试件,沿着塑性压缩方向的断裂韧度大于垂直于塑性压缩方向的各向同性面内的断裂韧度;随着压缩变形的增加,材料断裂韧度增强。该方法适用于非透明材料,可以推广到各向异性岩石等脆性材料的动态断裂问题研究。     

岩石断裂韧度的物理性状效应

<正> 岩石的平面断裂韧度K_IC是断裂分析的重要参数,是衡量岩石抵抗断裂破坏能力的指标,它与岩石材料的物理性状有关。 本文简述了经不同条件处理后的岩石试样,在一般实验室条件下测定其断裂韧度的方法及成果。探讨了部分岩石材料的断裂韧度的物理性状效应,即岩石断裂韧度随烘干温度的变化、随湿度的变化和随岩石材料本身的弹性及强度的变化规律。这些规律对工程实践和研究岩石材料的断裂破坏的本质是有价值的。     

层理对煤岩动态断裂及能量耗散规律影响的试验研究

为研究动态荷载条件下加载率及层理倾角对煤样断裂韧度及能量耗散特征的影响,采用直切槽半圆弯拉法和霍普金森加载装置对煤样开展动态断裂韧性测试。分析不同层理倾角煤样动态断裂韧度的率响应特征;并通过对比不同冲击速度和层理倾角煤样的入射能、吸收能、断裂能和残余动能,得出冲击荷载下不同层理倾角煤样动态断裂过程的能量耗散规律。研究表明:冲击荷载下直切槽半圆弯拉煤样以拉伸破坏为主,且裂纹贯穿后的2个碎片均为匀速转动;煤样动态断裂韧度为准静态断裂韧度的3.52~8.64倍,动态断裂韧度随冲击速度的增大而不断增加,但煤样中层理倾角对动态断裂韧度的影响随冲击速度的增加逐渐减弱;煤样动态断裂能随冲击速度的增大而不断增加,但断裂过程能量耗散率随冲击速度的增大而不断减小。     

INSTRON试验机高速加载试验控制软件开发

本文介绍了最近为INSTRON 电液伺服控制试验机所开发的高速加载试验控制软件DTest的功能及其所攻克的主要技术难关,并通过岩石动态断裂韧度试验的实例,说明了经开发的INSTRON高级试验机是在中等应变速率加载范围内进行高速加载试验的理想工具。     

用SCDC试样测试岩石动态断裂韧度的新方法

 利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆对大尺寸(150 mm×80 mm)压缩单裂纹圆孔板(SCDC)试样冲击加载,采用实验–数值–解析法测定了青砂岩的I型动态起裂韧度和动态扩展韧度。试样的起裂时刻和裂纹扩展速度由黏贴在裂尖附近的裂纹扩展计确定,通过对比发现,裂纹扩展计的准确性和灵敏性都比黏贴在同一试样对应位置的普通应变片更好。实验–数值–解析法根据实验数据获取试样两端的加载历程,利用有限元数值计算和普适函数的半解析修正,综合考虑材料惯性效应和裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响,较准静态方法更适于采用大尺寸试样确定岩石动态断裂韧度。实验–数值–解析法所确定的高加载率和高裂纹扩展速度下砂岩的动态断裂韧度值分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。最后,通过对SCDC试样裂纹扩展路径上应变片的断裂时间分析,确定了利用SCDC试样实现动态止裂的可能性。     

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。     

动力扰动下预静载硬岩断裂的增韧和减韧效应

为了研究预静载条件下硬岩受动力扰动的断裂特性变化规律,采用大理岩制作中心直裂纹半圆盘(semicircular bend,SCB)三点弯曲试样,在MTS Landmark电液伺服试验机上,进行预静载下的循环加卸载和不同扰动频率的岩石断裂韧度测试试验,发现硬岩断裂的增韧和减韧效应。在获得岩石静载断裂载荷的基础上,设定预静载上限为常规静载断裂载荷值的90%,首先进行循环加卸载试验,循环加载次数分别为5,10,20,40,80,100和167次;然后进行不同扰动频率下预静载岩石的断裂韧度测试试验,采用半正弦波动力扰动加载方式,波动幅值为10%静载断裂载荷值,加载频率分别为1,10,20和30 Hz。研究结果发现:(1)随着循环次数的增加,SCB试样断裂韧度显著增加(循环40次为最高点,增加幅度为常规断裂韧度的19%),然后逐渐减小并收敛于定值(大约循环80次数后趋于收敛,最后的增加幅度为常规断裂韧度的11%),整体趋势具有增韧效应;(2)在动力扰动条件下,岩石断裂韧度值较常规条件下有较大幅度减小(1 Hz频率下减小幅度为常规断裂韧度的9%),并且随着扰动频率的增加,岩石断裂韧度呈线性减小的趋势,整体趋势具有减韧效应。因此,在预静载为常规静载断裂载荷值90%条件下,循环加卸载只会增加岩石的断裂难度,高频扰动却有利于岩石的断裂破坏。上述研究规律为深部硬岩非爆破连续开采提供了一定的理论启示。针对深部高应力硬岩,采用诱导方式适当增加应力集中程度使围岩进入临界破坏阶段,进而开发具有高频振动加载的破岩机械进行采掘,可以在一定程度上提高高应力围岩的破岩效率。     

不同加载率下水饱和砂岩的力学特性研究

为揭示水和加载率对岩石力学性质的共同作用效应,利用分离式霍普金森压杆试验系统对干燥和饱水砂岩进行一系列动态压缩、劈裂及断裂试验。试验结果表明,在静态加载条件下,岩石饱水后其强度和断裂韧度均会发生不同程度的降低;在动态加载条件下,岩石的强度和断裂韧度随着加载率的增加而升高,且相较于干燥试样,饱和岩石表现出更高的率相关性。在较高加载率下,岩石内部的自由水可产生惯性效应、弯液面效应以及黏性作用,阻碍裂纹的产生和扩张。特别地,当加载率超过1 290 GPa/s后,饱和试样的压缩强度甚至可以超过干燥试样。     

钢桥面铺装用环氧沥青混合料低温断裂性能

测试了钢桥面铺装用环氧沥青结合料-30～20℃的动态热机械性能(DMA),并用扫描电镜(SEM)观察了拉伸试件的断口;采用单边切口小梁试件进行了-20,-10,0,10℃的混合料断裂性能试验.结果表明:交联度为58.4%,67.3%,71.4%,75.3%的4种环氧沥青混合料断裂韧度随着温度的提高而降低,断裂能随着温度提高而增大;高交联度混合料的断裂韧度和断裂能变化幅度小,低交联度混合料的断裂韧度和断裂能变化幅度大.4种交联度环氧沥青混合料的断裂韧度、断裂能与结合料动态模量或交联度、温度具有较好相关性.断口扫描电镜照片表明,低交联度的环氧沥青交联网络撕裂后会形成凹凸不平的表面,有利于受力时吸收更多的能量,从而使体系具有更大的抗开裂能力.     

Dynamic cracked chevron notched Brazilian disc method for measuring rock fracture parameters

The cracked chevron notch Brazilian disc (CCNBD) method is widely used in characterizing rock fracture toughness. We explore here the possibility of extending the CCNBD method to dynamic rock fracture testing. In dynamic rock fractures, relevant fracture parameters are the initiation fracture toughness, the fracture energy, the fracture propagation toughness, and the fracture velocity. The dynamic load is applied with a split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. A strain gauge is mounted on the sample surface near the notch tip to detect the fracture-induced strain release, and a laser gap gauge (LGG) is used to monitor the crack surface opening distance (CSOD) during the test. With dynamic force balance achieved in the tests, the stable–unstable transition of the crack propagation crack is observed and the initiation fracture toughness is obtained from the peak load. The dynamic fracture initiation toughness values obtained for the chosen rock (Laurentian granite) using this method are consistent with those measured using other methods. The dynamic fracture initiation toughness is in the range 2.5–4.6 MPa m^1/2 and the propagation fracture toughness is in the range 7.1–10.6 MPa m^1/2, which is consistently larger than the initiation toughness.     

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。     

低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分析与讨论

青藏铁路等低温地区铁路的建设与维护,对钢轨钢材的低温冷脆性能与低温下服役的安全性研究提出了迫切的要求。本文采用三点弯曲试样,对我国铁路建设中两种常用的钢轨钢材U71Mn和U75V,在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃五个温度点下进行了断裂韧度KIC的评定试验。通过试验数据计算得到了上述两种钢轨钢材在不同温度下的CTOD与J积分值,结果表明,钢轨钢材的δC和JIC值随温度的降低而减小。并对两种钢轨钢材在低温下的断裂韧度进行了系统分析和总结,为工程设计中两种钢轨的断裂韧度取值提供了借鉴数据。     

中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响

 为了考察圆盘试件不同中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响,采用直径80 mm含有不同中心圆孔孔径的圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在Hopkinson压杆系统上进行径向冲击试验,获得岩石的动态断裂韧度。结果表明,当中心圆孔孔径与圆盘直径之比r0/R∈(0.10,0.30)时,岩石动态断裂韧度的平均值为4.57 MPa•m1/2,测试值受中心圆孔孔径变化的影响并不明显。试件的断裂模式有一定差异,当圆孔孔径较小时,在主裂纹扩展的过程中萌生较多的次生裂纹;随着孔径的增大,次生裂纹减少,试件呈现更加明显的宏观拉贯通破坏。对于推广中心圆孔裂缝平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的方法,以及掌握岩石受到动态冲击时的破坏特性具有重要的意义。     

高温后页岩轻骨料混凝土断裂特性

为研究页岩轻骨料混凝土Ⅰ型断裂性能随温度的变化规律,对页岩轻骨料混凝土试件进行100,200,300,400 ℃加热处理,自然冷却至常温。采用三点弯曲梁法对15个缝高比为0.4的轻骨料混凝土小梁进行断裂试验,依据荷载-跨中挠度曲线计算断裂能及断裂韧度。结果表明:起裂韧度与失稳韧度均随温度升高先上升后下降,起裂韧度的转折点在200 ℃左右,失稳韧度的转折点在300 ℃左右; 黏聚韧度呈现下降—上升—下降的趋势,其随温度变化规律与起裂韧度、失稳韧度存在较大的关联性,当温度为300 ℃时裂尖端的黏聚力阻止裂缝扩展的能力最为显著; 断裂能呈现出基本不变—增大—减小的3个变化阶段,当温度为200 ℃左右时断裂能达到最大值,断裂能随温度变化规律的拟合曲线上升段为二次抛物线,下降段为直线; 在所研究的温度范围内,页岩轻骨料混凝土的断裂性能受高温影响较为显著; 所得结论为高温状态下轻骨料混凝土结构裂缝扩展研究和结构设计提供了试验依据。     

采用中心圆孔裂缝平台圆盘确定岩石的动态断裂韧度

由于带有预制裂缝岩石试件的难于制作以及动态研究的复杂性,岩石动态断裂韧度在研究方法上一直也没有统一的标准,有必要对其测试方法进行研究。采用大理岩制作了一种含有中心圆孔预制裂缝宽度小于1mm的平台圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行了动态冲击试验,并采用实验-数值方法,确定其动态断裂韧度。该方法基于一维应力波理论,采用Hopkinson弹性压杆上应变片获得作用在试件两端面的动态载荷P(t),输入此载荷,利用动态有限元法求得试样内动态应力强度因子KI(t)随时间的变化历程,对应于试件上应变片测得的起裂时间tf的动态应力强度因子KI(tf)即为材料的动态起裂断裂韧度KId。     

滑移型裂纹模型在研究岩石动态单轴抗压强度中的应用

 基于滑移型裂纹模型, 研究了花岗岩在应变速率为10 - 4～100 s - 1的单轴抗压强度与应变速率的关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 模型结果与实验结果吻合较好。在动荷载作用下, 裂纹的扩展速率和岩石断裂韧度的率相关特性, 导致岩石的动态抗压强度随应变速率的增加而增加。     

Effects of high temperatures on dynamic rock fracture

The dynamic fracture toughness of Fangshan gabbro and Fangshan marble subjected to high temperature was measured by means of the split Hopkinson pressure bar (SHPB) system. The specimens for measuring the fracture toughness were manufactured according to the requirements for the Short Rod (SR) specimen suggested by ISRM. Two cases were investigated: (1) the SR specimens of the gabbro and marble were fractured at high temperature (100–330°C), and (2) the specimens of the rocks were first pre-heat-treated at 200°C for the marble and 600°C for the gabbro, and then fractured at room temperature. The experimental results showed that under dynamic loading the fracture toughness of both the gabbro and the marble tested in the above-mentioned cases increased with increasing loading rates. The relationship between the fracture toughness and the loading rates in the two cases is similar to that obtained in the room temperature environment, i.e., without high temperature. (This is defined as the third case.) It can be concluded that temperature variation affects the dynamic fracture toughness of the two rocks to a limited extent within the temperature ranges tested. This is different from the results obtained under the static loading condition. Furthermore, by means of the scanning electronic microscope (SEM), the vertical sections of the fracture surfaces for some gabbro specimens were examined. In addition, the fractal dimensions of the fracture surfaces of some specimens were measured by means of fractal geometry. The results showed that under dynamic loading: (1) macro-crack branching near the fracture surfaces was universal; (2) the fractal dimensions increased with increasing loading rates; (3) in the sections of the specimens tested at high temperature there were many micro-cracks that were probably induced by thermal cracking. On the basis of the above macro- and micro-experimental investigation, an energy analysis of the process of dynamic rock fracture was performed. The results showed that the energy utilisation in dynamic fracture was much lower than that in static fracture.     

极地低温环境下混凝土断裂性能试验研究

为研究寒区和极地低温环境下混凝土结构的抗裂性能,设计了36个试件,对其进行了三点弯曲梁断裂试验,分析了20~-80 ℃温度区间内混凝土双K断裂韧度、断裂能和特征长度等关键断裂参数。结果表明：低温环境下,混凝土粗骨料和砂浆界面强度有所提高,横截面上有更多粗骨料发生断裂破坏;随着温度的降低,混凝土梁开裂荷载及峰值荷载有所提高,荷载-位移曲线斜率变大;混凝土断裂性能在低温环境下明显增强,其起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能均随温度的降低得到提高;低温环境下混凝土脆性变大,特征长度随温度的降低而减小。对低温作用下混凝土断裂能的增强规律进行定量分析,拓展CEB-FIP MC2010混凝土断裂能计算模型的适用范围。基于低温环境下立方体抗压和劈裂抗拉试验结果,分别提出了混凝土断裂能计算模型。