裂纹起裂角预测方法研究

为研究裂纹起裂角的预测方法,提出一个适用于岩石类材料小范围的屈服准则,旨在预测弹塑性材料的破坏行为。基于该屈服准则,推导出Ⅰ、Ⅱ及Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹尖端塑性区半径,并对在单轴拉伸和纯剪切等荷载作用下的裂纹尖端塑性区进行分析。结果显示,荷载加载方式、裂纹倾斜角和材料内摩擦角对塑性区形状与大小有显著影响。根据对裂纹尖端塑性区的分析,基于裂纹沿塑性区最短路径扩展这一假设,在所提屈服准则的基础上导出新的断裂准则,该准则可预测裂纹开裂初始角。相较于其他断裂准则,所提准则与文献试验结果吻合更好,能更加精确地预测裂纹起裂角。

压剪下煤矿岩石裂纹起裂角研究

在含裂隙煤矿岩石的压剪试验中,裂隙普遍为张开裂隙,对于张开裂隙的起裂及扩展,没有比较吻合的理论支撑;对压剪条件下确定不考虑张开度的张开裂隙进行分析,研究了张开裂隙尖端裂纹起裂角与预制裂隙倾角的关系。通过对含单条张开裂隙的试样开展室内试验和PFC数值模拟可知,煤矿岩石张开裂隙在单轴压缩条件下,翼裂纹首先出现;随着预制裂隙倾角的增大,裂纹起裂角不断减小,并趋近于70.5°;随着预制裂隙倾角的增大,尖端裂纹起裂角在不断减小;当预制裂隙倾角大于90°时,多数试样并不从预制裂隙处发生破坏。

热解炭表面复合型裂纹初始起裂角研究

为了研究人工心瓣热解炭涂层表面半椭圆形微小裂纹的扩展行为,采用ABAQUS有限元分析与FRANC3D断裂分析软件对人工心瓣热解炭涂层表面半椭圆形中心裂纹初始起裂角进行仿真分析。研究结果表明:Ⅰ型和Ⅱ型裂纹初始起裂角在裂纹前缘中心取得最小值,在裂纹尖端取得最大值;裂纹深度不变时,Ⅰ型裂纹初始起裂角随裂纹倾斜角的增大而增大,Ⅱ型裂纹初始起裂角随裂纹倾斜角的增大先减小后增大;裂纹倾斜角不变时,裂纹深度越小,对模型表面裂纹初始起裂角的影响越大,且裂纹深度对Ⅰ型裂纹初始起裂角的影响大于Ⅱ型裂纹。

裂纹几何特征对压剪复合断裂的影响分析

针对岩石类材料中压剪裂纹的复合断裂问题,理论上一般将其抽象为没有厚度的Griffith线裂纹,这样就会导致翼裂纹初始起裂角与主裂纹方位角及围压无关的结论。而已开展的压剪裂纹复合断裂试验表明,翼裂纹起裂角与主裂纹方位角和围压明显相关。首先较系统地讨论原生(或预制)裂纹的几何特征(如厚度、裂纹尖端曲率半径等)及围压对翼裂纹起裂角的影响;然后结合含预制裂纹大理岩压剪试验进行翼裂纹起裂角的理论预测和试验结果的对比分析。该分析为压剪复合断裂试验提供了一个理论分析框架,也为进一步研究具有复杂几何形状的裂隙提供了一定的理论基础。

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r1/2奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。

T应力对岩石材料裂纹尖端起裂特性的影响

传统最大周向应力理论只考虑奇异应力项,而忽略非奇异应力项,这导致脆性材料在分析裂纹尖端起裂特性时,理论分析的结果与实验结果不能完全吻合。基于此,本文通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),建立了修正的裂纹尖端起裂准则,重新分析了裂纹尖端的起裂特性。研究结果表明:(1)当裂纹发生纯I型断裂,T应力超过临界点时,裂纹起裂角发生偏转,裂纹更容易起裂;(2)当裂纹发生纯II型断裂时,随着T应力的增加,裂纹起裂角增大,裂纹更容易起裂;(3)Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂特性有重要的影响,本文理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。

基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明:随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2=0.828 6θ1+12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。