压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律.随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.     

边切斜裂缝岩石单轴压缩缝尖起裂机理试验研究

为研究岩石在压剪荷载作用下的断裂特性,在岩石试样侧边切斜裂缝,预制角度分别为30°、45°、60°的初始裂纹,利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行单轴压缩断裂试验。试验结果表明：边切斜裂缝岩石单轴压缩试样表现为明显脆性,其峰值荷载随初始裂纹角度的增大而增大,大角度初始裂纹具有更高的安全性;试样从预制裂纹尖端开始起裂,并产生向荷载作用方向扩展的翼型裂纹或反翼裂纹,缝尖裂纹扩展初期先受到压剪应力作用,随着裂纹逐渐扩展过程转变为拉应力作用,试样的最终破坏由张拉裂纹主导破坏,初始裂纹角度为45°、60°时伴随部分剪切破坏;裂纹起裂角度随初始裂纹角度的增大而呈现增大趋势,且在初始裂纹角度为60°时,同时出现了反翼裂纹与翼裂纹,起裂模式及角度的控制因素为沿扩展路径方向上法向应力值的相对大小。     

疲劳裂纹塑性闭合特性的数值分析方法

塑性诱导裂纹闭合是导致裂纹闭合发生的主要机理之一.利用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹矩形板试件的疲劳裂纹扩展,并确定疲劳裂纹张开、闭合应力水平.通过计算,考察应力比R、裂纹长度、最大应力强度因子Kmax等对疲劳裂纹张开闭合应力的影响规律.论文阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理.采用了等K加载方式,即在裂纹扩展中裂尖应力强度因子的最大值Kmax保持不变(给定R比,最大应力σmax随裂纹长度变化).分析了两种Kmax水平下R比分别为0.3,0,-0.5和-1.0共8种载荷工况.结果表明,对各个载荷工况,用瞬时最大应力σmax正则化的裂纹张开、闭合应力水平σop/σmax和σcl/σmax与裂纹长度无关.等K循环加载比等幅循环加载更有利于分析影响裂纹闭合水平的因素和闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响规律,为建立基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展规律模型提供了一种新的思路.     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

旋转防喷器壳体疲劳裂纹扩展研究

受井内高压和岩屑颗粒反复碰撞,旋转防喷器壳体会出现裂纹,裂纹的进一步扩展会导致壳体发生破裂。本研究基于Paris公式研究旋转防喷器壳体的疲劳裂纹扩展寿命,通过疲劳裂纹扩展试验确定Paris公式的材料常数,通过有限元模拟对CT试样进行疲劳裂纹扩展研究,分析初始裂纹尺寸、载荷大小的影响。结果显示：实验结果与有限元仿真结果能较好吻合;随着初始裂纹尺寸的增加,裂纹前缘应力强度因子逐渐增大,初始裂纹开始扩展,深度亦会随应力幅和应力比的增大而增大,而裂纹扩展寿命随着裂纹长度和载荷增大而减小,随着应力比的增大而增大。该研究为旋转防喷器安全使用提供一定的理论依据和研究方法。     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法，研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中，采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件，利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统，监测主裂纹扩展速度和扩展距离；数值模拟中，采用了AUTODYN软件进行，模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律，对岩石材料，采用线性状态方程及最大拉应力失效准则，并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析，得到:爆炸载荷下，紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波，并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力，对裂纹的扩展有压制、止裂作用；而且，这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关，进而导致了不同的止裂效果，影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

复合型韧性断裂实验和控制参数

通过对不同韧性材料在各种平面复合载荷形式下裂纹启裂阶段裂端变形、启裂位置和扩展方向的系统的宏微观实验验证及计算分析,考察了韧性断裂参数空穴扩张比的分布特征和裂纹启裂及扩展方向的关系．得到：对于不同韧性的材料,在裂端的钝化变形区域,空穴扩张比的极大值区对应干裂纹的启裂位置,裂纹启裂时钝化裂端前缘空穴扩张比的临界值不敏感于复合比的变化．而对于裂纹启裂后的扩展方向,则需根据具体材料在相应的特定区域中比较空穴扩张比参数极大值的分布特征,需经进一步的分析,从而确定裂纹的扩展方向．实验及计算结果表明,尽管复合型断裂时裂纹启裂及扩展的机理极其复杂,用于韧性材料复合型断裂的空穴扩张比参数仍能很好地预测裂端的启裂及扩展方向,可作为复合型韧性断裂过程的控制参数．     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比，考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程，求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律，计算结果 和分析表明，压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的，不含有弹性卸载区，黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型，静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素，且摩擦作用越强，裂纹尖端场的韧性越高.     

非奇异项对压剪闭合裂纹端部有限域内最大剪应力场的影响

通过研究非奇异应力项对受压剪应力作用闭合裂纹端部等差线变化的影响,得到一个描述裂纹尖端有限区城内最大剪应力场变化的表达式.以此作为根据光弹性数据确定应力强度因子的控制方程,其计算结果具有良好的收敛稳定性.本文给出了构造其它类型裂纹端部有限区城内最大剪应力场表达式的一般方法.解释了σ_(χο)及σ_(уо)在本文研究问题中的实际意义.     

Influence of flaw inclination angle and loading condition on crack initiation and propagation

With reference to the experimental observation of crack initiation and propagation from pre-existing flaws in rock specimens under compression, the influences of pre-existing flaw inclination angle on the cracking processes were analyzed by means of finite element method (FEM) and non-linear dynamics method. FEM analysis on the stress field distribution induced by the presence of a pre-existing flaw provided better understanding for the influence of flaw inclination angle on the initiation position and initiation angle of the potential cracks. Numerical analysis based on the non-linear dynamics method was performed to simulate the cracking processes. The resultant crack types, crack initiation sequences and the overall crack pattern were different under different loading conditions. Under a relatively low loading rate or a small magnitude of maximum loading pressure, tensile cracks would tend to initiate prior to shear cracks. In contrast, under a relatively high loading rate and a large magnitude of maximum loading pressure, shear cracks would tend to initiate prior to tensile cracks instead.     

雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究

通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷作用下闭合雁形裂纹的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下，不同方位雁形裂纹的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力学参数，提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展三种     

白云岩受压声学特性及其在裂缝研究中的应用

通过实验手段研究了白云岩在三轴和单轴加载过程中的声波波速、幅度、频谱特性的变化特征. 结果发现:(1)白云岩在受压变形过程中,声波波速的变化较好地反映了岩石内部裂缝的闭合、产生、扩展和贯穿等变化. 总体而言,横波波速比纵波能更好地预测裂缝的产生,而纵波对裂缝的非稳定发展或贯穿有较敏感的反映. (2)随着轴压的增大,纵、横波波形的末端都有散射波的出现,且横波波形末端的"鱼尾"状散射波信号更为明显(此时应力点为极限强度的60%左右),预示着岩石内部裂缝的产生和稳定扩展. (3)频谱曲线也很好地反映了岩石内部结构变形情况. 随着岩石受力的增大,频谱曲线上的振幅都呈现增大趋势,标志着岩石的压实阶段;当频谱曲线上低频段较高频段活跃时,标志着裂缝的产生;更有甚者,低频还会取代高频成为主频. (4)在岩石受压裂缝闭合阶段,首波振幅和频谱主振幅都呈现上升趋势;而在裂缝不稳定扩展阶段,主振幅表现出比首波振幅低的上升趋势;振幅曲线达到峰值后都存在一突降拐点,预示着岩石的贯通破坏. 研究对于地层岩石的动态长期监测和工程岩体的稳定性评价都具有重要的理论参考价值.      

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

Experimental study on cracking behaviour of moulded gypsum containing two non-parallel overlapping flaws under uniaxial compression

Failure of rock mass that is subjected to compres-sive loads occurs from initiation, propagation, and linkage of new cracks from preexisting fissures. Our research inves-tigates the cracking behaviour and coalescence process in a brittle material with two non-parallel overlapping flaws using a high-speed camera. The coalescence tensile crack and tensile wing cracks were the first cracks to occur from the pre-existing flaws. The initiation stresses of the primary cracks at the two tips of each flaw were simultaneous and decreased with reduced flaw inclination angle. The following types of coalescence cracks were identified between the flaws: pri-mary tensile coalescence crack, tensile crack linkage, shear crack linkage, mixed tensile-shear crack, and indirect crack coalescence. Coalescence through tensile linkage occurred mostly at pre-peak stress. In contrast, coalescence through shear or mixed tensile-shear cracks occurred at higher stress. Overall, this study indicates that the geometry of preexisting flaws affect crack initiation and coalescence behaviour.     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

双轴压缩载荷下裂纹动态传播的实验研究

本文研究了双轴压缩载荷下裂纹的起裂和非共面传播问题，用动态光弹性方法成功地记录下裂纹的动态扩展过程。获得了双轴压缩载荷下扩展裂纹的传播速度，临界开裂载荷以及开裂角第一系重要断裂参数。研究表明，在双轴压缩载荷下不闭合裂纹前缘应力场是一个混合型的奇异场，裂纹的扩展过程为稳态过程并且表现出显著的阶段性特点。     

EXPERIMENTAL STUDIES ON DYNAMIC PROPAGATION OF CRACKS UNDER BIAXIAL COMPRESSION

This paper deals with the initiation and non-coplaner propagation ofcracks under biaxial compression.The running process of the propagating cracks issuccessfully recorded with the method of dynamic photoclasticity.A series of importantfracture parameters such as cracks' propagating velocity,critical opening loading andinitial angle of cracks' growth under hiaxial compression is calculated.Results showthat the stress field in front of the non-closed crack tip under biaxial compression is amixed-mode singular field,the dynamic propagation of the new tensile cracks is juststable and shows distinct stages,but the unstable crack appears under high loads andresults in the rupture of the matrix.     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.