用人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)确定岩石断裂韧度及其尺度律

国际岩石力学学会(ISRM)于1988年和1995年先后颁布了两种测试岩石断裂韧度的建议方法,其中1995年建议方法推荐的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)尚不够完善。有鉴于此,用两种大理岩制作成CCNBD和ISRM 1988年建议方法推荐的人字形切槽三点弯曲圆棒(CB)试样,分别在MTS810型材料试验机进行试验。结果发现,CCNBD试样测出的断裂韧度值比CB试样测出的断裂韧度值小,而重新标定关于CCNBD计算公式中的关键系数*minY后得出的断裂韧度值有一定改善。此外,基于内聚裂纹模型,对CCNBD试样用于岩石断裂韧度测试的尺寸效应问题进行了初步探讨,提出CCNBD试样的几何形状函数mag,很好地解决了Bazant的尺度律用于CCNBD试样结构的非相似性问题,从而减小了试样尺寸对材料断裂韧度的影响。

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。

人字形切槽巴西圆盘Ⅰ型渐进断裂数值模拟研究

对国际岩石力学学会(ISRM)建议的I型断裂韧度测试人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)试样进行细观损伤力学模拟,考虑不同切槽宽度、试样几何、力学参数与材料非均质性等,直观获悉其渐进断裂过程。通过模拟的应力和声发射分布,对CCNBD量纲一的应力强度因子标定基于的穿透直裂纹等假设进行严格评估。结果表明:无论岩石材料是否均质,人字形韧带中的裂纹前缘均为曲线形,并不符合传统方法基于的穿透直裂纹假设,而且人字形韧带越狭长的试样,裂纹前缘弯曲越严重;利用模拟得到的临界裂纹保守地标定临界量纲一的应力强度因子,发现传统方法所得结果比真实值偏小5%~10%;CCNBD易从人字形韧带尖端厚度边缘起裂,为了使真实断裂路径更符合测试原理,建议制作和选取较小切缝宽度的试样。数值模拟结果表明,应该重视测试试样的真实渐进断裂机制,量纲一的应力强度因子标定宜考虑更真实的断裂特征,以获取准确的断裂韧度值。

有限宽切槽对CCNBD断裂试样应力强度因子的影响

国际岩石力学学会(ISRM)在1995年提出一种新型的岩石断裂韧度试样——人字形切槽巴西圆盘试样(cracked chevron notched Brazilian disc——CCNBD),对该试样的一个重要力学参数即最小无量纲应力强度因子的标定,以前的分析和计算都没有考虑切槽宽度的影响。然而试样切槽的宽度受切割刀具厚度所限,不能为零。当试样较小时,切槽宽度则相对较大。通过三维边界元计算分析表明,切槽宽度越大,无量纲应力强度因子的标定值就越大;对于ISRM推荐的CCNBD标准试样,得出其最小无量纲因子值为0.954,这比ISRM给出对应值0.84要大13.6 %。同时,小裂纹应力强度因子曲线的变化趋势也发生了质的变化,这可能会导致实验的失败。推荐最小无量纲应力强度因子的标定采用考虑切槽的三维分析。

CCNBD断裂韧度试样的SIF新公式和在尺度律分析中的应用

根据国际岩石力学学会于1995年推荐的一种测试岩石断裂韧度的新型试样-人字形切槽巴西圆盘试样,对其断裂韧度计算公式中的关键参数即无量纲应力强度因子(SIF)提出了一个改进的计算公式。采用分片合成方法结合有限元法对CCNBD试样的应力强度因子进行了宽范围标定,结果以表格的形式给出;并采用数据线性回归的方法,将标定结果以一个指数函数的形式给出。结果表明,与标定值相比,无量纲应力强度因子新公式的误差较小,并且囊括了CCNBD试样的较宽范围的尺寸,且查表使用方便,也为理论分析提供了条件。在此基础上,对岩石断裂韧度测试的尺度律进行了更进一步的探索,结果表明,利用新公式进行的尺度律分析是有效的。

断裂韧度试样CCNBD宽范围应力强度因子标定

国际岩石力学学会(ISRM)在1995年提出了一种新型岩石断裂韧度试样——人字形切槽巴西圆盘试样CCNBD,但是,其断裂韧度计算公式中的重要参数(即无量纲应力强度因子的标定)仍存在问题。采用一种新的分片合成方法并结合有限元法,参照ISRM给出的CCNBD试样的尺寸限制,对该范围试样的应力强度因子进行了宽范围的标定,以便在试验中能因地制宜地选用不同几何参数的CCNBD试样。结果表明:分片合成方法的计算值有很高的精度,不但减少了工作量,也使标定的无量纲应力强度因子比现有文献值更加准确、可靠。

基于P-CCNBD试样的岩石动态断裂韧度测试方法

预裂的人字形切槽巴西圆盘(Pre-cracked chevron notched Brazilian disc,简称P-CCNBD)是将人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched Brazilian disc,简称CCNBD)的切槽尖端再稍加切削制成直裂纹前沿的试样。利用霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击,完成I型动态断裂试验后再做数值分析得到岩石的动态断裂韧度。为了验证数值模拟的可靠性,先进行了无限平面中一条有限尺寸裂纹表面受冲击拉伸作用的动态有限元分析,结果表明,数值模拟的结果与Shi得到的结果非常吻合。将试验-数值法和他人的准静态法分别确定的砂岩的动态起裂韧度进行对比,两种方法得到的结果有一定的差异。采用试验-数值法,将比较成熟的直裂纹巴西圆盘(cracked straight-through Brazilian disc,简称CSTBD)和P-CCNBD两种试样测得的结果进行对比,两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。分析了准静态法的缺陷,认为试验-数值法得到的结果更为合理。

CCNBD试样测试页岩I型断裂韧性

断裂韧性对页岩压裂作业及裂缝形态有很大的影响。采用1995年ISRM推荐的人字形切槽巴西圆盘（CCNBD）试件对龙马溪组和五峰组页岩进行I型断裂韧性测试，得出其断裂韧性值在0．8-1．2之间，通过岩芯照片结合实验数据分析其破坏断裂机制。并对两层组页岩进行了X射线衍射全岩分析，分析了页岩组分与断裂韧性间关系。对比了龙马溪组两种不同尺寸岩样的断裂韧性，分析其尺寸效应。

Ⅰ型断裂韧度模拟方法及细观影响因素研究

既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验,对Ⅰ型断裂韧度KIc试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型(FJM3D)研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的Ⅰ型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根R1/2、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径dmax/dmin。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例φs、黏结抗拉强度σb、黏结内聚力cb、摩擦系数μ和摩擦角φ。参数敏感性分析结果表明,KIc与R1/2、CN及σb正相关,与dmax/dmin、φs负相关,而与Ψ、cb、μ和φ无明显的线性关系,此外为获得较低的KIc波动水平,给出了参数Ψ和dmax/dmin的建议范围。根据参数敏感性分析结果,校核匹配了Kowloon花岗岩直切槽半圆盘(SCB)和人字形切槽半圆盘(CCNSCB)试样的宏观力学性质。从细观角度直观、深入分析不同切槽形状I型断裂韧度试验破裂机制,得出SCB试验曲线的峰前和峰后行为与室内试验更为吻合。

用P-CCNBD试样测定岩石动态扩展韧度和观察动态止裂现象

关于动态断裂的全过程,包括动态起裂、扩展和止裂的报道在科学文献中受到日益增长的关注。研究岩石的动态扩展和动态止裂,用分离式霍普金森压杆径向冲击大直径(φ160 mm)的预裂人字形切槽巴西圆盘(pre-cracked chevron notched Brazilian disc——P-CCNBD)试样的试验,测定了大理岩的I型动态扩展韧度,而不仅是动态起裂韧度。确定的方法是试验―数值―解析法,而不是通常的准静态法,因为,大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件。裂尖起裂时刻和裂纹扩展速度采用应变片和裂纹扩展计监测;将有关试验数据,包括霍普金森压杆施加在试样上的的动态荷载输入有限元程序,对P-CCNBD进行三维动态数值模拟,再结合普适函数的半解析修正,得到动态应力强度因子的时间历程。结果表明,P-CCNBD大理岩试样的动态起裂韧度随加载率的增大而增大,试样的动态扩展韧度略低于动态起裂韧度,且扩展韧度随裂纹扩展速度的加快而增大。此外,对裂纹扩展速度振荡和扩展路径曲折现象进行了分析,讨论了P-CCNBD试样实现动态止裂的可能性。

神经网络在研究岩石断裂韧度尺寸效应的应用

介绍了人工神经网络在预测人字形切槽巴西圆盘试样(CCNBD)断裂韧度时的应用,通过分析表明,神经网络得到的断裂韧度预测值比CCNBD尺度律公式得到的值更加接近实验值,神经网络直接基于实验数据进行训练,不需要作任何假设,对于构形比较复杂,试样制备时难以满足完全几何相似的CCNBD试样,研究其尺寸效应是比较有利的。

对圆盘、圆环和圆孔研究与应用的感悟

Hertze,Michell和Timoshenko等力学大师得到圆盘和圆环的弹性力学解;巴西、日本、英国和美国的先驱学者先后提出基于圆盘和圆环这两种构形的试样测试岩石、混凝土等脆性材料的拉伸强度的方法.作者在这些大师和先驱者工作的基础上,提出平台巴西圆盘(flattened Brazillian disc,FBD),中心圆孔平台巴西圆盘(holed cracked flattened Brazilian disc,HCFBD)和压缩单裂纹圆孔板(single crack drilled compression,SCDC)等试样和相应的测试方法,对国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics,ISRM)建议的测试拉伸强度和断裂韧度的方法做出了改进,尤其重要的是扩展到动态力学性能的测试,包括动态起裂,动态裂纹扩展和止裂.这些研究工作得益于作者讲授《弹性力学》和《断裂力学》两门基础课以及指导研究生,说明教学与科研是相辅相成的.

循环加载下砂岩断裂特性试验及模拟

利用WHY-200/10微机控制万能试验机,对红砂岩人字形切槽圆盘试样(CCNBD)进行静态与循环加卸载试验,研究在循环加卸载下红砂岩的Ι型断裂力学特性及变形特征;并基于红砂岩的宏观力学参数进行PFC^(3D)数值模拟试验,探究微裂纹扩展规律.试验结果表明:循环荷载的作用会使砂岩的Ι型断裂韧度值K_(ΙC)减小;且随着循环次数的增加,砂岩的Ι型断裂韧度逐渐减小,直至达到某一下限值;砂岩CCNBD循环加载曲线受到其静态加载曲线的严格控制,循环加载破坏点变形量与静载曲线中同荷载水平下峰后变形量相近;循环加载下试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展规律与上限荷载比相关,主要有3个阶段:初期加载阶段、中期稳定阶段、后期加速阶段;当上限比为0.95时,试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展只有初期和加速阶段;当上限比为0.75时,其位移变形和微裂纹扩展只有初期和稳定阶段,且不发生断裂破坏;循环加载下试样韧带两端断裂过程区(FPZ)的微裂纹发生充分衍生和扩展,最终的微裂纹数目明显多于静态加载.

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。

多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究

为了研究多次应力波作用下岩石的动态断裂破坏规律,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆径向加载直径为160 mm的含预制裂纹人字形切槽巴西圆盘大理岩试样,分别采用裂纹扩展计和普通应变片测定试样裂尖的起裂和扩展过程,分析试样破坏过程中的动态断裂规律和能量耗散特性。结果表明:在0.13 MPa的子弹发射压力下,出现了试样被多次应力波作用形成破坏的试验现象;入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小,但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大;试样的能量耗散率和动态断裂韧度都随作用次数的增大而减小,并且满足近似的线性关系,这有助于理解多次应力波作用下岩石的动态断裂机制。

北山花岗岩断裂力学行为及其声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对北山花岗岩试样开展静态加载和循环加载两种加载方式的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)试验,旨在研究不同加载方式下北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。测试结果表明,北山花岗岩在静态加载下的平均断裂韧度值为1.180 MPa·m^(1/2),循环加载下的平均断裂韧度值为1.153MPa·m^(1/2),循环加载下岩石的断裂韧度降低了2.3%。通过循环加载试验证实了亚临界裂纹扩展的存在,并发现循环加卸载并不会改变CCNBD试样的破坏模式,试样仍保持脆性特征。结合力学特征曲线和声发射特征,对静态加载及循环加载下CCNBD试样的裂纹扩展过程进行分析,深化对不同加载方式下的CCNBD试样断裂特征的认识。