采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点,提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc,CEHFD),该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统,径向冲击CEHFD试样,完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计,用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明,在整个断裂过程中,裂纹非匀速扩展,裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升,在裂纹止裂前有明显的减速,与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子,其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻,得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中,动态扩展韧度为速度的函数,变化趋势与速度一致,随着时间先增大后减小;动态起裂韧度大于动态止裂韧度,止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低,并且有较大的离散性。

冲击加载下的砂岩动态断裂全过程的实验和分析

采用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘（HSCFBD）新型试样在直径为100 mm的分离式霍普金森压杆上进行径向冲击加载,完成I型动态断裂实验,首次研究了砂岩的动态断裂全过程。实验表明,在低加载气压（0.16-0.17 MPa）驱动炮弹条件下,炮弹撞击速度为3.7-4.4 m/s,检测到试样的破裂历经裂纹的动态起裂、扩展和止裂3个阶段,止裂后到第2次起裂开始,裂纹停滞较长一段时间。采用裂纹扩展计测得裂纹起裂、扩展和止裂完整过程的瞬时时间,以此确定试样的动态起裂时刻、裂纹扩展速度和止裂时刻,并运用实验-数值-解析法分别得到砂岩的动态起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度。从微观角度分析了动态起裂韧度和起裂时间的加载率效应。最后,初步讨论了试样内应力波反射对止裂的影响。