一种用于研究圆孔缺陷对裂纹动态扩展的新构型

摘要

本发明内容公开一种用于研究圆孔缺陷对裂纹动态扩展的新构型—COSSCC构型，属于岩土工程技术领域，主要借助于落锤冲击试验装置对提出的COSSCC构型试件进行落锤冲击实验，该构型具有较强的实践意义及实践应用性；由于发明构型尺寸较大，裂纹的动态断裂全过程可以很好地观测，适用于各种含裂纹缺陷和空腔缺陷岩土工程相关问题研究；随后对裂尖的动态断裂韧度计算，将所测的动态载荷曲线代入ABAQUS软件，得到应力强度因子时程曲线，结合裂纹的起裂时间和动态断裂时间确定出裂纹的起裂韧度和动态断裂韧度，最后根据动态断裂韧度的定义对含裂纹缺陷和空腔缺陷硐室工程等裂隙岩体安全性进行评价，进一步考虑将本文发明内容应用于硐室工程事故问题分析。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术研究领域，涉及对动力扰动载荷作用下含空腔缺陷和裂纹缺陷岩体试件的动态扩展行为评价研究。

背景技术

岩体中通常都存在着缺陷，这些缺陷对岩体结构的稳定性有着严重的影响。通常来说，岩体缺陷可以概括为两类，一类是裂纹缺陷，比如天然节理、爆炸裂纹、施工裂纹等；二类是空腔缺陷，比如溶洞、天然空腔、钻孔等；在很多情况下，两种类型的缺陷是同时存在于非连续性岩体中。在爆炸载荷、地震波等动力扰动载荷作用下，岩体将在裂纹缺陷等处萌生并发生扩展，使得岩体发生破坏，并且其岩体破坏速率是远大于在静载下的破坏速率的。这将造成严重的地质灾害，并且会伴随着大量的经济损失和惨烈的人员伤亡。通常来说，在岩体中，裂纹缺陷位置处更容易萌生裂纹，而在裂纹缺陷位置处萌生并扩展的裂纹，遭遇到附近的空孔缺陷时，裂纹扩展行为仍是未知。尽管国内外目前对动载下含缺陷岩体的裂纹扩展行为做了大量研究，但很少研究综合考虑了裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体裂纹扩展问题。

另外，霍普金森杆实验装置是运用最广泛的动态加载实验装置，但该装置只能适用于小尺寸试件。在实验时，小试件内部裂纹扩展还未结束，应力波已经在试件内部完成了多次透反射，这将会对扩展中的裂纹造成干扰，从而影响实验结果。为此，本发明采用团队自行设计的落锤冲击实验装置进行岩体稳定性评估。该装置既有霍普金森杆实验装置的基本功能，又适用于大尺寸试件，从而能有效避免应力波在试件内部反复反射对裂纹扩展造成干扰。

岩石动态断裂韧度是表征岩石在动态载荷作用下含裂纹岩石抵抗裂纹扩展能力的一个重要参数，目前已被国内外学者广泛运用于含裂纹岩石的稳定性评估，并运用于工程实践中。本发明也将基于动态断裂韧度对含裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体稳定性进行定量化的评估。对于动态断裂韧度的计算方法，目前广泛采用的实验-数值法。具体流程是首先采用有限元软件利用位移外推法计算动态应力强度因子，再根据实验测得的裂纹动态断裂时间，确定裂纹的动态断裂韧度。

本发明主要是基于本人的研究成果基础上进行深入分析得出的研究成果，提出了一种适用于研究同时含有裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体在动态载荷作用下的破坏行为的新构型。该构型可以用来研究各种含有裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体在动态载荷作用下的破坏行为，这在工程研究领域寥寥无几；研究含有裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体在动态载荷作用下裂纹的起裂韧度，动态扩展韧度，它们是裂纹起裂和动态扩展过程中评价岩体稳定性地重要参数；本发明的研究成果将用于岩体工程理论研究，岩体工程的设计、维护及加固等问题提供理论研究基础，对岩体裂纹缺陷附近存在空孔缺陷时，裂纹扩展路径预测提供方法。

发明内容

本发明实施示例的主要内容是提供了一种用于评估含裂纹缺陷和空孔缺陷岩体稳定性地新构型，研究在冲击载荷作用下空孔缺陷对裂纹扩展的影响规律。

本发明实施示例的实现步骤如下，首先设计了含裂纹缺陷和空孔缺陷的新构型，即直裂纹空腔圆弧开口试件(circular opening specimen with straight crackcavity,COSSCC)构型。然后利用落锤冲击实验装置对COSSCC试件进行落锤冲击实验，同时利用应变片(SG)测出入射端和透射端的应力波，利用裂纹扩展计(CPG)测出裂纹动态扩展过程中的裂纹动态断裂时间和裂纹动态扩展速度。随后利用ABAQUS软件计算裂纹尖端的动态应力强度因子，并结合实验测得的裂纹动态断裂时间，确定出裂纹的动态断裂韧度。最后基于断裂力学及岩石动力学基础原理根据动态断裂韧度的定义对含裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体进行稳定性评价。

总而言之，利用该新构型对含裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体进行稳定性评价的分析步骤主要包括以下几个方面，我们将进行一一详细的阐述：

第一步，利用落锤冲击实验装置对发明者设计的COSSCC试件进行冲击实验。试件材料选择有机玻璃，因为有机玻璃具有透明，均质的特性，既能减小实验误差又便于观察裂纹扩展形态。试件的尺寸为，W＝300mm，H＝400mm，T＝15mm，L＝75mm，D＝150mm，a＝50mm，s＝50mm，d＝10mm，以θ为变量分别制作了θ为0°，10°，20°，30°，40°和50°共六组试件。有机玻璃的动态弹性模量为6.1GPa，动态泊松比0.35，密度为1.130g/cm

第二步，利用团队自研的落锤冲击实验装置对COSSCC试件进行冲击实验，该装置可以根据测试需求搭建各种采集系统。因为本发明示例需要监测冲击应力波和裂纹的动态断裂时间，因此采用超动态应变仪采集实验数据，该超动态应变仪的采集频率为2.5MHz，即每2μs采集5次数据。实验时，通过应变片监测入射端和透射端的应力波；利用裂纹扩展计(CPG)监测裂纹的动态断裂时间，并进一步计算出裂纹的动态扩展速度。CPG的工作原理是：CPG由21根粗细不同(阻值不同)的横向敏感栅丝并联而成。实验时，将CPG粘在试件待测位置，CPG的栅丝会随着裂纹的扩展一起断裂。当CPG上的敏感栅丝每断一根，CPG的总电阻值将出现突变。再将CPG接入电路中，该阻值突变则将体现为输出电压值的突变，而突变时刻就是CPG金属栅丝的断裂时刻，也就是裂纹扩展到栅丝位置的时刻t

接着利用ABAQUS软件对实验工况进行数值模拟，建立1∶1有限元数值模型，导入实验采集的加载应力波数据作为模拟的载荷边界条件，根据裂纹尖端位移时程曲线推导出裂纹尖端的应力强度因子时程曲线，随后根据CPG测出的裂纹动态断裂时间和裂纹扩展速度确定出扩展裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度。

第三步，因为动态断裂韧度值是裂纹在动载荷作用下材料抵抗裂纹起裂能力的重要性能指标，随后根据动态断裂韧度值在裂纹扩展过程中的变化情况，对含裂纹缺陷和空腔缺陷的岩体稳定性进行评价。

本发明公开了一种用于评估含裂纹缺陷和圆孔缺陷岩体稳定性的新构型，发明内容属于岩土工程技术研究领域，发明的实现方式是通过落锤冲击实验装置获得裂纹的扩展形态及裂纹动态扩展参数，并结合ABAQUS软件，计算获得裂纹的动态起裂韧度和动态断裂韧度，最后根据动态断裂韧度的定义及其值的变化趋势对含裂纹缺陷和空腔缺陷的岩体稳定性进行评价。由于本发明的构型尺寸较大，能够有效的保证裂纹扩展的监测范围不受试件边缘反射拉伸应力波影响。

附图说明

图1是本发明实施示例提供在冲击载荷下含裂纹缺陷和空腔缺陷岩体稳定性评价的流程图；

图2是本发明实施示例提供含裂纹缺陷和空腔缺陷的COSSCC构型试件；

图3是本发明实施示例提供有机玻璃材料制作的COSSCC试件模型实物图；

图4是本发明实施示例提供能实现中低速冲击加载的落锤冲击试验装置示意图；

图5是本发明实施示例提供裂纹扩展计的工作原理示意图；

图6是本发明实施示例提供裂纹扩展计最终的试验数据处理结果图；

图7是本发明实施示例提供含裂纹缺陷和空腔缺陷的COSSCC构型试件破坏效果图；

图8是本发明实施示例提供超动态应变仪测试的应力波信号曲线及动态载荷曲线；

图9是本发明实施示例提供裂纹面张开位移的示意图；

图10是本发明实施示例提供数值模型的网格示意图及采用的1/4节点单元示意图；

图11是本发明实施示例提供的动态起裂韧度、动态断裂韧度确定方式示意图；

图12是本发明实施示例提供不同圆孔倾角θ的COSSCC试件裂纹的动态断裂韧度全过程分析示意图。

具体实施方式

为了进一步使得本发明主要内容的目的与技术方案的阐述更加通俗易懂，故再一次进行详细地实例说明，对本发明内容进行进一步的解释说明；可以描述的是，此示例的描述仅仅用于解释本发明权利内容，并不限于本发明内容的延伸权利。

下面结合附图及具体的示例说明对本发明内容作进一步阐述与说明。

如图1所示，本发明实施示例是一种用于评价含裂纹缺陷和空腔缺陷岩体稳定性的构型，主要包括以下步骤：

S101：采用含裂纹缺陷和空腔缺陷的COSSCC构型并结合落锤冲击试验装置对构型试样进行冲击加载实验。

S102：利用超动态应变仪测试系统测得试件两端的加载应力波和裂纹扩展的起裂时间和动态断裂时间。随后将实验测得的加载应力波带入ABAQUS软件中进行数值模拟，并根据位移外推法计算出裂纹尖端的应力强度因子时程曲线，并结合实验测得的裂纹起裂时间和裂纹动态断裂时间确定出裂纹扩展的起裂韧度和动态断裂韧度。

S103：基于断裂力学及岩石力学理论基础，利用动态断裂韧度值对含裂纹缺陷和空腔缺陷的岩体稳定性进行评估。

本发明的工作实现原理主要是：

利用自主设计的落锤冲击实验装置对含裂纹缺陷和空孔缺陷的COSSCC构型试件进行冲击实验，获得COSSCC试件的裂纹的扩展规律，并测得试件加载载荷和裂纹扩展的起裂时间和裂纹扩展时间，并进一步计算出裂纹的动态扩展速度，再结合ABAQUS软件计算出的裂纹尖端应力强度因子，确定出动态扩展裂纹的起裂韧度及动态断裂韧度，最后根据动态断裂韧度对含裂纹缺陷和空孔缺陷的岩体进行稳定性评价。

本发明构型实例的实施步骤如下：

第一步，利用落锤冲击实验装置对发明者设计的COSSCC试件进行冲击实验。试件材料选择有机玻璃，因为有机玻璃具有透明，均质的特性，既能减小实验误差又便于观察裂纹扩展形态。试件的尺寸为，W＝300mm，H＝400mm，T＝15mm，L＝75mm，D＝150mm，a＝50mm，s＝50mm，d＝10mm，以θ为变量分别制作了θ为0°，10°，20°，30°，40°和50°共六组试件，有机玻璃的动态弹性模量为6.1GPa，动态泊松比0.35，密度为1.130g/cm

第二步，利用团队自研的落锤冲击实验装置对COSSCC试件进行冲击实验，该装置可以根据测试需求搭建各种采集系统，如图4所示。因为本发明示例需要监测冲击应力波和裂纹的动态断裂时间，因此采用超动态应变仪采集实验数据，该超动态应变仪的采集频率为2.5MHz，即每2μs采集5次数据。实验时，通过应变片监测入射端和透射端的应力波；利用裂纹扩展计(CPG)监测裂纹的动态断裂时间，并进一步计算出裂纹的动态扩展速度。CPG的工作原理是：CPG由21根粗细不同(阻值不同)的横向敏感栅丝并联而成。实验时，将CPG粘在试件待测位置，CPG的栅丝会随着裂纹的扩展一起断裂。当CPG上的敏感栅丝每断一根，CPG的总电阻值将出现突变。再将CPG接入电路中，该阻值突变则将体现为输出电压值的突变，而突变时刻就是CPG金属栅丝的断裂时刻，也就是裂纹扩展到栅丝位置的时刻t

本发明示例各组圆孔倾角θ的COSSCC试件的裂纹扩展规律如图7所示。从图中可以看到，当θ＝0°时，裂纹呈直线扩展，到达圆孔上表面后停止扩展；而当θ＝10°时，裂纹扩展到圆孔附近时，向圆孔方向发生偏转并到达圆孔表面，表现为圆孔对裂纹具有显著的引导效果；当θ＝20°时，裂纹扩展到圆孔附近时，依旧向圆孔缺陷方向发生了偏转，但最终裂纹并未扩展达到圆孔表面，说明圆孔对裂纹的引导效果较θ＝10°时要弱一些；当θ＝30°时，裂纹扩展出现和θ＝20°类似的偏转现象，但相对θ＝20°时来说，裂纹偏转的幅度更小，说明θ＝30°时圆孔对裂纹的引导效果更小；当θ＝40°和θ＝50°时，圆孔对裂纹扩展路径几乎没有影响裂纹扩展轨迹不会产生明显的偏折现象，裂纹呈现出明显的纯I型裂纹扩展行为。

第三步，接着利用ABAQUS软件对实验工况进行数值模拟，建立1∶1有限元数值模型，导入实验采集的加载应力波数据作为模拟的载荷边界条件，根据裂纹尖端位移时程曲线推导出裂纹尖端的应力强度因子时程曲线，随后根据CPG测出的裂纹动态断裂时间和裂纹扩展速度确定出扩展裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度。因为动态断裂韧度值是裂纹在动载荷作用下材料抵抗裂纹起裂能力的重要性能指标，随后根据动态断裂韧度值在裂纹扩展过程中的变化情况，对含裂纹缺陷和空腔缺陷的岩体稳定性进行评价。

起裂韧度和动态断裂韧度计算步骤大致如下：

将实验测得的试件加载应力波代入ABAQUS软件，计算应力强度因子，并结合实验测得的裂纹起裂时间和裂纹动态断裂时间确定裂纹的起裂韧度和动态断裂韧度。实验测得的加载应力波确定如图8所示，其中图8(a)为应变片的测得入射板和透射板的应变信号，随后根据一维应力波叠加原理，得到试件两端的加载载荷，如图8(b)所示，应力波叠加计算公式如下：

P

P

式中，E

据断裂力学基本理论中的位移外推法，其裂纹尖端附近应力强度因子利用位移场计算，计算公式如下：

式中，u

对于裂纹的左右表面，其θ分别为+π与-π，因此，裂纹左右表面的张开位移为

式中，

式中，K

式中

u

u

按照(6)式计算出的应力强度因子，并利用最小二乘法进行拟合求出裂纹尖端的I型应力强度因子K

式中，N为监测点数目。N越大，计算出的应力强度因子越精确。

另外，ABAQUS计算出的是静止裂纹的应力强度因子，而实际裂纹时动态扩展的，所以为了得到动态扩展裂纹的应力强度因子，还需利用普适函数对ABAQUS计算出的静止裂纹应力强度因子进行修正，修正公式如下：

式中，K

在ABAQUS数值模拟时，裂纹尖端区域采用CPS6单元，其余区域采用CPS8单元，如图10所示。材料力学参数为有机玻璃的动力学参数，载荷边界条件为实验所测得的试件两端的加载载荷。

图11为计算出的应力强度因子，并根据裂纹起裂时间和裂纹动态断裂时间确定裂纹起裂韧度和裂纹断裂韧度的示意图。从图中可以看出，应力波开始传播时，裂纹尖端的应力强度因子为0，随着压缩应力波经过裂纹尖端，裂纹尖端出现值为负的应力强度因子，随后裂纹尖端开始出现值为正的应力强度因子，并逐渐增大。根据裂纹起裂时间和裂纹动态断裂时间可以确定出裂纹的起裂韧度和断裂韧度，分别如图11(a)和图11(b)所示。

最后计算出的不同圆孔倾角θ的裂纹起裂韧度如表1所示，可以看到，各组圆孔倾角θ式样的起裂韧度基本一致，其误差小于3.4％，在误差范围内可以认为不同圆孔倾角的圆孔缺陷对裂纹的起裂韧度没有影响。其误差可能来自于实验所测得的加载波形的误差。

表1实施例动态断裂参数计算结果

第四步：

图12为各组圆孔倾角的COSSCC试件的裂纹动态断裂韧度。从图中可以看到，裂纹初始扩展时的断裂韧度要大于裂纹扩展稳定后的断裂韧度，这是由于裂纹初始扩展时的裂纹扩展速度较小，使得裂纹扩展的惯性效应较弱，所以裂纹扩展的断裂韧度更大；随着裂纹扩展速度趋于稳定，各组试样的动态断裂韧度值也趋于稳定，仅仅发生小幅波动；而对于θ＝0°和10°的第21根栅丝位置，由于其紧邻圆孔边缘，其断裂韧度明显减小，这是由于此处的裂纹扩展速度增大，裂纹的惯性效应增大，使得裂纹更易发生扩展。

综上所述阐述的发明实施例是含裂纹缺陷和圆孔缺陷岩体的情况，但它并不用于限制该构型表征岩体内其他类型空腔缺陷例如椭圆等的设定，并且也不限于其它裂纹缺陷和空腔位置关系的情况。凡是在本发明示例上做出精神和原则之内的任何修改、等同替换和改进等，均包括在本发明内容的保护范围之内。