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。     

爆炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性试验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了平板中预制贯通裂纹在爆炸应力波作用下端部衍生分支裂纹及爆炸主裂纹的扩展规律。预制贯通裂纹面在压缩应力波及反射拉伸波作用下表现出明显的张开和闭合交替变化,预制贯通裂纹减弱了爆炸主裂纹的动态扩展行为,爆炸主裂纹难以穿过预制贯通裂纹继续扩展。分支裂纹是爆炸应力波在预制贯通裂纹端部衍射效应形成应力集中而衍生、起裂、扩展,其开裂角与预制贯通裂纹、爆炸应力波入射角密切相关,分支裂纹尖端沿着最大能量释放率方向起裂,逐渐平行于最大主应力的方向稳定扩展,中后期扩展多表现为复合型断裂。爆炸分支裂纹的动态应力强度因子、扩展速度低于爆炸主裂纹,获得了分支裂纹起裂韧度为0.50～0.65 MN/m3/2、止裂韧度为0.25～0.35 MN/m3/2。     

条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究

采用动态焦散线试验和ABAQUS数值分析方法,对条形药包爆破载荷作用下不同角度预制贯通裂纹的扩展行为进行了研究。研究结果表明：在爆炸应力波的作用下,柱部区域和端部区域0°预制贯通裂纹远端翼裂纹背离炮孔方向扩展,而近端翼裂纹朝向炮孔扩展。预制贯通裂纹远端的应力集中程度较近端高,并且远端翼裂纹的止裂韧度更低,翼裂纹更易扩展。在爆炸应力波的作用下,柱部区域90°预制贯通裂纹由张开逐渐转为闭合,爆炸应力波在已闭合的预制贯通裂纹面发生透射,并在预制贯通裂纹尖端产生压剪应力集中,形成以II型断裂为主的I-II复合型裂纹,并近似垂直于预制贯通裂纹面扩展,随后,在自由面反射应力波的作用下,反翼裂纹沿预制贯通裂纹面起裂扩展;炮孔端部区域90°预制贯通裂纹处翼裂纹的起裂是由于爆炸应力波在预制贯通裂纹处产生反射拉伸波的结果,促使预制贯通裂纹端部产生拉应力集中,形成近似I型裂纹,随后,翼裂纹逐渐转向爆炸应力波传播方向扩展。     

预裂爆破作用下岩石裂纹动态应力强度因子分析

通过有限元分析软件ANSYS数值模拟手段,分析了爆破荷载作用下,裂纹长度与类型、不同的装药量对裂纹尖端动态应力强度因子的影响以及预裂与光面爆破动态应力强度因子比较分析,计算得出：预裂爆破预裂缝的产生主要是从炮孔处产生的开口裂纹在冲击波以及爆生气体的作用下扩展形成的;随着药径与孔径比的增大,动态应力强度因子也逐渐增大,动态应力强度因子曲线形态不变;由于自由面的存在,光面爆破裂纹应力强度动态因子后续峰值较预裂爆破的大。     

应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子试验研究

基于扩展裂纹尖端附近应变场分析,采用冲击载荷作用的三点弯曲梁进行试验,开展了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的研究。明确了应变片与裂纹扩展方向之间朝向角为特定锐角和钝角条件下,动态裂纹尖端附近的归一化应变采用与裂纹扩展速度、应变片黏贴位置相关的二项式来表示,给出了二项式的相关系数确定过程和动态应力强度因子计算式。结果表明,二项式的理论计算的应变与时间关系变化曲线与试验实测相吻合;选取曲线最大值两侧3/4峰值处的时间差为特征时间?t时,理论计算结果与实测的应变与时间关系一致性较高;选用理论计算和试验实测的应变与时间关系变化曲线最大值,结合计算式,确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子,同时,与采用动焦散线法计算的结果进行对比,验证了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的可行性。研究过程为应变片法在岩石断裂力学特征量的测定提供了理论基础。     

圆孔缺陷与I型运动裂纹相互作用的试验研究

为了研究运动裂纹与圆形孔缺陷的相互作用机制,采用数字激光动态焦散线方法进行了含圆形孔缺陷的冲击试验。结果表明：在冲击载荷下,I型运动裂纹在与圆形孔贯通前,断裂面光滑,扩展路径平直;运动裂纹从圆形孔上端起裂后,断裂面凹凸不平,扩展路径也更为弯曲。当运动裂纹朝向邻近的圆形孔扩展时,圆形孔对运动裂纹的扩展速度和动态应力强度因子有抑制作用,且随着圆形孔直径的增大,这种抑制作用不断增强。当运动裂纹与圆形孔缺陷汇聚后,圆形孔阻碍了裂纹的继续扩展,裂纹尖端被钝化,钝裂纹的起裂韧度较尖裂纹提高9.58%～13.87%,裂纹再次起裂时的扩展速度和动态应力强度因子存在明显的跳跃,表明钝裂纹更难起裂,需要消耗的能量更多。     

岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。     

含多裂纹沥青路面的动力响应分析

考虑沥青材料的黏弹性,结合动力学和断裂力学理论,通过有限元数值模拟研究了含多裂纹沥青路面在移动交通荷载作用下的动力特性,考察了裂纹间距变化对动态应力强度因子以及裂纹尖端应力的影响。研究结果表明,在移动交通荷载作用下基层底面裂纹处于Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子交替控制下;裂纹间距增大,对基底裂纹应力强度因子的影响逐渐减小;表面裂纹尖端在移动荷载距其较近时受压应力,且随裂纹间距增大,最大压应力先微弱减小后逐渐增大;在移动荷载经过表面裂缝时,裂缝尖端经历了方向相反的剪切作用,随着裂纹间距的增大,最大剪应力呈现先减小后增大的趋势。同时对加铺土工布这一阻裂措施利用数值模拟进行了验证。     

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。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

An Experimental Study of Crack Coalescence Behaviour in Rock-Like Materials Containing Multiple Flaws Under Uniaxial Compression

Experiments on man-made flawed rock-like materials are applied extensively to study the mechanical behaviour of rock masses as well as crack initiation modes and crack coalescence types. A large number of experiments on specimens containing two or three pre-existing flaws were previously conducted. In the present work, experiments on rock-like materials (formed from a mixture of sand, plaster, limestone and water at mass ratio of 126:9:9:16) containing multiple flaws subjected to uniaxial compression were conducted to further research the effects of the layout of pre-existing flaws on mechanical properties, crack initiation modes and crack coalescence types. Compared with previous experiments in which only three types of cracks were found, the present experiments on specimens containing multiple flaws under uniaxial compression revealed five types of cracks, including wing cracks, quasi-coplanar secondary cracks, oblique secondary cracks, out-of-plane tensile cracks and out-of-plane shear cracks. Ten types of crack coalescence occurred through linkage among wing cracks, quasi-coplanar secondary cracks, oblique secondary cracks, out-of-plane shear cracks and out-of-plane tensile cracks. Moreover, the effects of the non-overlapping length and flaw angle on the complete stress–strain curves, the stress of crack initiation, the peak strength, the peak strain and the elastic modulus were also investigated in detail.     

曲线翼型裂纹扩展路径理论分析及试验验证

采用数值和试验的方法对翼型裂纹的扩展路径进行分析,发现单轴下张开型裂纹的翼型裂纹的扩展路径逼近于过原主裂纹中心点、平行于最大主应力的一条直线。基于翼型裂纹路径这个特点,采用了双曲线参数方程近似表达真实翼型裂纹的扩展路径,通过翼型裂纹的起裂角、起裂点及翼型裂纹的渐近线方程求解了双曲线方程中的未知参数。采用双曲线翼型裂纹路径和试验中所得翼型裂纹路径进行了对比分析,二者吻合得很好,验证了采用双曲线近似表示真实存在的翼型裂纹模型的正确性。应用双曲线翼型裂纹模型对翼型裂纹的扩展和失稳进行分析,采用ABAQUS求解了双曲线翼型裂纹模型的应力强度因子,并与试验进行对比,发现双曲线翼型裂纹模型能很好地解释翼型裂纹的实际扩展规律,这表明了采用双曲线近似表示真实翼型裂纹路径的有效性。     

含偏置裂纹的三点弯曲梁破坏过程颗粒流模拟

为研究三点弯曲梁在荷载作用下的破坏模式,采用颗粒流程序PFC2D对含不同位置和高度的预置裂隙的三点弯曲 梁破坏过程进行了模拟。结果表明：预制裂隙的长度与位置共同影响梁的破坏;当预置裂隙的位置离加载点较远时,主 要是预置裂隙的高度对梁的破坏产生影响,当裂隙高度超过70 mm时,试件的破坏模式发生变化;当预置裂隙高度一定 时,预置裂隙的位置是试件发生破坏的主要影响因素,当距离支撑点的距离超过100 mm时,试件的破坏模式发生了改 变;试件的破坏过程伴随着能量的积累和释放。相比较于有限元法和有限差分法,离散元法能更好的模拟出材料裂隙产 生和发展的过程。     

含偏置裂纹的三点弯曲梁破坏过程颗粒流模拟

为研究三点弯曲梁在荷载作用下的破坏模式，采用颗粒流程序PFC2D对含不同位置和高度的预置裂隙的三点弯曲 梁破坏过程进行了模拟。结果表明：预制裂隙的长度与位置共同影响梁的破坏；当预置裂隙的位置离加载点较远时，主 要是预置裂隙的高度对梁的破坏产生影响，当裂隙高度超过70 mm时，试件的破坏模式发生变化；当预置裂隙高度一定 时，预置裂隙的位置是试件发生破坏的主要影响因素，当距离支撑点的距离超过100 mm时，试件的破坏模式发生了改 变；试件的破坏过程伴随着能量的积累和释放。相比较于有限元法和有限差分法，离散元法能更好的模拟出材料裂隙产 生和发展的过程。     

加锚预制裂隙类岩体锚固机制试验研究及其数值模拟

为研究锚杆对裂隙岩体的锚固机制及其影响因素,对预制锚固单排裂隙试件进行单轴破断试验。提出了主控裂纹的概念,即控制试件强度弱化和最终破坏的一条或几条大裂纹称为主控裂纹。在不同的锚固条件下主控裂纹会有不同的产状：在有效锚固范围内,裂隙试件具有横向和纵向两类主控裂纹,而在无锚或有效锚固范围之外的试件仅有纵向一条主控裂纹贯通。通过声发射和应力监测表明,在有效锚固范围内锚杆能延迟主控裂纹产生和提高裂隙试件强度。另外,利用ANSYS软件对不同锚固条件下的裂隙尖端应力强度因子进行数值计算,得到了锚固距离和锚固倾角与裂隙尖端应力强度因子之间的关系;通过FLAC3D模拟了不同锚固距离下主控裂纹贯通模式,数值模拟与试验结果比较吻合。     

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。     

Morphological aspects of crack growth in rock materials with various flaws

Crack evolution is initiated by the occurrence of tensile wing cracks and is then further promoted due to the crack coalescence caused by the extension of a central tensile crack segment between two relatively adjacent flaws. To understand such progressive failures in rock, a parallelized peridynamics coupled with a finite element method is utilized. Through this method, the initiation position of tensile wing cracks is observed with respect to varying inclination angles of a flaw, and then its corresponding shifting mechanism is investigated. In addition, the phenomenon of the position shifting being sensitive to various flaw shapes is discussed. Moreover, it is observed that the inclination angle of a central flaw affects the initiation position of other flaws; therefore, the initiation positions of tensile wing crack emanating from other neighboring flaws are analyzed with their angles. Following tensile wing cracks, a central tensile crack segment occurs in the bridging region between a central flaw and other neighboring flaws; the developmental patterns caused by the crack segment are discussed as well. Finally, the role a central tensile crack segment plays in the formation of crack coalescence and specimen failure is investigated in detail. The numerical results in this paper demonstrate good fidelity with established physical test results and complement them, thereby expanding the understanding of fracturing morphology in rock specimens with various flaws.