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。     

平行双裂缝圆盘试样裂纹扩展过程的尺寸效应试验研究

针对含多条裂缝不同尺寸的岩石受载时内部裂纹扩展及贯通存在尺寸效应的问题，制作了直径分别为50,100,150和200 mm的平行双裂缝砂岩圆盘试样，其厚度、裂缝长度和裂缝间距随直径等比变化。在GCTS RTX–3000试验机上对圆盘试样进行静态加载试验，采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术对试样的裂纹扩展过程进行监测。结果表明：随试样尺寸的增加，破坏载荷呈线性增长趋势，预制裂缝对试样承载能力的削弱作用增强，试样破坏单位体积消耗的能量逐渐减小；多裂纹扩展存在相互竞争机制，裂纹的起裂顺序决定着扩展方向，直径50,100和200 mm的试样裂纹扩展具有同方向性，直径150 mm的试样裂纹相向扩展；通过AE准确反映了试样内部的损伤演化过程，运用DIC技术将裂纹扩展过程数值化，能够精确分析裂纹的张开位移和扩展速度；不同尺寸试样裂纹扩展速度的变化规律相似，即裂纹以一个较低的初速度开始扩展，并在很短的距离内达到峰值速度，之后扩展速度急剧下降，末段裂纹扩展速度缓慢减小并趋于稳定。     

三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究

采用双扭试件和自行研制的加载装置,对三峡船闸花岗岩进行了亚临界裂纹扩展试验研究。采用ＵＣＡＭ５Ｂ自动巡回监测仪量测加载过程中试件的位移和应变。根据试验结果,得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系和花岗岩的断裂韧度。由于试验方案设计合理,试验结果可靠     

基于裂纹扩展能量平衡的花岗岩动态本构模型研究

应用滑移型裂纹模型，基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理，建立了花岗岩材料的动态本构模型，分析结果表明，模型结果与实验结果符合得比较好。并进一步分析了裂纹扩展引起的非线性应变特征，结果表明，在裂纹的扩展过程中，由于裂纹扩展引起的非线性应变对侧向应变的影响比轴向应变大，初始裂纹的滑移在花岗岩材料的非线性应变的贡献不能忽略。     

混凝土试件内压作用下破裂过程试验

内压作用下混凝土的破坏时有发生，对其破坏过程的研究就显得特别重要。提出了应用东北大学CRISR自主研发的材料破裂过程分析系统(MFPA)对在三个孔压共同作用下的破裂过程进行数值试验方法，并在此基础上进行了物理试验。与数值试验的破裂结果进行比较。结果表明：数值模拟结果与物理试验结果有较好的一致性．通过数值试验再现了模型破坏的全过程，可以观察到物理试验无法准确观测的裂纹的萌生、扩展直至破坏的过程以及破坏过程中的声发射现象，为混凝土破坏过程研究提供了一种新方法，同时为防止混凝土内压作用引起的裂缝控制有参考作用。     

基于CT-GBM重构法的花岗岩裂纹扩展规律研究

为从矿物尺度研究花岗岩在单轴压缩作用下的裂纹扩展规律,提出一种将高精度内部结构探测技术与PFC颗粒流数值模拟相结合的CT-GBM(computed tomography-grain based model)建模方法,用于构建基于真实矿物晶体结构的二维GBM模型。根据室内单轴压缩试验所获取的宏观力学参数及破坏形式对所建立模型的细观参数进行校正,并基于所校正模型探究花岗岩矿物晶体裂纹扩展规律。结果表明：CT-GBM建模方法可有效地模拟和复现花岗岩的硬脆特性及劈裂破坏形式。花岗岩在单轴压缩加载过程中主要经历4个阶段：无裂纹阶段、裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段。在破裂过程中,微裂纹萌生的次序分别是：晶间拉伸裂纹、晶间剪切裂纹、晶内拉伸裂纹、晶内剪切裂纹,并且以晶间拉伸裂纹为主。而从矿物类别角度考虑,微裂纹首先在长石矿物内部萌生,随后是石英和云母,其中汇聚成核的区域以云母和长石矿物为主。     

基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grainbasedmodel,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性。对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值试验,分析研究应力–应变曲线、试样破坏模式及微裂纹的发展与演化规律。结果表明:岩石试样加载过程中的新生裂纹以晶内和晶间的拉伸裂纹为主,裂纹的发展可分为初始阶段、稳定发展阶段、快速发展阶段和峰后阶段;在10MPa条件下的双轴压缩中裂纹扩展的形态与单轴压缩相比具有中心对称和边缘延展2个明显的特性;峰值应力下各类型破坏裂纹数量随双轴试验围压增加呈现不同程度的增长趋势。从应变–裂纹数量角度分析,除晶间剪切裂纹外,围压对其他类型裂纹的前期发展存在不同程度的抑制作用;非均质性系数大的双裂隙岩石加载过程中更易出现应力集中且双轴压缩时破坏形式更易从拉伸破坏向剪切破坏转换。     

含孔洞试件破坏过程的红外试验与数值试验对比分析

利用红外热像仪对含圆形预制孔洞的混凝土试件单轴、双轴加载变形破坏过程进行了监测，得到了试件破坏过程的红外热像。从红外热像中可以清楚地看到试件破坏过程中侧面的温度变化情况。另外，应用RFPA程序对试件在载荷作用下裂纹形成、扩展过程进行了数值试验。试件应力状态分析及数值试验结果表明，在载荷作用下，试件孔洞边缘出现应力集中现象，在拉应力集中区首先出现微裂纹，并且随着继续加载，微裂纹逐渐扩展、连通、搭接而形成宏观裂纹，最终导致试件破坏。由红外试验结果与数值试验结果对比可以看到，试件的微裂纹萌生、扩展区与红外热像中的升温区是相对应的。试件在破坏过程中整体上表现为升温，但微裂纹越集中的区域升温越明显。试验过程中还发现，试件的升温速率与加载速率呈正相关趋势。这一试验结果可为利用红外技术对混凝土构件破坏的预测预报提供理论基础。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

单轴压缩过程中岩石变形破坏机理

对白岗岩、花岗岩、大理岩试样的扫描电镜下进行单轴压缩试验，即时观察分析岩石在受力过程中，其微裂纹的萌生－扩展－断裂破坏全过程。得到各试样的应力－应变曲线与相对应的微观结构变化的照片实录，很直观地揭示了岩石变形破裂的实质，比较满意地解释岩石变形破坏的机理。     

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。     

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。     

含双孔洞砂岩裂纹演化规律研究

基于室内砂岩单轴试验,采用颗粒流软件模拟后获得了一组反应砂岩力学特性的细观参数。采用该组参数开展了不同倾角双孔洞砂岩单三轴试验,分析了不同孔洞倾角对峰值强度、裂纹扩展的影响。结果表明单轴试验中试样破坏模式分三种:裂纹沿压应力集中区向试样边缘倾斜扩展破坏;压应力集中区裂纹与远场裂纹贯通破坏;压应力集中区裂纹朝最大主应力方向扩展破坏。孔心距一定时,45°试样峰值应力最小(除2b=17 mm),在90°时峰值应力最大。在角度相同时,孔心距大的峰值应力普遍较大(除2b=27 mm)。三轴试验表明,峰值偏应力随围压升高先增加后降低,在围压为定值时,峰值偏应力大小顺序为90°60°45°30°,0°试样规律与其他不同。试样峰值偏应力大小与裂纹扩展路径及围压有关。     

岩石裂纹扩展过程的动态监测研究

利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩试样裂纹扩展与变形破坏过程；基于动态干涉条纹的定量分析，描述了岩石微裂纹孕育起裂、扩展与闭合的动态交替演化过程，计算了岩石裂纹扩展速度与蠕变扩展速率和裂纹面的扩展变形量与蠕变变形量，实现了岩石内部Ⅰ型、Ⅰ—Ⅱ复合型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹力学性状动态演变的有效判识。     

孔洞形状对大理岩渐进破坏力学特性影响研究

为研究孔洞形状对岩石破坏特性的影响,对含不同形状孔洞大理岩进行单轴压缩实验,利用高速摄像仪记录孔洞周边裂纹的萌生、扩展和贯通直至试样破坏的过程,分析孔洞形状对大理岩力学特性、破坏模式、裂纹扩展特性的影响规律,以及试样所储存的能量与岩石变形破坏的关系。研究发现,孔洞形状对大理岩的力学特性有明显影响,且不同边界类型的孔洞有不同的裂纹扩展特性。另外,试样的宏观破坏是由远场裂纹迅速扩展的结果,而初始裂纹对材料破坏没起到关键作用。从能量的角度提出一个可判别岩石脆性破坏的能量跌落系数,还发现岩块弹射烈度与单位体积吸收能量的大小有关。通过FLAC^3D对不同孔洞形状大理岩进行数值模拟,得到不同孔洞形状大理岩的应力分布和应力集中系数特征,其应力分布特征较好地反映了室内试验的破坏特征。     

非均质细胞元随机分布对高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究

在平面应变模型下,以花岗岩为样本,采用随机介质固热耦合数学模型及有限元方法进行了高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究。在指数分布、韦泊分布2种随机分布和温度的作用下,研究了材料非均质性对岩石介质中裂纹扩展的影响,并对岩石热破裂做了详细研究,揭示了概率分布形式、分布参数.时间与花岗岩样本的热破裂过程的变化规律。     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

饱水与晶体粒度对北山花岗岩断裂韧度影响的试验研究

采用MTS815岩石力学试验机和三维声发射监测系统,选取高放废物处置甘肃北山预选区5种典型岩石,开展不同粒径花岗岩干燥与饱水状态下的三点弯曲试验,探讨饱水和晶体粒径对岩石断裂韧度的影响规律。通过对比干燥与饱水试样循环加、卸载曲线发现,饱水处理会明显降低试样在张拉条件下的起裂强度和劈裂韧度,并加速裂纹扩展速度。试验结果表明,干燥北山花岗岩断裂韧度介于1 576~2 139 N/cm1.5,饱水试样介于1 463~1 848 N/cm1.5范围。同一粒径下,饱水试样断裂韧度均值均约为干燥试样的90%。通过不同类型试样试验结果对比,发现北山花岗岩断裂韧度有随晶体粒径增大而减小的趋势,而岩石本身矿物成分与晶粒形态对试样的断裂韧度也有一定影响。最后,基于三维声发射监测数据,分析试验过程中裂纹扩展过程,深化对岩石断裂损伤演化机制的认识。     

基于边缘检测的含缺陷岩石裂纹扩展分析

文章通过对含缺陷的类岩石材料(石膏)进行单轴压缩试验,结合边缘检测技术对裂纹扩展过程进行研究。研究发现,单轴压缩时,对含单一孔洞试样,其孔洞中心上下部位产生沿加载方向扩展的裂纹;对含裂隙和孔洞试样,裂隙会使孔洞边缘裂纹的扩展路径发生变化,当预置裂隙角度为15。,裂隙使孔洞中心上部裂纹扩展路径发生偏移,但裂隙角度为45。和75。时则表现不明显。