岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD-SHPB(Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验,进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,测得不同温度下试件两端平均载荷P珔随时间的变化关系,将最大P珔max代入中心裂纹圆盘应力强度因子K I公式,获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度K Id。测试结果表明,温度处于10~100℃时,花岗岩动态断裂韧度K Id随着温度的升高逐步下降,近似呈线性关系。     

温度对岩石类材料断裂性能的影响研究

根据CCCD-SHPB测试原理,利用平台巴西圆盘研究温度对岩石类材料断裂性能的影响,实验过程中通过控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度.根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法,在SHPB装置上完成岩石类材料的动态断裂韧度随温度变化的测试,获得了不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度.     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

摘要：
采用CCCD SHPB(Central Cracked Circular Disk Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷P(t)随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50~350 GPa·m1/2/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.
关键词：
动态断裂韧度; 加载速率; 霍普金森压杆; 中心裂纹圆盘
中图分类号： TU 45
文献标志码： A     

岩石动态断裂韧性测试的失稳判据研究

根据应力强度因子和断裂韧性的定义,研究并分析了应力强度因子的影响因素;表明试件的几何尺寸和物质材料的应力强度水平对应力强度因子起着决定性因素。辨明了起裂韧性、断裂韧性和止裂韧性的区别与联系;针对断裂K准则,提出了动态断裂韧性测试中的失稳判据,即dσ/dt=0,得到了试件所受的最大载荷对应于裂纹的失稳判据;并通过SHPB冲击装置,对这个失稳判据进行了验证。发现在8.0×10~4到35×10~4MPa·m~(1/2)s~(-1)的加载速率范围内,试验所用玄武岩的动态断裂韧性随着加载速率的增大而增大的规律。     

45#钢动态断裂韧性测试的试验研究

利用旋转盘式间接杆—杆型冲击拉伸试验装置,对带周边切口的短圆柱小试件(45#钢)进行了室温下的平面应变型弹塑性材料动态断裂试验。用试件两端的平均载荷—相对位移曲线(P-δ)来推广Rice公式确定动态J积分,采用柔度变化率法确定起裂时间,从而获得表征弹塑性材料动态起裂韧度JID。冲击拉伸试验表明,作为典型的应变率相关弹塑性材料的45#钢,其断裂韧性随加载速率的增加而下降。     

SHPB加载下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

 为研究裂隙倾角对类岩石试样的强度与变形特性、裂纹扩展规律及破坏过程的变化趋势的影响,对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行霍普金森杆（SHPB）加载试验。研究发现,SHPB加载作用下类岩石试样的应变阶段分段不明显,基本不存在应变软化阶段以及残余强度段。SHPB加载作用下,类岩石试样的峰值强度的变化趋势与静载荷作用下基本相同。随着预制裂隙倾角变化呈先变大后减小的V字形变化。在裂隙倾角为45°时,试样的峰值强度最小,0°和90°试样的峰值强度与完整试样极其接近。且SHPB加载作用下的类岩石试样的强度增加比较缓慢,峰值强度基本都小于相同条件下静载荷的峰值强度。随着预制裂隙倾角的增大,起裂角逐渐减小。当预制裂隙倾角较小时（0°,15°）,起裂角接近90°。与静载荷作用下的变化趋势是一致的。SHPB加载过程与静载荷不同,类岩石试样从开始加载至完全破坏总时间为约为2 s,速度极快。     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

岩石类介质SHPB试验加载波形的数值分析

采用基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D对大直径SHPB装置中压杆的应力波弥散效应进行二维数值分析,讨论了矩形应力脉冲和三角形应力脉冲两种加载波形对弥散结果的影响.结果表明,基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D能够较真实地模拟SHPB试验中波形传播过程;在大直径SHPB实验技术中,由于压杆的横向泊松效应,波形在传播过程中的弥散现象明显;选择合适的加载波形可以有效降低SHPB装置中应力波的弥散效应,其中三角形波加载可以降低大直径SHPB动态测试中的应力波弥散,是岩石混凝土等非均匀材料SHPB动态测试的较理想加载波形.     

脉冲载荷影响岩石动态断裂韧性的有限元分析

依据岩石材料的力学性质以及中心裂纹圆盘试件在脆性材料断裂韧度测试方面的优越性,提出了在霍布金森压杆上使用中心裂纹圆盘试件来测试岩石动态断裂韧度的试验方法。利用有限元分析软件,通过对该试验系统的纯Ⅰ型加载情况下的三维动力学有限元计算,系统的分析了加载脉冲上升沿对岩石类材料动态断裂韧度测试的影响。通过比较中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解,依据有限元分析结果确定动载荷脉冲上升沿时间对岩石动态应力强度因子的影响,从而选择合理的时间值。     

高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响

干热岩开采等实际工程中高温-水冷循环和强扰动加剧了岩体力学性能的劣化,极易影响工程安全性和经济性。为研究高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响,对400℃下经历不同次数（0、2、4、6次）高温-水冷循环后的色季拉山花岗岩进行物理性质试验,采用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）进行冲击压缩试验,通过破碎形态和分形维数分析花岗岩试件破碎规律。结果表明:随着循环次数的增加,花岗岩外观颜色变暗、变黄,表面裂纹增多,粗糙程度增大;花岗岩密度、P波波速、动态抗压强度与循环次数均呈负相关,P波波速和动态抗压强度在前2次循环期间分别急剧下降42.53%和4.57%～10.80%;在相同循环次数下,花岗岩动态抗压强度随加载速率的增大而显著增加,表现出明显的应变率强化效应;在相同加载速率下,花岗岩破碎程度随循环次数的增加而加剧,在相同循环次数下,花岗岩主要破坏形式随加载速率的增加由劈裂破坏变为块状、粉碎破坏;花岗岩分形维数变化规律与破碎形态变化规律一致,经历6次高温-水冷循环,分形维数增幅为3.44%～11.52%。     

用短棒试件测定岩石的动静态断裂韧度

采用自行设计的加载压头和粘接在V形切口短棒岩石断裂韧度试件上的2个半圆形钢片,实现了通过压头施加压缩载荷从而使裂纹尖端承受拉仲载荷的目的。用这种方法可测定岩石的断裂韧度。特别是可以在分离式霍布金生压杆装置上较方便地测定应力波加载时岩石的动态断裂韧度。研究了加载率对岩石断裂韧度等材料性能的影响,并给出大理岩动静态断裂韧度的测定结果。     

岩石动态断裂试验

对于ＩＮＳＴＲＯＮ试验机，开发了高速加载试验控制软件，并利用该软件进行岩石动态断裂韧度试验研究，试验表明：ＩＮＳＴＲＯＮ试验机和开发的软件结合，能对各种材料进行动态断裂试验，并能揭示岩石动态断裂韧度存在的某些特征，是在中等应变速率加载范围内进行高速加载试验的理想工具。     

三点弯曲单试样测定高强高韧钢断裂韧度JIC的柔度方法

针对金属材料延性断裂韧度ＪＩＣ测试中存在的测试手续繁杂，消耗材料多等问题，根据试样在加载过程中裂纹扩展，柔度增加的原理，导出新的Ｊ积分与柔度Ｃ的关系，通过加载卸载法计算出柔度Ｃｉ，     

油水含量对砂岩断裂韧性的影响

为研究油水含量对砂岩断裂韧性的影响,提出了一种新的砂岩试件油水饱和方法,并通过三点弯实验测试了不同油水含量下砂岩的断裂韧性。研究发现:当砂岩孔隙中仅含有一种饱和流体时,饱和油砂岩的断裂韧性比饱和水砂岩的断裂韧性大;当试件中含有两种饱和流体时,油水混合试件的断裂韧性介于饱和油、饱和水试件的断裂韧性之间;饱和油、饱和水及油水混合砂岩试件的断裂韧性比干燥试件断裂韧性低10%~50%。微观角度上,从吸附作用、水化作用、黏土膨胀和毛细管力等方面分析了油水含量对砂岩断裂韧性的影响;水化作用比毛细管力对砂岩断裂韧性的影响显著。宏观角度上,基于应力-应变曲线对砂岩断裂过程进行了能量耗散分析;所有试件均有能量耗散,耗散能量比为5%~30%;干燥试件的能量耗散比低于油水混合试件的能量耗散比,平均低约10%。     

基于局部法由示波冲击试验对断裂韧性的预测

研究了基于局部法由冲击试验对三点弯曲试样断裂韧性的预测。通过对X65管线钢韧脆转变温度下的示坡冲击及三点弯曲试验，得到示波冲击试验每个试样的能量-时间、载荷-时间、载荷点位移一时间的关系曲线和三点弯曲试验每个试样的断裂韧性值。利用有限元方法分析了示波冲击及三点弯曲试样裂纹尖端的应力场，通过自编程序求出示波冲击试样和三点弯曲试样的材料局部断裂参量，验证了临界成布尔应力符合局部法理论中的双参数成布尔分布，且证明了对本研究的两类试样，临界成布尔应力与试样尺寸和加载形式无关。基于局部法在脆性断裂条件下成功地实现了由示波冲击结果来预测三点弯曲试样的断裂韧性，不仅验证了局部法理论对X65管线钢的适用性，而且证明基于局部法可以通过冲击吸收功来预测和评价材料的断裂韧性。     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

裂纹缺陷对结构动态断裂行为的影响效应研究

采用落锤冲击加载的方式,结合焦散线方法,研究了裂纹缺陷对有机玻璃(PMMA)板条试件动态断裂行为的影响效应。通过对试件断裂破坏过程的观测和分析,得到了裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。结果表明,该试验加载条件下,结构的断裂韧度约为1.00 MN/m~(3/2);裂纹缺陷的存在对运动裂纹扩展的总体效果是抑制的,含裂纹缺陷试件中运动裂纹的扩展时间约为不含裂纹缺陷的1.5倍;随着裂纹缺陷长度的增加,运动裂纹在缺陷处再次起裂更为困难。