冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验装置对修正侧开单裂纹半孔板(improved single cleavage semi-circle specimen,ISCSC)试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。

不同加载率作用下双材料巴西圆盘动态抗拉强度试验研究

水泥砂浆广泛应用于岩石工程中,如巷道锚喷支护及山体滑坡注浆加固等,由于温度变化,岩石与砂浆之间的过渡区容易形成微裂隙薄弱区,同时地下岩体结构又常常承受着动载荷的作用,如爆破、冲击及地震等,因此研究岩石与水泥砂浆界面过渡区(interface transition zone,ITZ)的强度及其破坏特征具有重要的意义。为此提出了岩石-砂浆双材料巴西圆盘构型,采用分离式霍普金森压杆系统对两种界面粗糙度(光滑和粗糙)的双材料巴西圆盘进行了冲击实验;同时,为了比较单一材料与双材料破坏性能的差异,还制备了单一花岗岩、砂岩和砂浆的巴西圆盘试样。为了克服双材料巴西圆盘的应力分布不均匀的问题,使用实验-数值法确定了其中心抗拉强度。并且,采用Python语言建立了两种试件批量嵌入cohesive单元的数值模型模拟双材料试件ITZ的失效过程。结果表明:(1)当动态加载率相同的条件下,双材料界面粗糙度对试件的应变率影响不大,但对试件抗拉强度影响较大;(2)相比于花岗岩-砂浆试件,界面粗糙度对砂岩-砂浆试件动态初始抗拉强度影响更大;(3)基于数值模型得出圆盘模型中心处存在切应力τxy,但拉应力σx远大于切应力τxy;(4)嵌入cohesive单元的数值模型破坏规律和现象与试验试件较为接近,校验了方法的有效性。