爆炸荷载下不对称Y型裂纹扩展规律的试验研究

采用爆炸加载透射式动焦散测试系统,研究了爆炸荷载下不对称Y型裂纹扩展的动态行为。试验结果表明:爆炸荷载下两相向运动裂纹在相遇前裂纹尖端奇异场相互影响,焦散斑扭曲,裂纹尖端应力场改变,相遇前沿偏离水平方向相向扩展,偏离角度逐渐增大,相遇后偏离角度逐渐减小并朝对方已有裂纹方向扩展;两分支裂纹相交于主裂纹,翼裂纹主要从与入射应力波夹角较小和长度较长的分支裂纹起裂,沿周向最大拉应力垂直方向扩展;入射应力波夹角较小和长度较长的分支裂纹对入射应力波夹角较大和长度较短的分支裂纹扩展及其尖端应力强度因子有抑制作用;分支裂纹尖端动态应力强度因子均值随分支裂纹与应力波夹角增大而减小,分支翼裂纹扩展速度呈现振荡式变化规律。研究结果为实际工程中分析相互贯通裂纹的扩展规律提供了可靠依据。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展的动态分析

采用透射式焦散线测试系统,进行爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验,研究了含与炮孔共线的预制裂隙介质裂纹扩展速度、加速度、裂纹尖端动态应力强度因子和动态能量释放率的变化规律以及它们之间的变化关系。试验结果表明,在爆炸应力波作用下裂隙两端产生了两条翼裂纹A、B,翼裂纹A的长度较翼裂纹B长,两条翼裂纹向相反的方向扩展;在翼裂纹扩展过程中,存在着加速与减速的过程,扩展速度瞬间达到峰值,其后逐渐振荡下降;动态应力强度因子也呈现瞬间达最大值到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子 > ;翼裂纹尖端的动态能量释放率对裂纹扩展具有驱动作用。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

高阶流形方法模拟裂纹扩展研究

在物理覆盖上采用一阶覆盖函数（即单元上位移函数为二阶）模拟裂纹扩展,并且基于采用的覆盖函数给出了一种裂纹尖端停留在单元内部的算法,从而,可控制每一步裂纹扩展的长度。该方法可弥补物理覆盖上使用常覆盖函数模拟裂纹扩展时无法准确控制扩展长度的不足。     

冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1～2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。     

水对亚临界裂纹扩展的影响

利用Instron1342型电液伺服材料试验机,采用双扭常位移松弛法对花岗岩试件在空气中及饱和水两种条件下进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了相应的裂纹扩展速率V与应力强度因子KI的关系（KI -V曲线）及亚临界裂纹扩展参数,讨论了两种环境下裂纹亚临界扩展的规律,并对两种环境下亚临界裂纹扩展参数进行了对比分析。研究表明：采用常位移松弛法所测试的两种条件下的lgKI -lgV关系都有很好的线性规律。在双对数坐标空间中,含饱和水试件的lgKI -lgV曲线位于空气中试件lgKI -lgV曲线的左上角,曲线斜率减小,而截距增加。在同一应力强度因子水平上,含饱和水试件的裂纹扩展速度大,说明水能加速亚临界裂纹扩展,与实际相一致。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

含裂隙类岩石单轴压缩疲劳性能试验研究

为了研究含穿透裂隙类岩石的疲劳破坏行为,揭示含缺陷岩石疲劳损伤和破坏机理,本研究采用预埋抽条法制作含穿透裂隙白水泥试样,通过单轴压缩疲劳试验,探讨不同的裂纹倾角和应力分布对裂纹扩展的影响。试验结果表明：（1）低周疲劳破坏形态与静载压缩破坏形态基本一致,裂纹都是从裂隙尖端萌生,起裂角约为45°～75°,呈一定弧度向受压两端扩展,直至试样破坏,为典型的张拉I型断裂;（2）建立裂纹扩展长度与循环次数关系后发现,裂纹扩展速率随着循环次数的增加而先迅速增加后趋于平稳,最后又迅速增加,验证了疲劳破坏过程经历三个阶段,即疲劳裂纹初始塑性形变阶段、裂纹的缓慢增长阶段和裂纹的快速贯通阶段;（3）根据对疲劳应变能的分析可以看出,裂纹在萌生阶段所需要的能量较大,在裂纹开始扩展后,应变能密度基本保持不变,说明裂纹扩展过程中所需要的能量趋于稳定;通过对比不同应力水平、应力比的应变能密度曲线可以看出,在较大的应力水平、应力比下,应变能密度逐渐增加,表明试样在较大的应力水平和应力比下能够吸收更多的能量,裂纹的萌生与扩展也就更快。     

岩石类材料疲劳破坏裂纹扩展分析的数值方法

在进行岩石类材料疲劳断裂破坏的数值分析时,将损伤力学将裂纹形成与裂纹扩展两个过程有机结合在一起。根据裂纹形成阶段的疲劳曲线（S-N）,描述疲劳发展的损伤演变方程,提出了疲劳裂纹扩展的数值计算方法。建立了扩展阶段中裂纹尺寸与载荷循环次数之间的关系,从而将裂纹萌生与扩展这两个独立过程纳入一个统一的理论体系。该方法与断裂力学结合计算出的疲劳寿命与试验值相吻合。     

岩石细观统计渗流模型研究(Ⅰ): 理论模型

渗流模型是岩石流固耦合研究的一个关键问题。岩石在裂纹开始产生至裂纹充分贯通前，其渗透性质受内部孔隙和不断演化的微裂纹的共同控制。目前，岩石的渗流模型一般只是针对单纯的裂隙（或裂隙网络）或孔隙建立的，因此，不能很好地描述岩石裂纹扩展演化过程中的渗透性质和现象。针对这一问题，提出了岩石细观统计渗流模型，该模型将岩石裂纹演化过程中的渗透性视为一个非线性动态过程，同时，考虑了裂纹扩展演化和孔隙渗流的共同作用。因此，该模型可用于分析岩石裂纹扩展过程中的渗透性演化。     

加载速率对裂隙的断裂起动应力的影响研究

本文通过裂隙亚临界扩展的分析,提出一个计算低、中等应力率下裂隙断裂起动应力的新公式。通过冲击载荷下裂隙尖端应力强度因子-时间关系的积分,得到计算高、中等应力率下裂隙的断裂起动应力的公式。两公式的结合得到一个适用于从低到高各种加载速率的计算裂隙的断裂起应力的一般表达式。文章还分析了多裂隙材料的临界失稳断裂,提出了在高加载速率下材料的σfi-σ曲线是材料内所有裂隙的σfi-σ曲线的包络线的新观点,并由此得出布高加载速率下材料的断裂起动应力与加载速率的立方根成正比的结论。     

Initiation Stress of Crack

In this paper, through analyzing the subcritical crack growth, a new formula is presented which can be used to calculate the crack fracture initiation stress at low and middle stress rates. By way of integration of the stress intensity factortime relation of crack under impact load, is attained a formnla from which the crack fracture initiation stress at middle and high stress rates cen be calculated. Combination of the two formulae leads to a general expression for caloulating the crack fracture initiation stress at all stress rate, low or high. The critical unstable fracture of material which contains many cracks is also analyzed in this paper, and a new viewpoint is put forward that the σfi-σ curve of material at high stress rate is an envelop of all σfi-σ curves of crack in the material, which leads to a conclusion that crack fracture initiation stress is proportional to the cube root of loading rate.     

Extremely slow slope movements influencing the stability of Spis Castle,UNESCO site

Spis Castle, a monument included in the UNESCO World Heritage Site list (Eastern Slovakia) is built on a travertine mound overlying soft Paleogene rocks. Lateral spreading resulting from the subsidence of strong upper travertine into soft claystone strata has fractured and separated the castle rock into several cliffs. The differential movement of individual cliff faces is the primary influence on the stability of the monument. In order to monitor and quantify the movement, two techniques were adopted: a mechanical-optical TM-71 crack gauge and a demec gauge (demountable mechanical—SOMET type crack gauge). This paper presents the results and interpretation of medium and short-term monitoring at the site.     

Mode I crack propagation in concrete under fatigue: microscopic observations and modelling

In this study, three‐point bending tests were carried out on notched beams to investigate mode I crack propagation in plain concrete under fatigue. The first part of the study focused on microscopic observations of the crack growth features. Microscopic observations were made using the replica method associated with scanning electron microscopy (SEM). Observations of fatigue crack growth both on the surface and inside the specimens are presented as a comparison between the observed crack lengths and those estimated by the compliance calibration method. In the second part, a finite element model of mode I crack propagation under fatigue is presented. According to the cohesive crack concept, a cohesive force distribution on the crack at various loading stages is assumed, according to both the stress‐crack opening relation worked out by Hordijk (1991; Thesis, Technische Universiteit) and a new proposed relation with hysteresis loop. Finite element computation is used to evaluate the crack extension in the bending beams. Numerical predictions are discussed in comparison with experimental results. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

浅析受滨海潮汐作用影响的抽水试验

滨海地区地下水与海水有较强的水力联系。在做抽水试验的过程中,地下水位呈周期性的变化。通过工程实践,对地下水位受潮汐作用的影响进行了分析,对实测的Q（S）一t曲线进行修正,取得了较准确的水文地质参数。     

3‐D mesoscale simulation of crack‐permeability coupling in the Brazilian splitting test

In this paper, mesoscale hydromechanical simulations are performed to study (1) fracture features and (2) crack‐gas permeability coupling evolution in the context of the tensile splitting test. The mesostructure is based on a 2‐phase 3‐D representation of heterogeneous materials, such as concrete, where stiff aggregates are embedded into a mortar matrix. To take into account these heterogeneities without any mesh adaptation, a weak discontinuity is introduced into the strain field. In addition, a strong discontinuity is also added to take into account microcracking. This mechanical model is cast into the framework of the enhanced finite element method. Concerning the coupling with gas permeability, a double‐porosity method is used to simulate the flow through the cracks and the porosity. The apparent gas permeability is afterwards evaluated by a homogenization method. On the basis of finite element simulations, influence of aggregate size on ultimate crack opening, macroscopic ultimate tensile stress, total dissipated energy, and gas permeability evolution is numerically investigated. Furthermore, gas permeability evolution is also compared with experimental results from the literature. In addition, in the spirit of a sequential multiscale approach, macroscale gas permeability equations are identified from the hydromechanical results coming from the mesoscale computations. These equations lead to a relation between macroscale gas permeability evolution and crack opening. Besides, we show how the aggregate size influences the percolation threshold and that after this threshold, a cubic relation between macroscale gas permeability and crack opening is obtained.     

烧变岩体特性及其注浆扩散行为研究

烧变岩是煤层自燃引起周围围岩变质而形成的特殊类岩石。通过现场取样,在实验室对烧变岩试样进行了物理力学性质测试,试验结果表明：烧变岩的含水率略有降低,而力学强度普遍增强,泊松比略变小,烧变岩体裂隙发育。注浆压力作用下,分析了裂隙尖端的劈裂情况,在此基础上,利用宾汉浆液扩散模型编制了浆液在裂隙网络中的流动扩散程序,可以模拟浆液在非贯通裂隙网络内的流动扩散范围。最后对柠条塔井田烧变岩体进行注浆试验,利用浆液流动模拟程序进行了注浆压力的优化选择,并将实际浆液扩散范围与程序模拟浆液扩散范围进行对比,二者结果较吻合,该程序可以用来指导现场注浆工程参数设计和施工,同时烧变岩体注浆试验也为类似工程注浆施工提供一定的参考依据。     

考虑倾角与开度的薄基岩裂隙溃沙特性研究

顶板溃沙是我国西部矿区浅埋煤层开采过程中面临的安全威胁之一。利用自行研制的裂隙溃沙试验系统,开展无水条件下风积沙溃沙过程的模拟试验,研究沙层厚度、裂隙倾角和裂隙开度对溃沙速率的影响,获得不同影响因素与裂隙中风积沙流动速率之间的定量关系。研究发现,沙层厚度的变化对溃沙速率几乎没有影响;裂隙倾角的变化对溃沙速率有明显的影响,在裂隙开度一定的情况下溃沙速率随着裂隙倾角的增大而增大,两者之间呈对数关系;裂隙开度对溃沙速率的影响较为显著,裂隙倾角一定时溃沙速率随着裂隙开度的增大而快速递增,两者之间符合指数关系;裂隙开度对溃沙速率的影响权重最大,而沙层厚度的影响权重可以忽略。该研究成果可为西部煤矿溃沙灾害的防治提供理论依据和科学指导。     

应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。