PBX炸药缝隙挤压加载下的破裂模式及点火响应

武器装药服役过程中内部容易产生缝隙等结构弱环。针对圆形缝隙开展PBX-3炸药及其模拟材料缝隙挤压加载实验。通过结构设计,使样品内部的宏观裂纹在实验结束后的拆卸过程中不发生破坏,保留裂纹原始形貌以便于观测分析。采用45°镜反射成像结合高速摄影,记录样品缝隙挤压的动态全过程。采用欧拉-拉格朗日耦合方法对炸药缝隙挤压过程进行仿真计算,用未点火情况下的实验数据进行模型参数校核,使用校核后的模型对点火情况进行再计算。基于做功和加热增加物体内能的等效性,对主导点火机制和点火时间进行分析。研究结果表明:缝隙挤压加载下样品内部形成滑移区和死区,两区分界面为锥面;对于φ0.8 mm直径的缝隙,强围压下挤压速度仅4.2 m/s即可导致点火,点火后的燃烧反应烈度随缝隙尺寸的减小而增加;数值模拟得到的挤压应力、速度及破裂模式与实验结果符合较好,滑移区与死区之间的挤压摩擦功率高达数千W/cm^(2),点火时间为百μs量级,引发点火的重要机制是滑移区-死区界面的挤压摩擦温升。

准中深层砂岩脆性及其对岩石破裂模式的影响规律

致密砂岩储层由于埋深大,受机械压实、溶蚀、交代等成岩作用的强烈影响,岩性特征十分复杂。随着油气资源勘探开发不断向深部储层发展,深层高地应力、高围压对储层脆塑性的影响严重左右了水力压裂效果和油气资源产量。准中深层致密砂岩油藏储量丰富,但由于储层埋深大、物性差且围压异常高,同时对其原位地质力学岩心脆性变化规律认识受限,使得传统油气开采手段无法满足生产需求。为此,结合物理实验和数值模拟技术,开展准中深层岩心的岩石力学特征、脆塑性转化、破裂模式及声发射特征差异性研究。结果表明:随着围压增加,岩石从脆性破坏逐渐过渡为塑性破坏,且破裂模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,砂岩脆性减弱;基于能量平衡方法和归一化处理的6种脆性指数所反映的砂岩脆性总体上呈下降趋势,但不同脆性指数的数值范围以及与脆性的相关性各异。不同脆性数值岩心模型的三轴压缩实验表明:当脆性矿物含量较低时,岩石呈现单斜面剪切破坏;随着脆性矿物含量增加,岩石破裂表现为多破裂面复合破坏模式。岩石破裂过程的声发射特征与其脆性存在相关性,主要呈现群震型、前震-主震-后震型和主震型3种模式。

页岩宏观破裂模式与微观破裂机理

通过对页岩组构特征、力学特征、裂纹和断口微观形貌特征的研究,揭示了页岩宏观破裂的微观机制、控制因素及其破裂模式。研究表明,页岩的宏观破裂受到组构特征、取心方向、围压等多种因素的影响,由页岩内部发育的孔隙和微裂隙扩展、合并、贯通而形成。宏观破裂模式包括剪切型破裂、拉张型破裂和滑移型破裂,微观上,微裂隙破裂主要包括剪切滑移型(Ⅱ型)、拉张型(Ⅰ型)两种类型。本质上,页岩的剪切破裂和滑移破裂都是由于微裂隙的剪切滑移破裂引起的,只因受页岩结构的影响表现出不同的破裂模式;拉张型破裂是由于微裂隙的张性扩展引起的。另外,宏观破裂过程中,微裂隙的剪切和拉张两种破裂共存,但对宏观破裂贡献大小不同。最后建立了页岩的破裂模式,即剪切型破裂、拉张型破裂和滑移型破裂,并从微观上解释了宏观破裂的微观机理。

辉长岩中张开型表面裂隙破裂模式研究

采用含张开型表面裂隙辉长岩试样,对单轴压缩荷载作用下预制裂隙的破裂模式进行一系列试验研究。试验结果表明:预制裂隙的破裂模式是以一种新的方式——反翼裂隙(其扩展方向是与翼裂隙方向相反的)模式为主的,且新生裂隙的起裂位置并不在预制裂隙的端部。翼裂隙只在试验的后期出现。预制裂隙倾角对试样的起裂应力影响较为显著,当60°≤α≤75°时,试样的起裂应力约为辉长岩抗压强度σc的75%;当30°≤α≤45°时,试样内部轴向应力值接近辉长岩抗压强度σc的90%时,预制裂隙才起裂。反翼裂隙扩展角为135°～145°,当反翼裂隙扩展长度达到预制裂隙长度的1/2时,其扩展方向基本与加载方向一致。裂隙扩展过程的声发射(AE)定位结果与试验观察结果是一致的,这表明反翼裂隙是张开型表面裂隙三维破裂模式的主要特征,反翼裂隙属于局部劈拉应力作用下的压张性裂隙(模式V),其扩展的具体理论机制目前还不清楚,值得进一步研究。此外,当预制裂隙倾角在45°附近时,试样起裂后极易发生爆裂现象,说明原生裂隙的倾角也许是影响岩爆现象的一个重要参数。

不同地应力状态下水力压裂的破裂模式

分析了水力压裂中各种可能的破裂模式及其相应的破裂压力,并给出了实际上究竟发生了哪类破裂的判定方法。分析表明,孔壁处的初始破裂模式依据不同的地应力状态和岩石的物理力学特性而表现为纯拉破坏或剪切破坏,且引起铅直剪切破裂的应力状态有两种不同的组合方式。

由二维破裂模式导出的地震定标律

使用二维矩形破裂模式,导出了大小不同地震的震源位移谱的表达式.位移谱有三个拐角频率f_c1,f_c2,f_c3.f_c1和f_c2分别联系着长度方向和宽度方向的破裂时间,f_c3联系着震源函数的上升时间.根据三个拐角频率,可以把位移谱u(ω)分成四个区域,在Ⅰ区,f<f_c1,u(ω)=u(0)∝f^0;在Ⅱ区,f_c1<f<f_c2,u(ω)∝1/f;在Ⅲ区,f_c2<f<f_c3,u(ω)∝1/f^2;在Ⅵ区,f >f_c3,u(ω)∝1/f^3.由于在四个区域u(ω)随频率的增加下降的速度不一样,决定了震源参数在不同的震级范围内(也就是不同地震矩范围)有不同的表达式.假定地震满足几何相似、应力环境相似以及动力学相似条件,因而地震矩M_0,长度和宽度方向的破裂时间、上升时间都可以用断层长度L来定标。根据Dziewonski and Woodhouse给出的1981—1983年800多个地震的地震矩M_0资料,以及BISC给出的面波震级M_s、体波震级m_b,来确定定标律中的常数.这样就可以从定标律推导出震源参数之间的统计关系.

断裂力学地震破裂模式和应力降模式的比较及其应用

借鉴断裂力学的研究成果和位错模式，提出了断裂力学地震破裂模式。根据此模式可以通过测定震源参数（位错量D与断层长度L；或地震矩M0与断层面积S；或地震矩M0与体波震级mb）直接估计构造环境剪应力场，同时还解释了应力降模式所存在的矛盾。用美国哈佛大学给出的1990-1999年分布在全球的7660个地震的M0和mb值，计算了这些地震的构造剪应力场г0值。结果表明，绝大部分地震的г0值在5-20MPa之间，平均值为10MPa。利用Geller收集的1923-1968年全球41个大地震的震源参数D和L；M0和S，估计了这些地震的构造剪应力场г0值。结果表明，板间地震г0的值为7MPa左右，板内地震为15MPa左右，全部平均值约为10MPa。我们还同时计算了地震时释放的应变能和地震辐射效率值，效率大约为5%，且与地震大小无关。

基于CT试验技术的沥青混合料破裂模式研究

要解决沥青路面开裂问题,需要通过对沥青混合料内部破裂过程进行研究。用CT试验方法结合断裂力学模型能很好地分析沥青混合料中裂纹扩展的规律,对在应力强度门槛值附近的裂纹分析可以得出其裂纹尖端分支裂纹扩展长度。该计算分支裂纹长度的方法优点在于不用测量混合料的断裂强度因子和表面能数据,具有一定的实际应用价值。

活动断裂的可变破裂尺度地震行为与级联破裂模式的应用

初步揭示出中国大陆地区活动断裂的地震破裂尺度可变行为 ,即在同一断裂部分不同轮回的破裂规模是不同的 ,因而地震强度也随时间变化 .这种变化的趋势不具必然性 .根据定义的相对破裂规模 ,统计表明 :两相继轮回的破裂规模相同的概率最小 .当前一轮回的破裂规模为“小”时 ,后一轮回的趋于“大”的概率为 0 .48;当前一轮回的破裂规模为“中”时 ,后一轮回的趋于“小”和“大”的概率分别为 0 .6 9和 0 .2 5 ;当前一轮回的破裂规模为“大”时 ,后一轮回的趋于“大”的概率为 0 ,而趋于“小”和“中”的概率分别为 0 .3 6和 0 .6 4 .笔者引入并完善了“级联破裂模式”,用于描述同一断裂部分破裂尺度的可变性和复杂性 .在总结已发生过级联破裂的走滑活动断裂基本特征的基础上 ,提出这类断裂的级联破裂分段的原则 .作为应用举例 ,对川西安宁河断裂带的一部分进行了级联破裂分段 ,并进而评估了未来地震的可能强度以及其对应的概率 .

金属薄板在圆锥头弹体正冲击下的破裂模式

临界破裂速度下(圆板产生破裂的最小速度),对四种不同材料的薄金属圆板在不同圆锥半角的圆锥头子弹正冲击下的破裂模式进行了试验。研究发现随着圆锥半角的增加,板的破裂模式分别有刺透型、花瓣型和剪切型。通过试验分析,建立了在不同圆锥头子弹以临界破裂速度正冲击下,金属薄板的破裂模式和子弹圆锥半角及金属薄板材料性能的关系。分析中考虑了子弹和板壁接触区域内的局部变形,给出一临界圆锥半角Ψc=arcsinexp(-0.5εf)(εf是金属薄板材料的真实破裂应变)。由此得到:临界破裂速度正冲击下,圆锥半角Ψ≤30°时,薄板破裂由子弹直接刺透板壁引起; Ψ>Ψc且Ψ≥30°时,薄板破裂模式是剪切型;当30°<Ψ<Ψc时,薄板破裂模式是花瓣型。

低弹模包体强度对试样破裂模式影响的数值试验

应用自行开发的岩石破裂与失稳RFPA2D系统 ,对含低弹模不同强度的包体试样的破裂模式进行了数值试验 .结果表明 :随着包体强度的增大 ,包体声发射总次数呈明显的下降趋势 ,而包体主破裂位移加载量呈上升趋势 ,试样最大承载力呈上升趋势 ;包体水平轴线上各单元点的剪应力降总是先发生在包体两端位置处 ,当包体强度较小时 ,剪应力降由包体水平轴线中央向其两端扩展 ,当包体强度较大时 。

软硬接触对含包体试样破裂模式影响的数值试验

运用自行开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对包体与母岩间软、硬接触对包体试样破裂模式的影响进行了数值试验。研究认为 :软、硬接触对包体试样的破裂特征和试样最大承载力起着重要的影响 ,软接触对包体试样的破裂特征和最大承载力起着决定性的影响 ,而包体本身所起的作用并不重要。

高弹模包体强度对试样破裂模式影响数值试验

应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的RFPA2D系统 ,对含高弹模不同强度的包体试样的破裂模式进行了数值试验 .结果表明 :随着包体强度的增大 ,包体主声发射位移加载量呈上升趋势 ;试样最大承载力和临界应力呈上升趋势 ,残余承载力呈下降趋势 ;当包体与母岩强度接近时 ,包体破裂程度低 ,主声发射频度低 ;当包体与母岩强度相差较大时 ,包体破裂程度高 ,主声发射频度高 ;当包体强度较小时 ,剪应力降由包体垂直轴线中央不断向其两端扩展 ,而当包体强度较大时 ,剪应力降由包体垂直轴线的两端向其中央扩展 .

包体泊松比对含包体试样破裂模式的影响的数值试验

运用自行开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D,在考虑岩石材料非均匀性的基础上 ,对含不同泊松比的包体试样的破裂模式进行了数值试验。研究认为 :包体泊松比对含包体试样的破裂模式有重要影响。随着包体泊松比的增大 ,包体试样的最大承载力、主声发射能量及总声发射能量都呈上升趋势 。

薄金属圆板在圆锥头弹体正冲击下的破裂模式

在临界破裂速度下(圆板产生破裂的最小速度),对四种不同材料的薄金属圆板在具有不同圆锥半角的圆锥头子弹正冲击下的破裂模式进行了实验研究。发现,随着圆锥半角的增加,板的破裂模式分别有刺透型、花瓣型和剪切型。并且,对一种材料的板,存在一个临界转换半圆锥角,当ψ>ψ cc时,板为剪切型破坏,当ψ<ψ 时,子弹在冲击点处形成小孔。

基于X射线CT基础上的砂岩破裂模式研究

借助CT机对砂岩破裂过程的实时观测以及结合CT图像和CT数的分析发现:在单轴和三轴压力作用下,砂岩CT数方差变化剧烈的地方发生脆性变化,而方差比较稳定的地方发生塑性变化;当有渗透水流作用时,砂岩应变特性与干砂岩的应变特性有明显差异,峰值强度显著增大,残余强度也明显增加;砂岩在单轴干燥状态下发生脆性破坏,而在有渗透压力和围压的情况下发生塑性破坏。通过CT技术可以方便地计算出砂岩的实时孔隙率。

冷龙岭断裂带全新世破裂模式、大震复发特征研究及其区域构造意义

青藏高原东北缘发育有一系列走滑逆冲断裂带,冷龙岭断裂带恰位于其东部最前缘部位,是青藏高原东北缘一条非常重要的左旋走滑构造带,同时冷龙岭断裂带也是祁连—海原构造带的重要组成段落之一,其构造变形与地震活动也直接揭示了祁连—海原构造带对整个青藏高原东北缘构造变形的调整与传递作用。然而,同周围一系列具有强震构造背景的活动断裂带相比,目前对冷龙岭断裂地震地质研究程度仍有待加强。有关冷龙岭断裂带晚更新世以来滑动速率的研究结果分布在很大的研究范围内,有关冷龙岭断裂带全新世活动习性与大震复发特征的研究也有待深入。有学者认为,冷龙岭断裂带与金强河断裂、毛毛山断裂带与老虎山断裂共同构成“天祝地震空区”。发生在2016年与1986年的两次门源地震,造成该区地震地质研究形势更加严峻。对冷龙岭断裂带全新世破裂模式、大震复发特征进行研究,并明确其区域深部结构特征、地壳变形模式,综合构建冷龙岭断裂带及区域地震构造模型非常有必要,相关研究结果也将提升对冷龙岭断裂带及该区域地震活动性的认识,为冷龙岭及门源地区地震灾害防御提供重要依据。相关成果还可以促进对祁连—海原构造带整体地壳变形继承关系的认识,增强对该区第四纪地震构造环境与构造动力学特征的理解,更全面地认识冷龙岭断裂带在青藏高原东北缘的构造地位与意义。

在圆锥头弹体正冲击下薄壁金属圆板破裂模式的实验研究

报道了四种不同材料的薄金属圆板在不同锥头子弹正冲击下破裂的实验结果 ,实验中测量了薄金属圆板在不同锥头子弹正冲击下的临界破裂速度 ,确定了正冲击下圆板的破裂模式 .

四川盆地南缘五峰—龙马溪组海相页岩压缩变形试验与破裂模式研究

页岩气勘探开发的关键是通过储层压裂技术形成大规模的裂隙网络,评价页岩储层可改造性是储层压裂技术的基础,岩石力学和变形特性与储层可改造性关系密切。在四川盆地南缘五峰—龙马溪组海相页岩宏微观特征观测的基础上,通过页岩单轴压缩变形试验,获得其岩石力学参数,结合所得应力-应变曲线及破裂形态分析,结果表明:页岩抗压强度和杨氏模量相对偏低、脆性特征显著;页岩具有单斜面剪切破裂及劈裂式破裂两种模式,其破裂模式决定于页岩层理和加载方向;页岩岩石力学性质与破裂模式受诸多因素影响,非均质性是其中最重要的影响因素。

不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响

为研究不同石英砂含量的类岩石材料在单轴压缩下的力学特性与破裂模式,对3组石英砂含量不同(25%,35%和45%)的类岩石材料进行单轴压缩声发射试验.研究表明:在力学特性上,随着石英砂在所研究范围内增加,类岩石材料的强度与弹性模量均呈现先增大后减小的趋势.声发射特性上,随着石英砂含量增加,声发射事件率会存在一个声发射“事件率饱和点”,声发射事件率呈现先增大后减小的趋势.破裂模式上,当γ值大于μ值时则出现剪切裂纹,当μ值大于γ值时则出现拉伸裂纹.结果表明,随着石英砂含量的增加,类岩石的破坏趋向简单且剪切裂纹逐渐减小.