多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究

为了研究多次应力波作用下岩石的动态断裂破坏规律,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆径向加载直径为160 mm的含预制裂纹人字形切槽巴西圆盘大理岩试样,分别采用裂纹扩展计和普通应变片测定试样裂尖的起裂和扩展过程,分析试样破坏过程中的动态断裂规律和能量耗散特性。结果表明:在0.13 MPa的子弹发射压力下,出现了试样被多次应力波作用形成破坏的试验现象;入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小,但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大;试样的能量耗散率和动态断裂韧度都随作用次数的增大而减小,并且满足近似的线性关系,这有助于理解多次应力波作用下岩石的动态断裂机制。     

砂岩孔道试样压拉应力下强度和破坏的研究

 为研究岩石压拉应力下的强度和破坏,对外径50 mm、孔道6～25 mm的孔道圆柱试样进行不同轴压下的内压致裂试验,对外径50 mm、孔道4.6～20.0 mm的圆环进行巴西劈裂试验。试验结果表明：轴向应力低于单轴压缩强度80%时孔道试样在内压下拉伸破裂,压力与轴向应力没有明显关系;试样承载的孔道内压随孔道直径的增加而减小,孔壁的最大拉应力也随孔道直径的增加而略有减小,试样承载的平均切向应力随孔道直径明显增加;孔道试样能够承受的拉应力远大于巴西劈裂强度,如内孔直径25 mm 的试样可以承载10 MPa的内压,切向拉应力在内壁为17 MPa左右、外侧面为7 MPa左右,而6个完整圆盘的巴西劈裂强度最大值仅为6.17 MPa。内孔直径小于20 mm 的试样,因内压增大孔壁处岩石拉伸变形增大到极限、引起裂纹扩展,最终破裂成2块;而内孔直径25 mm 的试样,在内孔压力达到破裂压力时,孔壁处材料没有达到断裂所需要的变形,因而只有试样外侧也达到屈服应力才能整体断裂。承载非均匀应力的岩石结构需要考虑载荷和变形2个破坏指标。     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

静态预应力条件作用下岩板动态破坏行为试验研究

 深部岩石的动力破坏,是岩石力学研究的一个热点问题。为模拟深部岩石动态断裂情况,选取一种花岗岩制备带10 mm预制裂纹的板状试样,开展含预应力条件下的岩板动态破坏行为研究。试件尺寸为305 mm×305 mm×10.5 mm岩板,在静态竖向预压的条件下,使用25 mm杆径的霍普金森压杆进行冲击试验。利用超高速摄影仪记录试样裂纹扩展的全过程,采用数字图像相关(DIC)技术分析试样的位移场及应变场,通过设置虚拟引伸计,获得预应力条件下岩板起裂时刻、裂纹长度、裂纹扩展速度及断裂韧性等动态断裂力学参量。研究结果显示：该岩板试件裂纹扩展速度可达到瑞利波速的0.57倍(～1000 m/s),验证了采用花岗岩岩板测试的优势。在特定预应力条件下,岩板的裂纹扩展速率与动态断裂韧性具有明显的率相关性;特定冲击速度条件下,随着静态预应力的增加,裂纹扩展速度受到抑制,破坏模式由单一裂纹扩展向多条微裂纹扩展等复杂模式转变,甚至出现止裂现象。当气枪冲击气压103.43 kPa、静态预应力30 MPa时,裂纹扩展速度降为452.4 m/s,属于低速裂纹扩展范围。     

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。     

大理岩试样的长度对单轴压缩试验的影响

相同直径试样的单轴压缩强度随长度的减小而增加，而使用柔性垫片强度则随长度的减小而减小，表明试验机压头与试样端面之间存在摩擦，其影响程度随岩性而变化。2块粒径为0．5～1mm的细品大理岩，试样长度对强度的影响相同，长径比为1时强度是标准长度试样的130％，长径比为0．6时增大到150％以上。但两者的强度、杨氏模量不同，且强度较高者存在圆锥破裂面，强度较低者呈平面剪切破裂，破坏形式都与试样长度无关。粒径为5mm的粗晶大理岩，试样强度随长度变化不很明显，长径比小于2．5的试样的峰后应力降低过程大体相似。这与裂纹扩展受晶粒影响较大、缺少明显的主控破裂面有关。利用厚度为0．5mm的聚四氟乙烯垫片(使用前预压两次)，直径为50mm、长度小于50mm的试样也能得到标准试样的单轴压缩强度。不过，试样长度减小时端面质量对强度和杨氏模量的影响增大。     

单轴压缩下单裂纹混凝土力学特性和破坏特征试验研究

为了研究单裂纹混凝土力学强度及其变形特征和破坏模式,对含不同长度的单裂纹混凝土进行单轴压缩试验,利用高清摄像技术监测单轴压缩过程中试样裂纹扩展过程,运用数字图像相关方法(DIC),综合分析单裂纹混凝土力学强度、裂纹演化特征、变形规律,阐释单裂纹混凝土破坏机理。结果表明:(1)混凝土强度随着单裂纹长度增大逐渐降低,且呈良好线性负相关;弹性模量随着单裂纹长度增大先升高后降低。(2)试样破坏模式分为3种:①轴向劈裂破坏(裂纹长度为10 mm);②剪切破坏(裂纹长度为20、30、40 mm);③拉-剪混合破坏(裂纹长度为50 mm)。(3)试样应变场演化规律:随着单裂纹长度的增加,由径向应变场控制绝大部分裂纹产生和扩展,向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展(径向应变场影响较明显),再向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展,(剪应变场影响较明显)转变。(4)单裂纹混凝土抗压强度与单轴压缩过程中产生的不同类型裂纹长度存在良好的线性关系,且主要受到单裂纹周边产生的裂纹控制(影响系数为0.496)。     

基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究

巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的I-II-III型断裂研究一直较为落后。基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂纹的及完整巴西圆盘试样试验,对裂纹扩展过程、应力双折射规律、裂纹起裂及破坏荷载进行分析,并与已有文献进行对比,开展三维内裂纹I-II-III型断裂数值模拟,分析KI,KII,KIII分布规律及实现裂纹扩展全过程模拟,规律与试验相符。结果表明:①3D-ILC在断裂力学试验中的优势得到证明,为断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题的研究奠定了基础。②与完整试样匀称连续的应力云纹分布相比,含内裂纹试样应力云纹集中于内裂纹尖端,呈花瓣状,色差对比显著。③30°内裂纹被括弧状破坏面切断;60°内裂纹上下尖端出现I-II型翼裂纹扩展,侧面出现III型裂纹叠加;90°内裂纹试样,沿内裂纹面扩展破坏,为纯I型破坏。④与完整试样破坏荷载相比,含30°,60°,90°内裂纹试样破坏荷载分别下降10.7%,60.6%,89.2%;30°,60°,90°内裂纹起裂与破坏荷载比分别为100%,11.7%,15.6%。⑤数值模拟与物理试验特征一致。结论与成果对断裂力学领域的三维内裂纹、I-II-III型断裂问题的研究提供了试验与理论基础。     

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。     

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙演化及等效裂纹宽度试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周裂隙扩展特征,取不同含水率的含孔方形试样,开展在渐进性破坏过程中数字散斑相关测量,获得单轴压缩下试样表面裂纹扩展过程中应变场的演化特征;采用RSM-SY7声波仪获取试样在破坏过程中的透射波形、波速和时间,根据声波透射过程中的时差计算公式,计算出试样在破坏过程中的等效裂纹宽度,揭示含水率对含孔试样裂纹扩展规律的影响。结果表明:(1)在试样渐进性破坏过程中,随着含水率的增大裂隙扩展明显减少,峰值应力σ_p的离散性显著降低;(2)超声波检测结果显示,饱水状态下首波到达时间较干燥状态下延迟8～10ms,且声波能量在时间域上衰减较快;(3)对试样破坏过程中等效裂纹宽度和应力水平试验曲线的拟合,得出等效裂纹宽度随应力水平的增高呈现指数级增长,可以对裂纹扩展参数进行定量化描述;裂隙扩展速率随含水率的增高显著降低,其中控制含水组的等效裂纹宽度在0.003～0.004mm范围,干燥试样的等效裂纹宽度在0.012～0.013 mm范围。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

超高韧性水泥基复合材料疲劳裂纹扩展规律研究

采用尺寸为80mm×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm预制裂缝缝高为50mm和60mm的试件,对不同缝高比的梁体进行疲劳试验,依据疲劳裂缝扩展规律的Paris公式,对UHTCC不同缝高比试件的疲劳裂纹扩展规律进行试验研究和计算。结果表明:大尺寸试件的疲劳裂纹扩展门槛值?Jth小于小尺寸试件,相同尺寸试件的缝高比越大,疲劳裂纹扩展门槛值越低,并计算出了缝高比为0.33、0.4试件的疲劳裂缝扩展速率的计算方法。     

不同角度单裂纹缺陷试样的裂纹扩展与破坏行为

在诸如岩石、混凝土、陶瓷和玻璃等脆性介质中，常分布大量的裂纹缺陷。这些缺陷在载荷作用下造成裂纹的孕育、萌生、繁衍、扩展和贯通，导致介质的强度和刚度降低。通过自制的试验系统，研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程，并用数值模拟进行了验证。试验和数值结果显示：单轴载荷作用下，裂纹扩展和最后的破坏行为受预置单裂纹缺陷的角度影响。当角度较小时，裂纹萌生比较容易，在整个受压过程中均匀扩展，试样一般以混合模式破坏；当角度较大时，裂纹不易萌生，但在接近峰值强度时，扩展较快，并直接导致最后的剪切或劈裂破坏；当预置裂纹缺陷的角度与试样的破坏角接近时，试样最容易发生脆性破坏，并产生很大的应力降。     

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。     

大理岩球砾法向碰撞恢复系数及损伤破碎试验研究

落石与边坡的碰撞过程是准确模拟落石运动轨迹的关键。为了揭示碰撞中法向恢复系数复杂的尺寸效应和速度效应以及可能出现的损伤破碎现象,基于自行设计的试验装置开展大理岩球砾与板法向碰撞的室内试验。研究发现大理岩球砾存在3种损伤破碎模式:无宏观裂纹模式、有宏观裂纹模式和劈裂破坏模式,并且速度较高时,宏观裂纹的出现作为一种新的能耗机制使法向恢复系数显著降低;试验测得的法向恢复系数随速度的增加而减小,随尺寸的减小而降低,并且其速度效应同时受尺寸的影响;接触应力割线变化率与法向恢复系数具有良好的相关性,能够同时描述法向恢复系数的速度效应和尺寸效应;另外,通过黏弹性接触模型,法向恢复系数随直径减小而降低的尺寸效应得到证实。     

基于巴西劈裂试验的花岗岩热损伤研究

针对常温(25℃),200℃,400℃,600℃和800℃温度处理后的花岗岩圆盘试样开展巴西劈裂试验,分析抗拉强度、体积膨胀率、P波波速等宏观物理力学性质的变化情况,同时研究温度对花岗岩微观结构和声发射特性的影响。研究结果表明:(1)扫描电镜扫描的结果显示,花岗岩经高温处理后内部萌生微裂纹,随着处理温度升高,微裂纹数目增多、延伸长度增长、张开宽度及扩展范围增大,且不同矿物成分的温度敏感性存在差异;(2)花岗岩经高温处理后抗拉强度下降,体积膨胀,P波波速降低;(3)在400℃～600℃范围内,P波波速骤降且试样切片的裂纹密度骤增,表明花岗岩热损伤阈值温度在此温度区间内;(4)声发射监测的结果显示,不同温度处理后试样的声发射事件时序分布存在差异,较高温度(600℃和800℃)处理后的圆盘试样,其加载过程中的声发射事件数目明显少于较低温度(≤400℃)处理后的圆盘试样,且试样破坏前夕声发射事件的增幅显著减小,声发射事件的定位结果与宏观劈裂裂纹的对应性减弱。     

海岸带强风化花岗岩强度及应力应变特性的尺寸效应研究

近年来,随着我国海洋经济的快速发展,越来越多的工程建设涉及到海洋地质。在海洋工程建设的前期勘察中,首要任务是精确测定各土层的强度参数。为探讨不同试样尺寸对海洋土体的强度及应力应变特性的影响,针对福建平潭综合试验区某海岸的强风化花岗岩,开展了试样直径分别为39.1mm、61.8mm和101mm的常规三轴固结不排水剪切试验,研究了强风化花岗岩应力—应变以及强度特性的尺寸效应。研究表明:对于三轴固结不排水剪切试验,强风化花岗岩剪应力峰值强度随试样直径增大而减小;其抗剪强度指标也随着试样直径的增大而减小;试样尺寸效应客观存在于三轴试验,实际工程的土工试验应注意选择合适的试样尺寸。     

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

基于DIC方法的地聚合物混凝土断裂过程分析

为了量化研究地聚合物混凝土断裂过程参数的演化过程,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法及夹持引伸计法对含初始缺口粉煤灰基地聚合物混凝土试样在三点弯曲加载过程中的裂缝口张开位移(CMOD)、裂尖张开位移(CTOD)及裂缝扩展长度进行测试与计算分析.结果表明:DIC测试的裂缝口张开位移与夹持引伸计测试值吻合较好,试样经历了起裂、裂缝的稳态和亚稳态扩展及失稳破坏阶段;基于DIC测试的裂尖张开位移与基于弹性等效的理论计算吻合较好,但基于DIC裂缝扩展长度的测试值与弹性等效裂缝扩展长度的计算值之间存在较大偏差,导致这一差别的主要原因是由于地聚合物混凝土与水泥混凝土一样存在断裂过程区.