砂岩动态断裂速度、加速度和动态扩展韧度关系研究

摘要

国际著名断裂力学专家Karihaloo et al.(2015)在权威期刊International Journal of Fracture50周年纪念刊上发表的邀请论文中指出，基于拉伸强度（而不是压缩强度）的混凝土结构设计更合理。岩石与混凝土同属于准脆性材料，对其拉伸强度研究难度大。岩石的拉伸强度和断裂韧度的测试方法，尤其是动态拉伸强度和动态断裂韧度测试方法，是固体力学等自然科学学科的前沿研究课题。在非定常速状态下动态裂纹的扩展过程更是世界级的热点问题。但由于精准测量裂纹高速扩展的技术并不成熟，研究材料断裂过程中加速度仍有困难，尤其是对非透明岩石类材料，至今岩石中裂纹非常速扩展的研究仍存在巨大的空缺。
　　本文侧重研究岩石材料的Ⅰ型动态断裂行为，初步探寻了Ⅱ型动态断裂的有效试样。高度关注快速扩展裂纹尖端的运动情况，如裂纹动态起裂、扩展、裂纹扩展过程中裂纹的加速和减速过程。抛弃以往裂纹常速扩展的观点，研究裂纹扩展过程中速度变化以及加速度变化，监测反射应力波对裂纹扩展速度的影响;高加载率下，快速扩展裂纹尖端附近质点受到裂纹尖端应力集中区的影响，裂纹起裂后有一个明显的加速过程。
　　本文研究分为两个部分:
　　(1)岩石断裂的研究重心主要在Ⅰ型断裂，但与自然界重大灾害紧密相关的岩体破坏主要是剪切破坏，目前在这方面取得的研究成果却远远少于Ⅰ型断裂。为进一步探究Ⅱ型断裂，为Ⅱ型动态断裂实验提供依据。在以往研究的基础上，对方板类试样的裂纹位置进行改进，提出压缩偏心单裂纹圆孔板(Bias Single Cleavage Drilled Compression-BSCDC)，采用有限元方法分析不同几何参数的BSCDC试样的应力分布，并标定BSCDC试样不同裂纹偏移距离条件下的无量纲应力强度因子，为复合型，纯Ⅱ型动态断裂实验给出建议尺寸。
　　(2)动态断裂的裂纹速度会出现振荡或变化，许多学者将其视为测量仪器的精度误差所致，而将裂纹仍旧看成平均意义上的常速扩展，虽然可简单地得到一些力学性质结果，但忽略了关键因素的影响。为全面研究Ⅰ型动态断裂过程，着重针对裂纹扩展过程中速度，加速度与动态断裂韧度的关系研究，一改我们过去采用的压缩致拉为弯曲拉伸，提出基于岩芯的半圆孔圆盘弯曲(Semi-Circular Holed Disc Bend-SCHDB)试样。利用霍普金森压杆冲击SCHDB完成Ⅰ型动态断裂，用砂岩试样表面粘贴的应变片和裂纹扩展计详尽监测裂纹的断裂过程。实验表明在裂纹起裂后，由于反射应力波的影响，导致裂纹扩展速度增大到临界值后上下振荡。采用实验-数值-解析法得到扩展裂纹的动态应力强度因子KId(t)，其时间历程呈现先增大后减小再增大的趋势。结果发现，即使裂纹扩展速度相同，减速过程的动态扩展韧度比加速过程的动态扩展韧度更大。最后，综合Freund和Fineberg的理论研究结果提出受裂纹扩展速度和加速度影响的能量释放率公式，实验结果也符合公式所揭示的规律。

目录

声明

摘要

主要物理量及缩写符号说明

第1章 引言

1．1 岩石动态断裂力学简介

1．2 Ⅰ、Ⅱ型断裂模式介绍

1．2．2 Ⅱ型断裂

1．3 能量释放率准则

1．3．1 静态能量释放率

1．3．2 动态能量释放率

1．3．3 能量释放率G1与应力强度因子K1之间的关系

1．4 裂纹动态起裂、扩展和止裂

1．5 稳态断裂与非稳态断裂

1．6 从压缩双裂纹圆孔板(Double Cleavage Drilled Compression-DCDC)到压缩单裂纹圆孔板(BSCDC)

1．7 本文主要研究内容

第2章 压缩偏心单裂纹圆孔板BSCDC

2．1 概述

2．2 BSCDC试样的特点及无量纲应力强度因子的数值标定

2．2．1 BSCDC试样的特点

2．2．2 BSCDC数值标定

2．3 圣维南原理影响下圆孔周围的应力分析

2．4 本章小结

第3章 动态实验装置和测量仪器

3．1 概述

3．2 分离式霍普金森压杆(SHPB)

3．2．1 基本工作原理

3．2．2 SHPB端面摩擦效应

3．3 裂纹扩展计(CPG)和应变片(SG)

3．3．1 CPG间接测量裂纹扩展速度

3．3．2 SG测量试样动态应变

3．4 本章小结

4．1 概述

4．2 半圆孔圆盘弯曲试样(SCHDB)

4．3 SCHDB数值模拟分析

4．4 SCHDB试样制备

4．5 本章小结

5．1 概述

5．2 裂纹位置及扩展速度

5．3 实验-数值-解析法得到动态断裂韧度

5．3．1 加载波形和动态冲击载荷P(t)计算

5．3．2 动态应力强度因子KdI(t)

5．3．3 动态断裂韧度KICd

5．4 本章小结

第6章 动态扩展韧度KICd与速度v和加速度v关系初探

6．1 概述

6．2 裂纹扩展速度、加速度的时间历程

6．3 裂纹速度和加速度对动态断裂韧度的影响

6．3．1 K-v关系的早期研究

6．3．2 K-(v，(v))关系初探

6．4 实验探究动态扩展韧度KICd与速度v和加速度(v)关系

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果