双轴加载下断续预置裂纹贯通机制的研究

通过物理实验和数值模拟,研究双轴作用下不同几何分布和不同围压的断续预置三裂纹的萌生、扩展和贯通机制。结果清楚显示裂纹贯通机制主要受加载条件与预置裂纹几何分布的影响。在双轴加载条件下,裂纹贯通的模式包括拉贯通、剪贯通、压贯通和混合贯通。拉裂纹在双轴加载下, 其扩展速度减慢或停止,且在岩桥间出现剪裂纹,从而形成混合贯通或剪贯通。压裂纹是在侧压下产生的次生裂纹,其贯通受制于两非共线的重叠裂纹间的岩距。当1<b/c<1.8(岩距与裂纹长度的比值为b/c)时,则压裂纹最为活跃,否则压裂纹较难生长。双轴作用下,三裂纹在峰值附近有两组贯通裂纹,在单轴情况则通常只发生一组贯通裂纹。此外,随着压力增加,预置裂纹间更加闭合,导致预置裂纹的内摩擦力增加,使裂纹的扩展方向改变并趋向于最大主剪应力方向。

三维表面裂纹扩展特征的研究

用含有预制半圆形三维表面裂纹的冷冻透明有机玻璃材料研究了裂纹的扩展机制,并对裂纹扩展中的特征应力进行了分析,同时,考察了裂纹深度、长度和倾角等几何因素变化对裂纹扩展的影响。研究结果表明,表面裂纹扩展受裂纹深度 d 与试样厚度 T 影响很大,当 d/T≥1/3时,表面裂纹扩展到接近试样端部并穿透到试样的背面,当 d/T<1/3时,其裂纹扩展长度为预制裂纹直径的0.5～1倍时就不再扩展;裂纹倾角和裂纹相对试样尺寸也影响裂纹扩展。

非连续逆断层引起地表破裂和桥梁破坏的模型试验

通过地质力学模型试验研究了共线型和阶梯型两种非连续逆断层的运动引起上覆松散沉积层的破裂特征、沉积层与断层基岩之间的相互关系,并以汶川地震中受损的高原大桥为背景,通过改变桥梁与以上两种断层之间的布置关系研究了断层运动引起桥梁破坏的原因。引进数字散斑相关方法和高速摄像系统进行观测和记录试验过程。试验结果表明,非连续逆断层的破坏过程可分为4个不同的阶段,依次为弹性变形阶段、贯通阶段、滑移阶段和破坏阶段;结合观测系统解释说明了上述变化过程;分析了断层倾角和运动速度对断层基岩破坏形态和地表破裂带的影响;统计了地表破裂带宽度、断层基岩和沉积层抬升高度的关系,对比结果发现:共线型断层在破坏前聚集的能量较大、其地表破裂带宽度和抬升高度均大于阶梯型断层的;沉积层的抬升高度小于基岩的抬升高度;当桥梁模型垂直断层走向布置时均发生破坏,而平行断层走向布置时并没有破坏。

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。

不同角度单裂纹缺陷试样的裂纹扩展与破坏行为

在诸如岩石、混凝土、陶瓷和玻璃等脆性介质中,常分布大量的裂纹缺陷。这些缺陷在载荷作用下造成裂纹的孕育、萌生、繁衍、扩展和贯通,导致介质的强度和刚度降低。通过自制的试验系统,研究了不同角度的预置单裂纹缺陷的花岗岩试样的裂纹扩展与破坏过程,并用数值模拟进行了验证。试验和数值结果显示:单轴载荷作用下,裂纹扩展和最后的破坏行为受预置单裂纹缺陷的角度影响。当角度较小时,裂纹萌生比较容易,在整个受压过程中均匀扩展,试样一般以混合模式破坏;当角度较大时,裂纹不易萌生,但在接近峰值强度时,扩展较快,并直接导致最后的剪切或劈裂破坏;当预置裂纹缺陷的角度与试样的破坏角接近时,试样最容易发生脆性破坏,并产生很大的应力降。

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力σmax及最大周向拉应变εmax判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。

脆性介质中裂纹与孔洞缺陷的分类与尺度效应

首先,简单定义了裂纹与孔洞缺陷的基本概念,并对其按几何形状、赋存条件等不同类别进行分类;然后,重点探讨了脆性介质中缺陷的尺度问题;最后,用数值模拟的方法对同一尺度层次的不同长度裂纹缺陷作了模拟,并分析了缺陷尺度对应力和强度的影响。

三维表面裂纹相互作用扩展贯通机制试验研究

通过对用机械法预制多个硬币状裂纹的冷冻有机玻璃材料进行单轴加载系列试验,研究脆性材料三维表面裂纹扩展演化和贯通机制。研究结果表明,三维裂纹间的相互作用对裂纹萌生和扩展主要有两种影响,即相互促进或彼此抑制,裂纹演化过程中其空间位置起主要作用。三维表面裂纹间的贯通要复杂得多,同时受裂纹切割深度、空间位置影响较大。这一研究加深了对有机玻璃材料(PMMA)等透明脆性材料破坏机制的了解,同时对岩石材料破坏机制的研究也大有裨益。

逆断层活动引起湿砂沉积层破坏特征的模型试验研究

通过地质力学模型试验研究了逆断层活动在沉积层中的传播模式、以及引起沉积层变形和破裂的特征。试验中采用数字散斑相关方法计算沉积层表面变形的位移场,并采用高精度数码摄像系统捕捉和记录活动断层在沉积层中的破裂扩展过程。逆断层在沉积层中向上扩展时形成了一个剪切带,且断层倾角越小,沉积层中的剪切带就越宽;而基岩断层的抬升位移和滑移速度越大时,沉积层中的剪切带也越宽、变形越强烈。当断层抬升位移达到某一临界值时,沉积层表面的隆起将会出现拉张裂缝。在相同的沉积层厚度和断层抬升位移条件下,基岩断层抬升速度越大时,沉积层表面形变带的宽度越小,变形和破坏程度却更强烈。实验结果表明,断层倾角、滑移速率和沉积层厚度对于确定逆断层活动引起的地表变形和破坏特征具有重要意义。

大理岩微裂隙与其力学性质间的关系

香港元朗地区发育有大量的大理岩，它的力学性质直接影响该区的建筑安全。我们采用超声测量技术、单轴压缩试验和岩石薄片的镜下观测等方法了解其内部的结构变化及其力学性质。得出的结论是：该区的大理岩力学性质变化很大。一般的说，致密的黑色大理岩超声波速度高，抗压强度大且具有脆性特征，Ｐ波速度６．２～６．５ｋｍ·ｓ－１，Ｓ波速度３．０～３．６０ｋｍ·ｓ－１，抗压强度在８８～１６６ＭＰａ；而那些颗粒较粗的白色或灰色大理岩，超声波速度变化很大，抗压强度小且具有韧性特征，Ｐ波速度在４．２～６．９ｋｍ·ｓ－１，Ｓ波速度２．４～３．２０ｋｍ·ｓ－１，抗压强度在５２～６３ＭＰａ之间。Ｐ波速度与裂隙密度成反比关系。抗压强度与裂隙密度成线性反比关系，而且对脆性大理岩，其曲线斜率要比韧性大理岩的曲线斜率大出许多倍。大理岩内部的微观结构（如裂隙和颗粒大小等）是影响其力学性质的主要因素。

香港元朗地区大理石的力学性质

本文讨论香港元朗地区大理石的力学性质，一般的说，颗粒小致密的黑色大理石超声波速度高、抗压强度大且具有脆性特征。其Ｐ波和Ｓ波的速度分别为６．２２～６．５０ｋｍ／ｓ和３．２５～３．６４ｋｍ／ｓ，其单轴抗压强度为８８～１６６ＭＰａ。而颗粒较粗的白色或灰色大理石超声波速度变化很大，单轴抗压强度小且具有塑性特征。其Ｐ波和Ｓ波速度分别为３．３５～６．４５ｋｍ／ｓ和２．２４～３．１６ｋｍ／ｓ，其抗压强度为５２～６３ＭＰａ。Ｐ波速度和抗压强度与微裂隙密度和微裂隙长度成反比。大理石的内部微观结构，如裂隙、颗粒大小是影响其力学性质的主要因素。

脆性单颗粒之动态损伤和破碎

Breakage, comminution, crushing and fragmentation of brittle solids under dynamic impacts are an important applied mechanics and rock mechanics problem. In civil engineering applications, impact-induced-fragmentation relates to crushing of rock mass during mining process, tunneling, and aggregate production. The main objective of this paper is to outline some of our recent experimental, analytical and numerical efforts in studying the dynamic fragmentation process in brittle particle. First, an analytical solution of a solid sphere compressed dynamically between two rigid flat platens is derived analytically. Secondly, a sequence of double impact tests on spheres were conducted using an impactor Dynatup 8250 at HKUST, with both impact velocity and contact force at the impactor measured accurately. Finally, a newly developed computer program, DIFAR, is used to investigate the mechanism of dynamic fragmentation. The paper will summarize and discuss briefly all three aspects of our comprehensive approach.

断层三维扩展过程的实验研究

实验研究三维断层的形成和扩展对于理解实际断层作用过程具有重要意义.在双轴压缩条件下开展了断层三维扩展过程的实验研究,利用多通道数字化高密度应变观测和基于可见光图像分析的数字散斑相关测量技术对岩石样品应变场的详细结构进行了动态观测和分析,同时利用多通道声发射全波形三维定位系统对样品内部微破裂的发育过程进行了观测.实验结果表明,断层在三维空间的扩展模式与二维明显不同,表现出更复杂的空间展布形态和变形机制.断层的三维扩展过程可以划分为3个基本阶段:第一裂纹扩展阶段—翼裂纹扩展阶段、转换阶段—花瓣裂纹活动阶段和第二裂纹扩展阶段—贝壳断面形成阶段.不同阶段具有不同的主导裂纹扩展方式,并对应不同的变形场和微破裂分布.其中,花瓣裂纹活动阶段在三维断层的发育过程中至关紧要,它是从表面似二维扩展向三维扩展转换的关键,也是三维断层扩展区别于二维断层的核心所在.

含裂纹缺陷脆性岩石的峰值强度模型

在分析Ashby和Hallam含缺陷脆性介质峰值强度理论模型基础上,对其进行修正,并用修正的理论模型研究单轴作用下,含裂纹缺陷花岗岩试样的裂纹萌生、扩展、贯通和相互作用等因素对峰值强度的影响规律。通过与物理试验和数值模拟结果对比分析发现:修正后的Ashby-Hallam强度模型能定量地预测含缺陷岩石的峰值强度,以及定性分析峰值强度同裂纹缺陷密度和裂纹贯通密度的关系;含裂纹缺陷脆性岩体的峰值强度主要与贯通的裂纹数以及缺陷的分布和缺陷大小有关。

断续节理岩石中开挖附近扰动区失稳行为的实验

目的是用实验方法研究在一定加载条件下,断续节理岩体中裂纹萌生、扩展、贯通机制及开挖扰动区的破坏行为。实验试样用作者配制的模拟材料制成。利用作者设计的小型开挖系统,在双轴加压下,当轴向压力达到峰值力的75%时,保持径向加载和轴向加载的比值λ恒定,模拟开挖过程,并用数码摄像机全程跟踪开挖过程。实验结果显示开挖附近断续节理滑移、贯通以及扰动区的变形决定了巷道的失稳行为和最终的破坏模式;开挖过程明显影响着内部扰动区和外部压缩区的变形。开挖后,内部扰动区的变形大于外部压缩区;开挖后,继续保持λ恒定时,应力和变形作为时间的函数逐渐释放,并且造成一些节理的滑动和微破裂的相互作用;λ越大,则巷道破坏的时间越短。