确定动态劈裂裂纹起裂和扩展特性的简便方法

利用直径100 mm的分离式霍普金森压杆对大理岩巴西圆盘进行了动态劈裂试验。在试样表面加载直径方向粘贴一系列电阻应变片,用来记录试样加载直径上各点的应变随时间的变化曲线,通过记录的应变历程,可以判断劈裂试样的起裂应变、起裂位置和时刻,以及裂纹的扩展顺序和裂纹扩展的速度。试验结果表明,裂纹的起裂对应着该点的应变历程上应变值的突变。裂纹起裂一般并不在试样中心,而是偏向中心和入射杆撞击端之间的某一点,然后裂纹沿加载直径向两个相反方向发展,直至试样完全劈裂为比较大的两部分。裂纹扩展的速度大约为400~800 m/s,试样从开始起裂到完全裂开的破坏时间约为几十个μs。当应变率比较低时,裂纹在扩展过程中的分岔点比较少,因而破坏形态较好,当应变率比较高时,裂纹在扩展过程中的分岔点比较多,破坏形态也比较多。因此,在巴西圆盘加载直径上粘贴一系列应变片来研究脆性材料的动态起裂和扩展特性,是一种简便高效的试验方法。     

基于SCSCC试样的岩石复合型裂纹动态扩展特征研究

侧开单裂纹半孔板（single cleavage semi circle compression —SCSCC）试样是一种改进后的矩形板试样,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置进行了冲击实验,完成了SCSCC试样纯I型及I-II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行了数值分析,研究了其扩展路径及扩展过程中的止裂问题。结果表明：1）SCSCC试件在实验过程中,纯I型裂纹扩展过程中尖端沿着原方向朝试件右侧移动,I-II复合型裂纹扩展过程中朝着试件中轴线方向（最大应力区）移动,且可以观察到止裂现象;应变片法是一种监测断裂时刻的有效方法。2）使用修正的最大主应力准则及引入能量释放率的拉伸断裂软化损伤（crack softening -CS）破坏准则可以有效解决岩石类材料的动态破坏问题,且可以描述材料全应力-应变破坏过程;3）I-II复合型裂纹SCSCC试件构型在研究岩石裂纹止裂领域具有较大优势。且SCSCC构型是一种大尺寸试样,可以减小岩石非均匀性带来的影响。     

局部荷载下煤样内部微结构及表面裂隙演化规律

为了研究局部荷载下原煤与型煤试样内部微结构与表面裂纹的演化规律,开展了不同加载面积下原煤与型煤试样的压缩试验,得到了加载过程中试样超声波波速值与表面裂纹变化的实时图像,基于定义的损伤因子与分形理论,研究了原煤与型煤试样局部荷载下损伤演化规律的异同性.结果表明:局部荷载下2种试样的应力-应变曲线均具有典型的阶段性特征,且原煤试样压密阶段的变形大于型煤试样,2种试样抗压强度随加载面积的增大呈线性增加关系;与原煤试样相比,单轴压缩条件下的型煤试样超声波波速曲线缺少最初的加载强化阶段,仅包含加载弱化区和加载失稳区2个阶段;局部荷载不改变煤样损伤的3阶段特征,只是缩短各阶段持续时间;局部荷载下原煤试样表面裂纹的扩展方向与加载方向近似平行,且主控裂纹基本位于加载区与非加载区交界面区域;型煤试样表面裂纹扩展方向与加载方向成一定角度,且裂纹均处于加载区;局部荷载下2种煤样表面裂纹均具有明显的分形特征,且原煤表面分形维数与应变之间呈三次函数规律,型煤表面分形维数与应变之间呈二次函数规律,2种试样临近破坏时刻表面分形维数与加载面积均呈二次函数规律.     

Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展门槛条件的实验研究

本文研究三种金属材料在Ⅰ-Ⅱ复合加载条件下疲劳裂纹扩展的门槛条件。应用切口试样和预裂试样测试了疲劳裂纹扩展的门槛值和破坏曲线,并对实验结果同其他实验和理论准则进行了对比,论证了在Ⅰ-Ⅱ复合载荷条件下可将切口试样的破坏曲线作为工程设计的依据。     

基于颗粒流的带中心孔巴西圆盘试样裂纹扩展分析

为研究带中心孔巴西圆盘的劈裂过程,利用颗粒流法分析不同孔径的带中心孔巴西圆盘的裂纹扩展规律和机理。结果表明,不同孔径的巴西圆盘断裂模式有一定差异,主裂纹均从孔洞在加载方向的两端萌生并沿加载方向扩展。当中心孔径较小时,次生裂纹从加载点附近萌生并与主裂纹发生连通作用,圆盘试样破裂分成两半;当中心孔径较大时,次生裂纹从加载点的一侧萌生并向中心孔方向扩展,圆盘试样劈裂成4块。带中心孔巴西圆盘的劈裂过程可分为弹性变形阶段、主裂纹的萌生和稳定扩展阶段、主裂纹的扩展失稳阶段和次生裂纹扩展失稳阶段等4个阶段。从应力场角度来看,巴西圆盘的劈裂过程是拉应力集中区不断转移并产生新的微拉裂纹,大量微裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观裂隙的过程。从能量角度来看,巴西圆盘的劈裂破坏过程是岩石从受荷初期应变能不断积累,到达峰值强度后应变能瞬时释放并伴随耗散能急剧增加的过程。     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

冻融循环层理砂岩破坏模式试验研究

在西部高寒地区,冻融循环作用对岩石路基稳定性具有不可忽视的影响,易引发一系列的工程地质问题.为研究冻融循环环境下各向异性层理砂岩的损伤特性,选取路基中典型垂直、平行层理砂岩试样开展冻融循环试验研究,基于电液伺服压力试验机进行单轴压缩试验,以应力-应变曲线、力学参数和压缩破坏形态为依据,探究了冻融循环损伤后层理砂岩强度、变形特征的演化规律及破坏模式.研究结果表明:随着冻融次数的增加,垂直、平行层理试样呈现出向右拉伸,向下压缩的应力-应变曲线;垂直层理砂岩试样峰值点下降路径平缓,而平行层理砂岩试样则沿阶梯状路径下降;冻融损伤累积减弱了破坏模式的各向异性特征,随冻融次数的增加,垂直层理砂岩试样裂缝与加载方向趋于平行,平行层理砂岩试样则始终表现为沿层理的劈裂破坏.     

山西晋中马兰黄土劈裂特性及抗拉强度研究

为研究干燥黄土巴西劈裂试验的稳定性和有效性,本文从试样的劈裂特征、荷载-变形关系、抗拉强度与干密度的关系、直接拉伸与巴西劈裂抗拉强度等方面开展了原状与重塑马兰黄土的巴西劈裂试验研究.结果表明:试样破坏分为不同破坏类型,它们对试验结果影响不同,偏离直径裂纹的出现会使试样结果偏小;剔除破坏类型对抗拉强度影响较大的试验结果后,根据损伤点和峰值点将试样劈裂破坏过程分为3个阶段;随着干密度增加,损伤点和峰值点对应的荷载逐渐增加,而对应的竖向变形则先增大后减小;重塑黄土的抗拉强度随干密度增加,呈指数递增;巴西劈裂抗拉强度结果小于直接拉伸试验结果,且与直接拉伸抗拉强度之间存在较好的线性相关关系.     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...     

单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.