冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究

为了研究冲击荷载作用下页岩的断裂特性及层理对裂纹扩展行为的影响规律,基于实验–数值法,采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)加载系统分别对0°,30°,45°,60°及90°层理倾角的页岩侧开单裂纹三角孔板构型试件(single cleavage triangle,SCT)进行动态冲击实验,并借助AUTODYN有限差分软件采用复合层状岩石模型对裂纹扩展过程进行数值模拟。实验结果表明,层理对裂纹扩展方向及试件破坏形态影响显著。裂纹的扩展速度与加载速率整体上呈正相关关系,加载速率较低的情况下裂纹停滞现象容易发生。沿层理面开裂是页岩等层状类岩石主要的破坏形式,但是次生裂纹的起点并不完全随机,实验发现裂纹扩展速度减缓处是次生裂纹起萌的高发区域。     

白云岩动力学特性及破坏模式试验研究

为分析矿山深部岩石动力学特性及细观裂纹萌生、扩展以及相互贯通的破坏机制,使用改进的霍普金森试验设备,对白云岩进行常规单轴冲击试验,从应力-应变、强度、能量分布方面探讨了矿岩的动态力学性质,并借助高速摄影设备对白云岩试件的冲击破坏形态及模式进行细观描述。试验得到:白云岩试件动态强度随加载应变率从41.5 s^-1增大到112.5 s^-1,动态抗压强度峰值从104.53 MPa提高到208.6 MPa,且强度峰值出现的时间越来越早;单位体积吸收能随应变率提高呈线性增加关系,破碎块体尺寸随单位体积吸收能的增大而减小;高速摄影细观分析显示,冲击应变率越大,试件完全破坏的发生时间越早,破坏越严重,试件主要破裂面的形成方向与冲击方向一致,属于沿轴方向冲击荷载作用下的拉伸破坏。     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

花岗岩动态压缩力学特性研究

由于岩石材料动态破坏的复杂性,理论分析和实验研究都还很不充分,岩石的动力特性越来越受到重视。本文采用霍普金森压杆对花岗岩圆柱试样进行了动态压缩试验,建立了加载速率与花岗岩冲击破坏时的弹性应变能、结构破坏能及岩石破坏形态之间的关系。试验结果表明:甘肃地区弹模在17~21 GPa的花岗岩在瞬时加载条件下,强度随着加载速率的增加而提高;动态压缩强度平均强度为240 MPa,动态模量为31.5 GPa;应变率的变化范围在81~210 s^-1,动态压缩强度随着应变率的增加有明显增大的趋势;当冲击速度增加时,岩石破坏后释放的能量显著增长,应变率越大,岩石破碎块越小。该试验结果能够评价动态荷载作用下花岗岩的强度参数,为类似区域的工程设计与施工提供依据。     

冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验

采用数字激光动态焦散线试验系统,利用落锤冲击含预制裂纹(倾斜角度分别为0°,30°,45°)的缺陷介质,研究裂纹扩展的动态行为.结果表明:冲击荷载下,裂纹会于预制裂纹一端起裂,扩展至整个试件,且扩展路径指向重锤落点;主裂纹尖端的动态应力强度因子振荡增大又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂;次裂纹起裂前,KId振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小;主裂纹起裂后,速度迅速减小;次裂纹扩展速度先增大后振荡减小,与KId的变化趋势保持一致;含缺陷的冲击断裂试验中,主裂纹起裂时间较晚.     

层理煤岩动态破坏能量变化规律及损伤特征

利用Φ50 mm霍普金森压杆试验系统,对平行、垂直两种层理煤岩展开单轴冲击压缩试验,探讨不同应变率下层理煤岩动态破坏的能量变化规律和损伤演化特性,并引入裂纹扩展系数K分析其能量耗散全过程,以期更好地为层理煤岩开采破碎、灾害防治提供参考。研究表明:层理煤岩应变率效应明显,且存在特征界限响应应变率;随着应变率的增大,层理效应对煤岩力学特性参数及能量变化规律影响呈减弱趋势。垂直层理方向加载能够较大地抑制能量吸收与裂纹扩展,沿层理面方向加载可以有效提升煤岩破碎效果。基于能量耗散理论定义的损伤变量随时间呈S型增长,抗压强度对应的损伤变量随应变率呈线性减小,且平行层理煤岩减小速率较垂直层理煤岩大。     

弯曲荷载下钢板贯穿开裂局部应力特征

通过建立弯曲荷载作用下的平板贯穿裂纹有限元模型,模拟实桥桥面板贯穿开裂时的受力状态,进行最不利情况下的应力分析。提取应力、应力强度因子与J积分,研究钢板贯穿开裂时沿裂纹表面与板厚方向的局部应力特征,求解开裂角,研究钢板厚度对裂纹应力特征及裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹尖端应力集中与应力突变现象明显,裂纹尖端存在应力辐射区;裂纹面受拉区面积增大,裂纹扩展加速,裂纹以张开型裂纹为主,弯曲荷载下贯穿裂纹扩展存在开裂角;钢板厚度越小,裂纹尖端应力集中现象越明显,裂纹越易扩展。     

预压脆性岩石动态宏细观力学模型研究

预压应力脆性岩石动力特性研究,对深部地下工程围岩变形评价有重要实践意义。细观裂纹扩展严重影响预压脆性岩石动态力学行为。基于细观裂纹扩展与应力关系模型、裂纹速率与动态断裂韧度模型、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与应变关系模型,提出了一种考虑预压轴向应力及围压的脆性岩石承受动态荷载作用下的宏细观力学模型。其中裂纹速率与应变率关系模型是通过对应变相关的裂纹长度求解时间导数获得。应变率与应变关系模型描述了预压岩石动态荷载导致的应变率随应变演化曲线。研究了不同预压轴向应力及应变率影响下的脆性岩石应力-应变关系曲线,并利用试验结果验证了模型的合理性。讨论了围压、初始裂纹尺寸、初始裂纹角度、及初始裂纹摩擦系数对预压应力岩石的动态应力应变关系、预压裂纹长度、预压轴向应变、及动态峰值强度的影响。主要研究结果:预压应力越小、围压越大、初始裂纹面尺寸越小或初始裂纹摩擦系数越大,则预压轴向应变及裂纹长度越小,且预压岩石动态强度越大。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

爆炸荷载下岩石I型微裂纹动态扩展研究

 基于低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗方法,以断裂动力学为基础,采用ABAQUS内嵌哑节点数值模块及编写的气楔型荷载程序,对爆炸冲击波荷载下岩石I型微裂纹动态起始扩展和爆生气体的动态作用效果进行数值研究,以期得到优化的加载方式使得岩层整体渗透性得到提升。研究结果表明：(1) 较长的冲击波上升沿持续时间可激活岩石中更多的I型微裂纹动态起始扩展;(2) 冲击波峰值压力越大,裂纹尖端动态能量释放率越大,反之越小,过大或过小的冲击波峰值压力均不利于岩石I型微裂纹的动态起始扩展和爆炸能的充分利用;(3) 对比爆生气体准静态与动态2种分析方法产生的结果,发现动态计算结果对于裂纹的持续扩展更加有利,同时也能更加合理地解释裂纹运动失稳现象。最后基于上述研究总结对爆炸荷载下深层岩体动态破裂过程的新认识。     

混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程的CT试验研究

对静力、动力拉伸荷载条件下混凝土的细观破损过程进行了CT试验研究,获得了试样内部裂纹萌生、扩展、贯通的全过程CT图像。通过对CT图像及图像兴趣区中整体统计区域、局部统计区域CT数均值的分析,研究了混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程。结果表明:静力拉伸荷载条件下,裂纹在界面的薄弱区域形成后逐渐往相邻的薄弱部位扩展,两个统计区域CT数均值呈降低趋势,试样破坏时伴有少量骨料被拉断的现象;动力拉伸荷载条件下,裂纹从界面薄弱区域形成后追随最快的路径扩展,局部统计区域CT数均值呈下降趋势,而整体统计区域CT数均值变化幅度较小,破坏后骨料沿界面脱离砂浆粘结,且试样破裂面更为平整;由于加载速率的提高,骨料被拉断的现象非常显著。     

混凝土特性数值方法研究及CT试验

建立三维混凝土数值模型,确定了三维“数字混凝土”数值试验的加载方法及强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土强度特性、受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。得出可以用位移控制的数值试验的应力应变曲线的极值点作为数字混凝土的强度点;混凝土强度主要受界面和砂浆强度控制;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从骨料尖角处相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,说明混凝土的静态裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于试样的破坏面积,破坏面积越大强度越高。     

油井爆生气体对岩石劈裂作用机制探索

油井爆生气体对岩石劈裂作用过程，是裂缝面对动态荷载响应并使其发生动态扩展的过程。为描述裂缝动态扩展过程，在气体劈裂过程各能量平衡关系式中，引入动能增量。而动能增量可由量纲分析法推导的能反映裂缝扩展速度和加载率影响的计算公式表示。在离散时间域内，特定气体劈裂作用下，能量方程迭代求解可得到裂缝扩展速度及裂缝扩展长度。由算例分析可知，虽然气体升压变缓时裂尖动态响应对裂缝扩展影响有减弱的趋势，但在气体压力升压较缓情况下，裂尖动态响应对裂缝扩展结果影响仍然很显著。     

高温作用后混凝土动态压缩力学性能的试验研究

采用φ100 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验装置,分别对常温和经历200、400、600、800℃高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验,分析了高温和应变率对混凝土动态压缩力学性能的影响,并对其关系进行了拟合。结果表明:经历不同温度作用后的混凝土动态抗压强度、峰值应变以及比能量吸收都表现出较强的应变率效应。高温对混凝土动态力学性能影响显著,400℃是混凝土各项力学指标发生转折的温度:动态抗压强度、比能量吸收在400℃时回升至与常温接近,在400℃后又迅速下降;峰值应变在400℃以后增加明显,并随着应变率的提高而迅速增加。混凝土经400℃以上高温作用后,虽然强度损失严重,但在冲击荷载作用下,尤其是在较高应变率下,仍表现出良好的抗冲击韧性。     

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failure mode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably.     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failuremode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably. __________ Translated from Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(3): 385–390 [译自: 岩土工程学报]