岩石Ⅰ型裂纹动态断裂过程的应变片法试验研究

论文摘要

岩石动力学包含冲击和爆炸动荷载下的岩石力学响应和断裂机理,亦涉及岩石中裂纹的扩展行为和应力波波动特性,准确测定岩石动态扩展裂纹断裂力学参量对于岩石定向断裂、爆破破岩优化和围岩稳定性研究意义重大。本文基于理论分析和实验室试验,采用应变片法对冲击和爆炸动荷载下的Ⅰ型裂纹动态断裂力学参量进行计算和分析,部分试验辅以动焦散线法对比验证。研究的主要内容和成果如下:(1)提出了应变片法应用于岩石类材料Ⅰ型裂纹动态断裂力学参量的测试。基于线弹性断裂力学理论,采用Westergaard复变函数方法表征Ⅰ型动态扩展裂纹尖端附近应变场,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两种布置方式条件下,动态裂纹尖端附近的归一化应变采用与裂纹扩展速度、应变片黏贴位置等相关的二项式来表示,给出了基于裂纹尖端应变特征时间的二项式的相关系数确定过程和动态应力强度因子计算式。分析了二项式非奇异项系数、应变片粘贴距离、应变片粘贴角度、裂纹扩展速度和泊松比对理论计算的归一化应变与时间关系曲线影响,为提高Ⅰ型裂纹扩展速度和动态应力强度因子试验计算精度奠定理论基础。(2)结合冲击荷载作用下三点弯曲梁应变片法的适应性试验,获得了不同试验条件下试件裂纹动态断裂参量的变化特征。采用锐角、钝角应变片法测定的裂纹运动速度以及锐角应变片法确定的动态应力强度因子,与同步进行的动焦散线试验结果相近;与动焦散线法相比,钝角应变片法确定的裂纹动态应力强度因子在试件中部相差较小,其余位置相差较大,给出了钝角应变片法的动态应力强度因子修正系数;应变片粘贴于裂纹尖端附近0.6倍试件厚度deff距离内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好。试件厚度增大的条件下,应变片与扩展裂纹距离越大,动态应力强度因子准确度降低,裂纹扩展速度计算结果不受试件厚度影响。(3)首次运用应变片法揭示了冲击荷载下非透明岩石材料Ⅰ型裂纹动态扩展速度和应力强度因子的变化规律。结合数字高速摄像技术和应变片法,发现岩石断裂表现为白斑微裂纹损伤扩展的裂纹尖端应变能瞬时释放过程;利用裂纹断口扫描电镜图像,观察到沿直线扩展的裂纹断面平整、光滑,张拉应力占优,获得了岩石Ⅰ型裂纹扩展断裂特征。测定了岩石试样裂纹尖端附近应变大小为364～536με,显著低于有机玻璃裂纹尖端的应变(3870～5312με);裂纹扩展速度为475～687 m/s,动态应力强度因子为4.26～6.12 MN/m3/2,大于有机玻璃的动态断裂参量。(4)分析了切缝爆炸荷载作用的两个阶段。第一阶段,在爆轰波作用下,孔壁出现大量微裂纹,切缝装药定向聚能效应汇聚的爆炸能量使切缝方向微裂纹进一步萌生。第二阶段,在爆生气体“气楔效应”作用下,爆生裂纹持续高速扩展,在速度曲线上表现为稳定的速度平台,期间,在反射应力波作用下,裂纹扩展速度小幅震荡,之后继续原速度扩展。测得爆炸膨胀波作用下岩石应变远小于有机玻璃。揭示了切缝爆炸荷载作用下Ⅰ型裂纹的动态扩展速度和应力强度因子的变化规律。结合应变片法和数字动焦散线试验,得到了有机玻璃爆炸主裂纹的峰值扩展速度为457 m/s、极限动态应力强度因子为2.11 MN/m3/2,花岗岩爆炸主裂纹峰值扩展速度达到922 m/s、极限动态应力强度因子为6.94 MN/m3/2,明确了花岗岩爆炸断裂物理过程。(5)揭示了切缝爆炸荷载下预制裂缝尖端Ⅰ型分支裂纹扩展断裂力学参量变化规律。采用应变片法和动焦散线法同步开展试验,分析裂纹扩展速度和动态应力强度因子变化规律,结果对比、相互验证。爆炸应力波作用下,特定朝向角的应变片测得应变为负,表明膨胀波作用下测点处呈现压应变,随着测点距离增大,应变峰值衰减。爆生主裂纹与缺陷贯通后,自缺陷尖端萌生Ⅰ型分支裂纹。应变片法和动焦散线法测得的Ⅰ型分支裂纹断裂力学参量相一致。就单个炮孔爆生主裂纹及分支裂纹平均长度和而言,单孔单水平预制缺陷试件>双孔单竖预制裂缝试件>双孔双竖预制裂缝试件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 岩石动态断裂裂纹扩展理论研究现状
•   1.3 岩石动态断裂裂纹扩展测试方法研究现状
•     1.3.1 应变片法
•     1.3.2 光学法
•   1.4 主要研究内容
•   1.5 研究方法与技术路线
• 2 Ⅰ型裂纹动态断裂参量的应变片法试验原理
•   2.1 引言
•   2.2 裂纹尖端应力场的数学描述
•     2.2.1 裂纹尖端附近应力应变分析
•     2.2.2 动态裂纹尖端附近应变场的复变函数描述
•   2.3 Ⅰ型裂纹动态断裂参量应变片法测定
•     2.3.1 Ⅰ型裂纹扩展速度的确定
•     2.3.2 Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的确定
•     2.3.3 基于特征时间的应变片法理论计算与试验实测曲线关系
•   2.4 应变片法测定Ⅰ型裂纹动态断裂参量的影响因素分析
• 1/A₀的影响'>    2.4.1 非奇异项系数A₁/A₀的影响
•     2.4.2 应变片粘贴距离的影响
•     2.4.3 应变片粘贴角度的影响
•     2.4.4 裂纹扩展速度的影响
•     2.4.5 泊松比的影响
•   2.5 本章小结
• 3 冲击荷载作用下有机玻璃试件Ⅰ型动态断裂试验研究
•   3.1 引言
•   3.2 锐角和钝角应变片法与动焦散线法的同步比较试验研究
•     3.2.1 动焦散线法的试验原理
•     3.2.2 试验系统
•     3.2.3 试验方案设计
•     3.2.4 Ⅰ型裂纹断裂过程及断裂力学参量分析
•   3.3 垂直裂纹路径分布的不同距离应变片对比试验研究
•     3.3.1 试验方案及试验过程
•     3.3.2 试件断裂特征与动焦散线图片
•     3.3.3 裂纹扩展速度
•     3.3.4 裂纹动态应力强度因子
•   3.4 不同试件厚度对应变片法测定Ⅰ型裂纹断裂参量的影响
•     3.4.1 试验方案及试验过程
•     3.4.2 试件冲击断裂试验结果
•     3.4.3 裂纹扩展速度
•     3.4.4 动态应力强度因子
•   3.5 试件边界效应下钝角应变片法的修正
•   3.6 本章小结
• 4 冲击荷载作用下岩石Ⅰ型断裂过程应变片法试验研究
•   4.1 引言
•   4.2 岩石试样的制备与力学性能测试
•     4.2.1 岩石样品采集与制备
•     4.2.2 试样应力波波速测试
•   4.3 冲击荷载作用下岩石三点弯曲断裂试验
•     4.3.1 试验方案及试验过程
•     4.3.2 岩石试件冲击断裂试验结果
•     4.3.3 裂纹扩展速度
•     4.3.4 动态应力强度因子
•   4.4 冲击荷载下岩石试件断面微观形态
•     4.4.1 岩石断面SEM试验
•     4.4.2 结果与分析
•   4.5 本章小结
• 5 岩石切缝爆破定向断裂Ⅰ型裂纹动态扩展特征研究
•   5.1 引言
•   5.2 有机玻璃切缝爆破Ⅰ型裂纹扩展特征试验研究
•     5.2.1 试验方案
•     5.2.2 有机玻璃试件定向切缝爆破效果
•     5.2.3 试验结果与分析
•   5.3 岩石切缝爆破Ⅰ型裂纹扩展特征应变片法试验研究
•     5.3.1 试验方案
•     5.3.2 花岗岩试件定向切缝爆破效果
•     5.3.3 试验结果与分析
•   5.4 岩石切缝爆破断面微观形貌
•   5.5 动态荷载下岩石断裂参量对比分析
•   5.6 本章小结
• 6 爆炸荷载作用下预制裂缝的Ⅰ型裂纹动态扩展特性研究
•   6.1 引言
•   6.2 裂纹起裂角的理论分析
•   6.3 单炮孔切缝爆炸荷载下水平预制裂缝缺陷Ⅰ型裂纹扩展特性试验
•     6.3.1 试验方案及试验效果
•     6.3.2 应变片法试验结果
•     6.3.3 动焦散线法试验结果
•     6.3.4 爆炸应力波波速
•     6.3.5 Ⅰ型分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子
•   6.4 双孔切缝爆炸荷载下单预制裂缝缺陷Ⅰ型裂纹扩展特性模型试验
•     6.4.1 试验方案
•     6.4.2 爆炸裂纹扩展效果
•     6.4.3 应变片法及动焦散线法数据分析
•     6.4.4 Ⅰ型分支裂纹扩展速度
•     6.4.5 Ⅰ型分支裂纹尖端动态应力强度因子
•   6.5 不同药量切缝爆炸裂纹与双竖预制裂缝缺陷相互作用试验
•     6.5.1 切缝药包爆炸裂纹扩展效果
•     6.5.2 爆生主裂纹与分支裂纹的扩展速度
•     6.5.3 爆生主裂纹与分支裂纹的动态应力强度因子
•     6.5.4 爆生主裂纹与分支裂纹断裂物理过程分析
•   6.6 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 主要创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 在学期间发表的学术论文
• 在学期间参加科研项目
• 主要获奖

文章来源

类型: 博士论文

作者: 于强

导师: 李清

关键词: 爆炸冲击,岩石断裂过程,应变片法,型裂纹,动态应力强度因子

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: TU45

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000024

总页数: 150

文件大小: 13654K

下载量: 46