原岩应力对裂纹动态断裂行为的影响规律研究

深地岩体赋存于高原岩应力环境,常常受到动力扰动。为了研究原岩应力对裂纹动态断裂行为的影响,使用侧向加压设备赋予岩石初始应力以模拟原岩应力,利用中低速落锤冲击设备实施冲击实验。在冲击实验中使用裂纹扩展计(CPG)获取裂纹起裂时刻和裂纹扩展速度,同时使用AUTODYN有限差分法软件和ABAQUS有限元软件实施数值模拟研究。实验和数值模拟结果显示,垂直于裂纹面的原岩应力改变了裂纹起裂时间、裂纹扩展速度和裂纹扩展长度,但是对临界动态应力强度因子没有影响。垂直于裂纹面的原岩应力使得裂纹起裂时间出现滞后现象,并且原岩应力越大裂纹扩展速度越低,裂纹扩展长度越短。     

裂纹非一致起裂对动态断裂韧度确定的影响

为了考察中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件直裂缝非一致性起裂对测试岩石动态断裂韧度带来的影响,在霍普金森压杆冲击系统上对圆盘试件进行冲击试验,获得了端部加载载荷和裂纹前缘不同点的起裂时刻,并借助ANSYS动态有限元分析得到了圆盘试件三维裂纹前缘不同点的动态应力强度因子时间历程曲线,采用实验—数值方法计算得到相应的动态断裂韧度值。结果表明:裂纹前缘点对应动态应力强度因子值沿厚度方向逐渐递增;二维分析方法得到的动态应力强度因子与三维分析方法裂纹前缘中心处的值最为接近,两者的相对误差小于5%,对应确定的动态断裂韧度值相对误差小于1.2%。如果不考虑圆盘厚度影响,假设试件在圆盘表面起裂,由裂纹前缘其它点所求得的动态断裂韧度值与二维方法得到的值相对误差最大可以达到23%,采用二维简化方法存在较大的误差。     

面层与基层层间摩擦系数对应力强度因子影响的研究

开裂为沥青混凝土路面中存在的主要问题。基于线弹性断裂力学理论,采用ABAQUS软件中的平面应变单元法,分别分析了变温作用下裂缝的长度、面层与基层层间摩擦系数态对含表面裂缝和含反射沥青混凝土路面的应力强度因子分布规律的影响。得出了含表面裂缝和反射裂缝路面体的应力强度因子均随着裂缝长度的增加逐渐增大。表面裂缝裂尖位于面层中时,应力强度因子随着摩擦系数的增加而逐渐减小;裂尖位于基层中时,应力强度因子随着摩擦系数的增加而逐渐增大。反射裂缝裂尖位于基层中时,应力强度因子随着摩擦系数的增加而减小;反射裂缝裂尖位于面层中且长度小于某一值时,应力强度因子随着摩擦系数的增加而增大;反射裂缝裂尖位于面层中且裂缝长度大于某一值时,应力强度因子随着摩擦系数的增加而减小。     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

基于有限元法的双边切槽根部裂纹应力强度因子研究

以裂纹区域和破坏结构的断裂参数(应力强度因子)作为判断裂纹是否进入失稳状态的主要依据,使用有限元软件ANSYS分别对不同尺寸的圆弧形和角形切槽根部裂纹问题进行分析,确定裂纹尖端应力强度因子的变化特征.分析结果表明:同一裂纹长度,角形切槽的应力强度因子大于圆弧形的,同时角形切槽裂纹尖端应力集中现象比圆弧形更严重;圆弧形切槽尖端的应力强度因子随着裂纹尺寸变化的速度比角形的快;裂纹长度在0～4 mm变化时,2种切槽应力强度因子有明显变化;当裂纹长度大于4 mm时,2种切槽应力强度因子随着裂纹长度变化的幅度逐渐减小,最终趋于平稳并重合.     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

T应力对岩石材料裂纹尖端起裂特性的影响

传统最大周向应力理论只考虑奇异应力项,而忽略非奇异应力项,这导致脆性材料在分析裂纹尖端起裂特性时,理论分析的结果与实验结果不能完全吻合。基于此,本文通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),建立了修正的裂纹尖端起裂准则,重新分析了裂纹尖端的起裂特性。研究结果表明:(1)当裂纹发生纯I型断裂,T应力超过临界点时,裂纹起裂角发生偏转,裂纹更容易起裂;(2)当裂纹发生纯II型断裂时,随着T应力的增加,裂纹起裂角增大,裂纹更容易起裂;(3)Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂特性有重要的影响,本文理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。     

冲击载荷作用下双裂纹材料断裂实验研究

采用透射式焦散线实验系统,进行了预置双裂纹有机玻璃试件在冲击载荷作用下的断裂实验,并与单裂纹材料进行比较,结果表明,应力强度因子与冲击能量、试件形状、裂纹的分布位置以及几何尺寸有关;应力强度因子在裂纹扩展前后呈现波动变化特征;Ⅰ型载荷为主要加载方式;与单裂纹试件相比,应力强度因子值有不同程度的降低。     

含缺陷PMMA介质的定向断裂控制爆破试验研究

 以PMMA为试验材料,采用新型数字激光动态焦散线方法试验系统,从试验角度将裂纹缺陷和空孔缺陷纳入同一研究体系,进一步研究缺陷对定向断裂控制爆破裂纹扩展的影响。结果表明,缺陷形态对爆生主裂纹扩展长度的影响并不明显。爆生主裂纹的扩展分为2个阶段,I阶段(0～120 μs)：爆生主裂纹的扩展速度和尖端动态应力强度因子均迅速减小;II阶段(120 μs～止裂)：从缺陷处反射的应力波对裂纹尖端的作用效应逐渐明显,加强了裂纹尖端的能量积聚和应力集中,使得速度和动态应力强度因子均有较大程度的跃升;随着试件缺陷两侧曲率的增加,II阶段的爆生主裂纹速度峰值和动态应力强度因子峰值均逐渐减小。     

氯氧镁水泥钢筋混凝土通电锈蚀的断裂性能分析

为了得到氯氧镁水泥钢筋混凝土开裂时的临界锈胀力,基于断裂力学研究了氯氧镁水泥钢筋混凝土在通电锈蚀试验下的断裂性能.根据Glinka-Shen权函数法,利用已知参考荷载下的裂纹尖端应力强度因子,得到孔边单裂纹方形板的权函数;然后推导出孔边单裂纹方形板的裂纹尖端应力强度因子计算公式;最后,由混凝土断裂准则给出通电锈蚀下混凝土开裂时临界锈胀力的计算公式及变化规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂纹尖端应力强度因子增加,临界锈胀力减小;随着钢筋直径的增加,裂纹尖端应力强度因子减小.     

基于最小应变能密度因子断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

建立了考虑裂纹尖端非奇异项T应力的最小应变能密度因子断裂准则,研究了不同裂纹类型条件下T应力和泊松比对起裂角的影响,结果表明裂纹起裂角不仅与奇异项应力强度因子有关,而且还需要考虑非奇异项T应力和泊松比的影响作用.同时计算了含井筒对称双裂纹水力压裂模型的起裂角和临界水压,表明依据本文断裂准则计算得到理论解与实验结果吻合良好.在此基础上,利用该准则从理论上分析了临界裂纹区尺寸、T应力、比奥系数、侧压系数、泊松比等因素对水力压裂裂纹起裂特性的影响.参数分析表明:临界裂纹区尺寸、T应力和侧压系数对临界水压和临界起裂角有显著影响.临界水压随着泊松比增大而减小,而临界起裂角呈现相反变化趋势.比奥系数对临界起裂角没有影响,但是在高水压条件下对起裂角具有显著影响.     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验

 采用数字激光动态焦散线系统,研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。结果表明,切缝药包爆破主裂纹以I型拉伸断裂模式为主,爆破主裂纹难以穿过邻近炮孔的预制裂缝继续扩展;分支裂纹是预制裂缝尖端在爆破应力波衍射拉伸形成应力集中而萌生、起裂,相向分支裂纹分别扩展,最终呈“牵手状”贯通、止裂,分支裂纹贯通后扩展速度及动态应力强度因子急剧降低。对比不同药量模型试验结果发现,小药量炮孔相比大药量炮孔的爆破主裂纹、分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子均较小,分支裂纹起裂时间较迟,且稳定扩展时间、扩展长度也较短,延长了分支裂纹贯通时间。相同药量两炮孔爆破主裂纹及分支裂纹断裂力学特征量近似相等,单炮孔的分支裂纹不贯通。试验研究为分析爆破裂纹扩展物理过程提供了参考。     

基于单轴压缩试验的岩石单裂纹扩展及损伤演化规律研究

通过室内试验,利用数字图像相关方法(DICM)等研究手段,对含不同预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的裂纹扩展规律及岩体细观损伤演化机制进行系统研究。研究表明:预置单裂纹倾角?为15°和30°时,最大应变集中在预置裂纹的尖端靠内侧的位置,新裂纹为翼裂纹,起裂主要受张拉应力控制;当?增大到60°和75°时,最大应变集中区移动到裂纹尖端区域,新裂纹为次生裂纹,起裂主要受剪切应力控制;倾角?=45°时试样包含2条裂纹扩展路径,为2种裂纹类型转变的临界角度值;随着倾角?的增加,试样起裂应力逐渐增大;当?=30°时,试样的单轴抗压强度最低,裂纹的扩展速度最快;裂纹扩展主要受张拉应力控制时,试样的单轴抗压强度和起裂应力均显著低于主要受剪切应力控制时的情况。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

柱状炮孔端部爆生裂纹动态扩展力学行为研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值分析方法,研究单柱状炮孔、同时起爆的不同间距双柱状炮孔端部爆生裂纹动态断裂行为及周围应力场分布,明确炮孔端部裂纹的扩展规律。结果表明:较之单孔爆炸,双孔爆炸产生的应力场在炮孔间叠加,使炮孔间更易形成径向裂纹,增大炮孔间的破碎程度,单孔端部裂纹的扩展速度及应力强度因子介于双孔内侧与外侧端部爆生裂纹之间;双柱状炮孔端部近端垂线方向上,炮孔间以压应力为主,对相邻炮孔爆生裂纹的相向扩展具有抑制作用,随炮孔间距减小,裂纹止裂越早、扩展长度越短;双柱状炮孔端部外侧远区,在t=0～90μs,孔间和孔外在爆炸应力波叠加作用下表现为拉压交替变化的特征,随后主要表现为拉应力,炮孔外侧端部爆生裂纹曲裂程度大,具有短暂的"止裂"到再起裂阶段,随炮孔间距减小,曲裂发生时间越早,"止裂"到再起裂时间提前,裂纹长度无显著变化,但均大于单孔端部爆生裂纹长度。     

数字散斑相关方法测定岩石I型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含I型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿–辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。     

爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法初探

爆破是岩土工程中广泛采用的掘进方法,岩石在爆炸载荷下的断裂特性是岩石动力学的核心问题之一。利用雷管和带裂纹的水泥砂浆试样进行爆破试验研究,采用试验–数值方法确定试样的动态断裂韧度。通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹起裂的时间,将得到的时程曲线输入有限元程序ANSYS,利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移,进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线。裂纹起裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态断裂韧度,从而给出了在爆炸载荷下I型裂纹的动态断裂韧度测试新方法。     

岩石类材料滑动裂纹模型

滑动裂纹模型被广泛应用于岩石类材料压剪断裂分析及损伤分析。针对较为典型的6种翼裂纹应力强度因子计算模型,综合考虑主裂面方位、翼裂方位、侧压及翼裂当量长度的影响,对各计算模型进行了系统的对比分析;针对翼裂纹沿主压应力方向的情形,进行有限元分析,并和理论模型计算结果进行比较。最后综合得到一些有益的结论和建议,可为选用滑动裂纹计算模型进行岩石类材料压剪断裂和损伤分析提供参考。     

混凝土软化本构关系与失稳断裂参数的计算

准脆性材料混凝土的断裂参数尺寸效应不仅与外观尺寸有关,也与材料细观结构相关.完全张开裂纹前方的韧带阻裂区域内的介质相互作用,以虚拟裂纹上的黏聚应力表示.该虚拟裂纹张开位移与黏聚应力之间的关系,也可称为材料的非弹性软化本构关系.断裂过程失稳应力强度因子K_Ⅰ的估计,直接关系着断裂力学在该类材料中的应用.首先讨论断裂过程区各种软化本构关系模型计算方法,以及与相关实验数据的对比.然后,提出一种利用材料极限应力、黏聚裂纹段长度以及应力强度因子的关系,估计失稳强度因子的计算方法.对该估算方法与实验测试结果对照,大致与实验测试数据吻合.