爆后岩石裂隙结构可视化及定量表征方法

爆后岩石破坏特征的定量表征一直是工程爆破领域急需解决的关键问题,爆后岩石裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程是导致岩石破裂的主要原因。为了研究被爆岩石内部裂纹扩展和断裂模式的演化过程,利用工业CT对爆后岩石进行扫描观测,通过图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型,并对裂纹结构特征参数进行统计分析,定量化表征岩石破坏程度及裂纹扩展情况。结合数值模拟分析爆炸冲击波压力的衰减规律,通过SEM电镜扫描试验研究爆破过程中不同位置岩石的微观形貌特征,对比断口元素成分变化与断裂模式的关联机制。研究结果表明:用等效球体方法对岩体内不同尺度裂隙结构进行统计分析,微裂隙数目多且分布均匀,主裂隙体积大且连通性较好。随着裂隙等效球体直径的增加,裂隙表面积和体积整体上呈上升趋势;三维重构裂隙结构中裂隙率可以表征岩石局部裂纹扩展特征,爆炸近区裂隙率和三维分形维数远大于爆炸中远区的裂隙率和分形维数,说明岩石破裂过程中裂隙扩展演化主要在此阶段进行;相较于爆炸中远区,爆炸近区冲击波压力峰值高且衰减速率慢,使得整个爆破过程岩石微观断裂模式变化较大,大致呈现出由沿晶断裂向穿晶断裂、脆性断裂向塑性破坏的方向进行,非金属元素质量的变化对于各阶段断裂模式转变具有显著影响,断裂模式转变区域非金属元素质量发生明显减小。随着爆破作用的减弱,岩石破裂逐渐趋于无序和紊乱,破裂时断口也不限于解理面和晶粒边界。

不同耦合介质爆破裂纹动态扩展特性研究

不耦合装药结构能有效改善爆破效果。为探究不同耦合介质对爆破效果的影响,利用透射式数字激光焦散线实验系统,对有机玻璃板(polymethyl methacrylate,PMMA)试件开展水、空气、沙土3种耦合介质的不耦合爆破试验,研究不同耦合介质爆后裂纹形貌,计算裂纹分形维数,定量评价岩石破坏程度。分析裂纹扩展速度与动态应力强度因子变化规律,对比不同耦合介质下爆生裂纹的动态力学行为。结合数值模拟进行辅助分析,解释不同耦合介质对数值模拟中爆破损伤范围、孔壁压力时间曲线和岩石模型的总能量曲线的影响规律。结果表明:水耦合爆后裂纹分形维数最大,炮孔周围裂纹数量众多,主裂纹扩展长度最大,爆破效果最佳。沙土耦合爆破需要更多的能量使裂尖起裂,其动态应力强度因子最大。模拟得到的损伤云图与实验结果一致,水耦合损伤范围最大,空气耦合次之,沙土耦合损伤范围集中在炮孔周围。而孔壁压力时程曲线、能量时程曲线则验证爆破实验结果,表明水耦合爆破能更好地利用爆炸能量,提高试件的破坏效果。

冲击荷载下含层理介质动态裂纹扩展特性研究

利用数字激光动态焦散线实验系统(DLDC),对含不同层理角度(30°,45°和60°)的3组有机玻璃板(Polymethyl methacrylate,PMMA)试件进行三点弯落锤冲击试验,借助高速相机记录了试件的断裂过程和裂纹尖端的动态焦散斑形状变化过程,得到了其Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子的变化特征,并分析了其裂纹尖端位移及速度曲线.结合离散格子弹簧模型(DLSM),对比分析了试件的断裂形态,得到了裂纹尖端的应力场和运动场的变化规律,研究了应力波在层理处的透射和反射特征,最后利用DLSM分析了层理参数对介质断裂特性的影响.结果表明,试件的断裂特征,裂纹的起裂时间等都随层理角度的变化而不同,裂纹在不同角度层理内扩展速度不同;试件的断裂表现出拉剪复合特征;裂纹在抵达层理前速度在某一数值上下波动;层理的弹性模量和厚度都会对试件的动态断裂特性产生影响.

动载下层状复合岩石能量耗散及断裂特征研究

利用砂岩、大理岩、花岗岩制作6种不同组合方式的层状复合岩石,采用分离式霍普金森压杆试验系统,对不同组合方式的层状岩石进行动态冲击试验,利用高速相机记录其破坏形态,分析复合岩石材料的动态断裂模式、波阻抗效应以及能量耗散规律,探究不同复合岩石试件的动能及断裂能关系.利用离散格子弹簧模型模拟复合岩石试件的动态断裂过程,分析复合试件的应力波传播特性及应力、损伤演化规律.研究结果表明:复合岩石材料的动态断裂特征与上下层材料具有相关性,当下层材料动态起裂韧度较低时,裂纹从起裂至扩展到岩石胶结面历时较短.上层材料对于复合岩石的应力传导作用具有较大的相关性,上层材料密度越大,更有利于透射波传递,应力传导效果越好,而下层材料与上层材料密度相差越大,胶结面上下端应力差越大;受波阻抗效应影响,复合岩石试件应力波的传播行为具有明显差异,波阻抗越大应力波传播速度越快,透射系数越大,产生更多的透射能;复合岩石试件的耗散能时密度、动能及断裂能与上下层岩石材料的密度有关,下层材料不变,上层材料密度越大时,耗散能时密度及断裂能更小,试件完全断裂时获得较大的动能.

层理角度对天然岩石材料动态断裂行为的影响研究

为了探究不同层理角度下岩石材料的动态断裂行为,利用分离式霍普金森压杆冲击加载系统,对3种直切槽半圆岩石试件开展30°,45°,60°,75°和90°层理角度梯度内的动态断裂冲击试验,研究3种岩石试件在不同层理角度条件下的应力波及能量传播规律、应力响应特征和动态断裂韧性。并结合DLSM数值模拟软件进行辅助分析,证明其模拟方法能够较好地应用于岩石动态断裂行为的研究,通过应力波传播图像和裂纹尖端应力场图像分析试件应力波的传递规律,解释动态断裂韧性随层理角度改变的机制。结合模型的动能和破坏曲线总结不同层理角度下岩石的破坏特征。结果表明:层理角度改变会影响层理面对应力波的有效反射面积,从而影响反射波和透射波的传递规律,造成各部分能量比值的变化。3种岩石具有不同的破坏特征,但其动态断裂韧性均受到层理角度的影响,在小层理角度时更容易发生预裂和张拉破坏,导致试件强度降低。模拟得到的应力波传播图像解释了不同层理角度应力波的透反射规律,而裂纹尖端应力场图像则反映了动态断裂韧性与试件内部是否发生提前破坏有关。随着层理角度的增大,试件断裂消耗的动能越大,其破坏更具有均匀性。