脆性材料裂纹与损伤相互作用的试验研究(岩石力学与工程学报-2017-11)
脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状
脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状西安理工大学的贾竞等在2015年5月研究了表面热冲击下脆性材料半空间不同方位裂纹的临界长度，他们认为：结构承受热冲击时，温度非均匀性会导致结构产生热应力，从而引起裂纹的萌生和扩展。
该文研究脉冲激光作用下的含单裂纹脆性材料半空间温度场和应力场。
基于Fourier( 傅里叶) 热传导和热-力耦合原理，建立瞬态热传导方程和平衡方程; 采用ANSYS 软件实现温度场和应力场三维问题的有限元数值模拟; 分析不同裂纹在不同位置对热应力场的影响，从而得到裂尖应力强度因子; 依据材料临界应力强度因子，通过有限元计算得出不同方位热冲击下裂纹扩展的临界长度。
计算结果表明，脆性材料在受到Gauss( 高斯) 分布激光的辐照时，裂纹长比激光半径为0． 12 时，裂纹较为危险，且在r /r0 = 0． 2 处且与径向夹角为60°的裂纹更为危险，而且材料的断裂应属于剪切型断裂。
这些结果可以为承受热冲击结构中的危险裂纹标定提供理论依据。
北京交通大学的姜文征等在2014年4月研究了不同加载条件下泡沫杆的冲击动力响应，他们认为：基于一维非线性质量弹簧模型，研究了不同冲击加载条件下泡沫材料杆的冲击动力响应特性．在保证初始冲量相同的条件下，对比讨论了矩形载荷、正弦载荷、三角形载荷和倒三角载荷作用下泡沫杆内弹塑性应力波的传播过程，以及杆的动态变形特征．给出了不同载荷作用下的冲击应力增强因子和临界冲量．研究结果确定了不同冲击加载条件下泡沫材料的动力响应特征，对不同工况下泡沫结构的动力学性能设计具有重要的理论指导意义．重庆大学的陈刚等在2011年11月对冲击压缩下氧化铝陶瓷中的延迟破坏进行了实验研究，他们认为：利用轻气炮对不同厚度的氧化铝陶瓷试件进行了平板冲击实验，并借助激光速度干涉仪（ＶＩＳＡＲ）测试了试件的自由面速度历程。
实验结果显示，自由面速度曲线上存在表征破坏波出现的二次压缩信号。
根据实验结果计算获得了破坏波穿过试件的运动进程，并确定了试件中破坏波的运动轨迹近似为一条直线，得出在冲击压力为７．１６ＧＰａ时试件内破坏波波速约为５．０５１ｋｍ／ｓ，破坏延迟时间约为０．１０５μｓ。
脆性岩石破坏试验研究
试样为大岗山水电站花岗岩，有 3 种结构形式： (1) φ 50 mm×100 mm 的标准试样；(2) φ 50 mm× 50 mm 的圆柱试样，用于间接拉伸试验；(3) 含中心 圆孔的矩形岩板：60 mm×20 mm×120 mm(长×宽× 高)，圆孔直径为 10 mm。
平台，采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟，并与试验结果进行比较。结果表明，数值模拟真实
地反映了岩石变形破坏的全过程，研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。
关键词：岩石力学；带孔岩板；加载速率；破坏；数值仿真；声发射
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2009)增 1–2772–06
声发射的实时监测，可以全程记录声发射能量、振 铃数及累计数。本文采用声发射能量计数率(简称能 率)来分析试样压缩过程中的声发射特性。声发射能 率是指单位时间内所观测的全部事件的发射能的总 和，与所观测到的事件所在波形的幅度值的平方成 正比，反映了声发射的强弱[8，9]。试验时用凡士林 将声发射探头黏贴在试样上，并用橡皮筋稍加固定。
Abstract：Uniaxial compressive tests on standard granite specimen and granite plate with circular hole at center are carried out under different loading rates；and the whole process of rock failure is studied and the characteristics of acoustic emission in the process of rock failure are analyzed. The crack initiation and propagation are recorded in the whole course. The following conclusions can be drawn from tests. (1) Rock failure is a reflection of the crack initiation and propagation. The acoustic emission(AE) phenomenon can show the laws of crack initiation and propagation. (2) Under different loading rates，the specimen has different ultimate bearing capacities and failure modes. (3) Based on the test results，a constitutive relation of elastobrittle material with damage is established，and with the implementation of the secondary development of ABAQUS，the model is studied with numerical simulation under the same condition of the test，then the experimental results are compared with those of numerical simulation. The results of simulation calculations truly reflect the full process of rock deformation and failure. The research results play a great role in the strength criteria of rock fracture and rockburst mechanism. Key words：rock mechanics；rock plate with hole；loading rate；failure；numerical simulation；acoustic emission
脆性裂隙围岩的损伤力学分析及现场监测研究
确定，其计算公式为 (9)
Cn =
πa E 1 πa + 0 2 1 − v0 K n πa E0 1 πa + 2 1 − v0 Ks
Cs =
(10)
KI =
(16)
设 [ Ai ] 为坐标转化矩阵，[∆ Ci ] 为任一组裂隙产 生的柔度增量的张量。当岩体分布有任意方向的 n 组裂隙时，可采用坐标变换和叠加原理，求得其对 于柔度矩阵的影响，即
3] G. Frantziskonis 等[2 ， 首先将 S. Murakami[4]提出的几 何损伤理论应用于岩体工程中。W. H. Zhang 和 S. Valliappan[5 ，6] 提出岩体节理裂隙长度、方向和密度
Ω=
N 2I nn∑ Sk 3VL k =1
(1)
式中：I 为裂隙间距，n 为裂隙外法线单位矢量，N 为裂隙数目， Sk 为第 k 个裂隙的面积，VL 为单元体 积。 一般岩体的本构方程[15]可表述为
•1964 •
岩石力学与工程学报
2010 年
30 MPa 左右，属高地应力区。坝址区内断裂构造以 SN 向为主体。厂房区有多组高倾角节理。对于有较 高初始地应力的脆性岩体，大型洞室群开挖时在洞 壁内经常出现纵向裂隙区。日本学者 S. Hibino 和 M .Motorman [1]调查了 16 个大型水电洞室，结果发 现在典型条件下的火成岩体为围岩时，边墙的位移 量中有 2/3 为张开裂隙产生的空腔性位移。因此如 何建立符合工程实际的节理岩体模型是个非常重要 的问题。目前对地下洞室稳定性分析时，大多数仍 采用连续介质力学分析方法。对于节理岩体前人已 经发展了多种数值模拟方法，如 DEM，DDA 等已 开始运用于工程分析中。本文提出的是一种等效非 连续分析方法，可用以分析岩体中的破裂现象。断 裂力学方法和损伤力学方法已有学者做了大量工作：
岩石随机缺陷对其断裂韧性的影响试验研究与分析
岩石随机缺陷对其断裂韧性的影响试验研究与分析引言岩石作为地质工程中最常见的材料之一，其断裂韧性是评价其工程性能的重要指标之一。
岩石在其内部晶体结构、组成以及存在的缺陷等因素的影响下，其断裂韧性可能发生变化。
本文将通过试验研究与分析，探讨岩石随机缺陷对其断裂韧性的影响，并在此基础上提出相应的结论和建议。
试验方法1. 实验材料选择本实验选取了代表性的花岗岩样本作为研究对象。
样本的缺陷类型包括微裂隙、矿物体内的气泡以及晶体缺陷等。
2. 断裂韧性试验通过使用标准的压力机进行断裂韧性试验，记录加载过程中样本的载荷-位移曲线。
在试验过程中，需要通过适当的测量设备对样本的裂纹扩展情况进行实时监测。
结果分析1. 微裂隙对断裂韧性的影响实验结果显示，微裂隙对岩石的断裂韧性有显著影响。
微裂隙的存在加剧了样本的破坏过程，导致断裂韧性的降低。
微裂隙在岩石内部的扩展破坏引起了断裂面的形成，从而导致断裂韧性的降低。
2. 矿物体内的气泡对断裂韧性的影响矿物体内的气泡是岩石中常见的缺陷之一。
实验结果表明，矿物体内的气泡对岩石的断裂韧性有一定的影响。
气泡的存在使得岩石的内部存在不均匀的应力分布，降低了岩石的整体强度，从而导致断裂韧性的降低。
3. 晶体缺陷对断裂韧性的影响晶体缺陷是岩石中较为常见的缺陷类型之一。
实验结果表明，晶体缺陷对岩石的断裂韧性具有一定的影响。
晶体缺陷的存在使得岩石内部的结构不完善，导致岩石的整体强度下降，从而影响了其断裂韧性。
结论与建议1. 岩石中的随机缺陷对其断裂韧性具有一定的影响，需要在岩石工程设计中予以考虑。
2. 在岩石工程中，应尽量减少岩石中的缺陷，提高岩石的整体强度。
3. 对于存在缺陷的岩体，需要进行综合评估和合理的工程处理，以减少缺陷对其断裂韧性的不利影响。
结语通过试验研究与分析，本文探讨了岩石随机缺陷对其断裂韧性的影响。
实验结果表明，微裂隙、矿物体内的气泡以及晶体缺陷等随机缺陷对岩石的断裂韧性有一定的影响。
脆性岩石抗拉特性及其破裂机制的试验与细观模拟研究
脆性岩石抗拉特性及其破裂机制的试验与细观模拟研究脆性岩石破裂机制研究是深部岩石工程的基础科学问题。
常见的脆性岩石破坏形式包括剥落、冲击地压、岩爆等,其危害轻则影响工程施工进度安排,重则造成设备人员伤亡重大损失,甚至可能会诱发工程失效,事关国家安全和国计民生。
传统的试验方法不能探索脆性岩石内部破坏过程,强度准则不能有效解释脆性岩石破坏现象,经典离散元细观模型在分析脆性岩石破裂机制上存在一些显著缺陷。
诸多的室内试验和现场原位试验表明,脆性岩石破坏中细观张拉裂纹扮演着主导角色。
本文从室内试验及细观分析角度,研究脆性岩石抗拉特性,首先选取合适的细观模型,其次结合室内试验结果,分别就脆性岩石的三大特征、巴西抗拉强度和I型断裂韧度进行深入分析,探究了脆性岩石细观张拉破裂机制。
主要研究工作和研究成果如下：（1）完整脆性岩石的室内试验结果呈现三大显著特征：高压拉比、大内摩擦角和强度包络线非线性,而经典黏结颗粒细观模型（Bonded-particle model）—标准BPM在匹配脆性岩石宏观力学性质时存在这三个显著缺陷。
通过分析标准BPM的组成和本构关系以及标准BPM改进模型的特点,总结了造成这些显著缺陷的原因,提出采用新的黏结细观模型—平节理模型（3Dflat-joint model, FJM3D）开展脆性岩石研究。
（2）根据锦屏大理岩室内压缩和抗拉试验结果,结合FJM3D模型校核过程和参数敏感性分析结果,掌握了对脆性岩石三大特征起决定性作用的细观参数,并提出了一套能全面反映脆性岩石宏观力学性质的校核方法。
（3）依据典型的巴西劈裂试验和Brisbane凝灰岩室内试验结果,借鉴多边形近似求圆周长的思想,提出采用FJM3D模型直接生成巴西圆盘细观模型,通过圆周分辨率控制圆周光滑度,解决了标准BPM存在的缺陷和传统圆盘建模方法造成的问题,通过参数敏感性分析掌握了影响巴西抗拉强度（BTS）的关键细观参数。
（4）通过花岗岩人字形切槽巴西圆盘（Crack chevron notched Brazilian disc, CCNBD）试验,得出了试样尺寸和加载速率对Ⅰ型断裂韧度(K<sub>Ic</sub>)的影响规律。
力学中的材料损伤与断裂行为研究
力学中的材料损伤与断裂行为研究材料在受到外力作用时，往往会出现各种形式的损伤和断裂行为。
这些损伤与断裂行为对于材料的稳定性和性能起着重要的影响。
因此，力学中的材料损伤与断裂行为研究成为了一个具有重要意义的领域。
一、材料损伤行为的研究材料在受到外力作用时，会出现各种类型的损伤，比如裂纹、疲劳断裂等。
研究材料损伤行为的目的是了解材料在应力加载下的破坏机理，进而寻找损伤的形成和发展规律，为工程设计和实际应用提供依据。
1.1 裂纹扩展行为的研究裂纹扩展是材料损伤中的常见现象。
在实验研究中，通过对材料中存在的裂纹进行观察和测量，可以获得裂纹扩展的速率和路径。
这些数据对于材料的使用寿命预测和工程结构的安全评估具有重要意义。
1.2 疲劳断裂行为的研究疲劳断裂是材料在交变应力作用下的一种特殊形式的断裂行为。
通过对材料的疲劳寿命进行研究，可以得到材料的疲劳特性曲线和疲劳寿命方程，为材料的设计与使用提供依据。
二、材料断裂行为的研究材料在受到极限载荷或过载荷作用时，会出现断裂行为。
研究材料的断裂行为有助于了解材料的强度和韧性，为工程结构的设计和评估提供科学依据。
2.1 静态断裂行为的研究静态断裂是指在静态加载下，材料发生破坏的行为。
通过研究材料的静态断裂韧性，可以评估材料的抗拉强度和韧性，为工程设计提供可靠性保证。
2.2 冲击断裂行为的研究冲击断裂是指在高速冲击或冲击加载下，材料发生破坏的行为。
研究材料的冲击断裂行为对于一些特殊工况下的工程应用具有重要意义，比如飞机起落架的冲击性能等。
三、材料损伤与断裂行为的数值模拟为了更好地理解材料损伤与断裂行为，实验研究和数值模拟相互结合成为了一种常见的研究手段。
基于材料力学理论和数值计算方法，通过建立合适的模型和边界条件，可以对材料损伤和断裂行为进行预测和分析。
数值模拟结果可以辅助实验研究，帮助研究人员更好地理解材料的行为。
综上所述，力学中的材料损伤与断裂行为研究对于我们深入了解材料的性能、研发新型材料以及保障工程结构的安全性具有重要意义。
裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究
裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究1.引言随着深部地下工程的广泛应用，岩石裂隙的应力-损伤-渗流耦合行为使得岩体的力学特性和渗透性发生了显著的变化。
因此，深入研究裂隙岩体的应力-损伤-渗流耦合行为以及相应的理论、试验和工程应用具有重要意义。
本文将综述裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合的基本理论、相关实验方法和工程应用。
2.裂隙岩体的应力-损伤-渗流耦合行为裂隙岩体的应力-损伤-渗流耦合行为可以通过研究宏观应力-应变曲线和渗流特性来分析。
裂隙岩体在外加载荷作用下受到应力，导致岩体内部裂隙的闭合和扩张。
这种应力会产生裂隙中的损伤，即裂隙的扩张和变形。
同时，岩体的渗透性也会发生变化，渗流的速度和通量会受到应力-损伤效应的影响。
3.裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论是研究裂隙岩体力学特性和渗透性变化的重要工具。
该理论基于裂隙的力学行为和渗流规律，通过建立裂隙的非线性力学模型和渗流模型，揭示了裂隙岩体力学参数、损伤参数和渗透性参数之间的复杂关系。
这些模型和参数可以用来预测裂隙岩体在不同加载条件下的力学特性和渗透性变化。
4.裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合试验方法为了验证裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论的准确性，需要进行相关的试验研究。
裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合试验可以通过应力加载试验和渗流试验相结合的方式进行。
应力加载试验可以测量岩体的应力-应变关系，并观察和记录裂隙的闭合和扩张过程。
渗流试验可以测量岩体的渗透性变化，并分析渗流速度和通量的变化规律。
5.裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合在工程应用中的意义裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合在工程应用中具有重要意义。
深部地下工程中，裂隙岩体的力学特性和渗透性变化会影响工程的稳定性和渗流路径。
通过研究裂隙岩体的应力-损伤-渗流耦合行为，可以为工程设计和施工提供重要的参考依据。
例如，在水库工程中，裂隙岩体的渗透性变化会影响水库的水存量和运行安全性，因此需要对裂隙岩体进行合理的渗透性评估和防渗措施设计。
微观力学中的断裂与损伤行为研究
微观力学中的断裂与损伤行为研究随着人工制品的广泛应用以及科技的不断进步，微观结构分析和实验技术手段不断地得到发展和更新。
在微观尺度上研究材料的断裂与损伤行为已经成为了材料科学中非常重要的研究领域之一。
本文将针对微观力学中的断裂与损伤行为进行探讨。
一、断裂与损伤行为的概念所谓断裂与损伤行为，是指在材料受到外部载荷作用的过程中，出现裂纹、疲劳、塑性应变、脆性断裂等不同程度的机械损伤痕迹。
其中，“断裂”是指材料内部出现裂痕并扩展的过程，这种破坏可能会导致材料完全破坏、无法使用。
而“损伤”则是指材料受到外部载荷作用产生的疲劳、塑性变形、微观结构改变等深度不同的程度的损伤。
二、机械损伤的原理机械损伤是材料受到外部载荷作用破坏的一种模式，其机理是疲劳-蠕变机理。
当材料在外部载荷作用下受到超过其内部强度极限时，就会出现疲劳-蠕变现象。
其基本机理是在产生应力的周期数过程中，材料内部发生的应变峰值与塑性变形。
这样周期性应变将会破坏微观结构，由此产生小的微裂纹。
随着循环载荷作用的不断进行，微小裂纹渐渐增大并扩展到材料的大范围内，直到形成一个完整的裂纹，最终导致断裂。
三、断裂与损伤行为的影响因素1.材料性质材料性质是影响断裂与损伤行为的重要因素之一。
不同材料的强度、硬度、韧性等特性不同，其受力后产生的应变和变形、断裂的方式也存在差异。
2.载荷类型载荷类型也会影响断裂与损伤的行为。
不同类型的载荷（包括压力、拉力、剪力等）会导致材料内部不同的应力分布，在这些应力作用下，材料收到不同的抵抗和损伤程度。
3.温度条件温度是影响材料塑性和断裂行为的重要因素之一。
在不同温度下，材料表现出不同的断裂和损伤行为，随着温度的升高，材料的塑性加强，但是韧性会变弱，同时，材料的疲劳性能也不断减弱。
四、断裂与损伤的实验研究方法断裂与损伤行为是微观尺度下的材料损伤问题，其实验研究需要一定复杂的方法和手段。
现今应用较为广泛的实验方法包括SEM、TEM、AFM等。
岩石力学中的损伤理论与断裂力学研究
岩石力学中的损伤理论与断裂力学研究岩石力学是地质力学的一个重要分支，研究岩石在外力作用下的力学性质和变形规律。
损伤理论和断裂力学是岩石力学中的两个关键概念，对于了解岩石的破坏机理和预测岩石工程的稳定性具有重要意义。
损伤理论是研究岩石在外力作用下产生损伤的力学理论。
岩石是一种具有孔隙结构的材料，外力作用下，岩石内部的孔隙会发生扩张和变形，从而导致岩石的损伤。
损伤程度可以通过损伤变量来描述，损伤变量是一个介于0和1之间的数值，表示岩石的损伤程度，当损伤变量为0时，表示岩石完好无损，当损伤变量为1时，表示岩石完全破坏。
损伤理论通过建立损伤变量与应力、应变之间的关系，来描述岩石的损伤演化过程。
在损伤理论的基础上，断裂力学研究岩石在达到破坏强度时的断裂行为。
断裂是指岩石在外力作用下发生裂纹扩展和破坏的过程。
断裂力学主要研究岩石的断裂韧性、断裂模式和断裂扩展速率等问题。
岩石的断裂行为受到多种因素的影响，包括岩石的物理性质、应力状态、裂纹形态等。
断裂力学通过建立断裂准则和断裂参数来描述岩石的断裂行为，从而为岩石工程的设计和施工提供理论依据。
损伤理论和断裂力学的研究对于岩石工程具有重要意义。
在岩石工程中，岩石的损伤和断裂是不可避免的，因此了解岩石的损伤和断裂机理对于预测岩石的稳定性和安全性至关重要。
损伤理论和断裂力学可以帮助工程师确定岩石的破坏模式和破坏机制，从而采取相应的措施来保证岩石工程的安全。
此外，损伤理论和断裂力学的研究也对于地质灾害的预测和防治具有重要意义。
地质灾害，如地震、滑坡和崩塌等，常常与岩石的损伤和断裂有关。
了解岩石的损伤和断裂机理可以帮助我们预测地质灾害的发生概率和规模，并采取相应的防治措施来减少灾害造成的损失。
总之，岩石力学中的损伤理论和断裂力学是研究岩石破坏和变形的重要理论。
损伤理论研究岩石的损伤演化过程，断裂力学研究岩石的断裂行为。
这两个理论对于岩石工程的设计、施工和地质灾害的预测和防治具有重要意义。
脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律及破裂机制试验研究
脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律及破裂机制试验研究发布时间：2022-10-31T02:53:50.707Z 来源：《城镇建设》2022年第12期6月作者：马红旗[导读] 岩石材料力学是采矿工程的核心门类之一，马红旗济南市章丘区自然资源局山东济南摘要：岩石材料力学是采矿工程的核心门类之一，脆性类岩石材料边缘裂纹扩展是引发地质灾害的主要因素，通过对岩石边缘裂纹扩展规律及破裂机制的研究可为采矿技术的优化提供参考，有助提升工程的安全性及科学性。
基于此，对边缘裂纹扩展规律进行实验探析。
结论表明：边缘裂纹宽度增加对样本起裂强度与单轴抗压强度有减小作用；拉伸裂纹出现时间与剪切裂纹相关，且二者呈反比关系；样本破坏模式与边缘裂纹宽度无明显关联性，其破坏形式主要以拉伸为主。
关键词：脆性类岩石材料；边缘裂纹；扩展规律；破裂机制受我国经济发展影响，矿产资源需求量逐年递增，岩土工程建设显著加强。
在对自然资源进行开发时需分析开发地复杂多变的岩石力学，在环保与安全的基础上合理处理岩体结构。
岩石层多表现为断层、劈理等结构面，对岩石力学性能要求较高。
考虑到岩石材料易出现裂隙、节理与滑离的问题，是事故的原生因素之一，为了消除安全隐患，需对脆性类岩石材料裂纹发展规律进行研究，避免区域裂隙延伸到结构性失稳，确保采矿工程、岩土工程如序开展。
1、样本配置为了分析脆性类岩石材料边缘裂纹的形成与发展，制备脆性类岩石材料样本，采用模拟的方式对其裂纹传播规律进行分析，具体参数见表1。
样本裂纹位于试件左侧中心位置，长宽为0.1m，宽度分别为0.025/0.030/0.040/0.050m，呈现为水平角。
样本组装完模后，将模具拆除，同时在内部涂抹润滑油，保证样本成型后完整脱模。
随后，将模具放在震动平台上，避免试件存在气泡。
依照配合比165:2:70（模型石膏、硅藻土、水）称取对应重量的材料，将材料搅拌均匀。
把搅拌均匀的材料浇筑在模具之中，当浇筑完成后，将厚度为0.003m的钢板插到制定位置。
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第 36 卷
第 11 期
高桂云等：脆性材料裂纹与损伤相互作用的试he crack propagation velocity except the energy consumption. The symmetric cracks interact with each other during crack propagation. The minor difference between two symmetric cracks influence the crack initiation and propagation process，and lead to the asymmetric propagation of the two cracks. The crack position，crack propagation velocity，stress intensity factor and energy release rate etc.，can be obtained using the method of caustics which is a promising method for investigating the dynamic interaction between crack and defects. Key words：rock mechanics；brittle material；dynamic fracture；defect；crack interaction；dynamic method of caustics 方法通过分析焦散线的直径及形状变化，研究了有
[13]
就曾采用静态焦散线的方法研究了含
有平行对称边裂纹的薄板在准静态纯弯曲载荷作用 下应力强度因子(stress intensity factor，SIF)随初始 裂纹长度和间距的变化，发现裂纹止裂与裂纹间距 和对称裂纹位置变化有关。P. Theocaris
[14]
也采用该
• 2652 •
岩石力学与工程学报
[3-4]
等。借鉴准静态分析方法，动态断裂
[5]
韧性测试目前出现相应的建议测试方法 ，同时结 合其他测试方法如数字图像相关方法、霍普金森压 杆技术等[6-8]， 岩石动态断裂韧性的测试方法逐渐发 展完善。然而动态荷载作用下的裂纹扩展及影响因 素，运动裂纹与损伤相互作用等问题有待进一步深 入研究。 关于裂纹与损伤相互作用的理论与数值计算研 究 ， 目前 已有 较多 工作， 例如 林 鹏 等 RFPA 成薇
摘要：为研究岩石等脆性材料的损伤对裂纹动态扩展的影响，采用动态透射焦散线方法，模拟脆性材料裂纹与损 伤相互作用的动态过程，进行多种损伤情况下有机玻璃试样裂纹动态扩展过程试验研究，讨论不同类型损伤对脆 性材料裂纹动态扩展规律的影响和裂纹与损伤相互作用的机制。试验结果表明：不同类型的损伤对裂纹扩展影响 不同，除裂纹型损伤外，其他几种类型损伤的存在均会引起裂纹扩展出现短暂停滞，停滞时间与损伤的尺寸及距 离扩展裂纹路径的距离有关系；裂纹扩展路径上存在单个圆孔时会影响裂纹扩展速度，裂纹消耗能量增大；而多 个圆孔情况下，材料局部弱化，裂纹扩展速度增大，而裂纹扩展消耗能量降低；表面损伤和局部贯通裂纹的尺寸、 相对裂纹扩展路径距离等影响裂纹扩展速度，但能量消耗并未增大；对称裂纹相互竞争，同步扩展，裂纹尖端位 置或裂纹长度的微小差别(例如裂纹长度相差 3.68%)就会对裂纹起裂产生明显影响，导致 2 个裂纹起裂时间不同， 裂纹扩展以后，先起裂的裂纹尖端应力强度因子大说明能量集中到相应裂纹尖端，从而越有利于该裂纹的扩展， 扩展速度也就越大(相差约 38.9%)，相同条件下裂纹扩展所消耗的能量也越大。 关键词：岩石力学；脆性材料；动态断裂；损伤；裂纹相互作用；动态焦散线方法 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2017)11–2650–12
收稿日期：2017–07–25；修回日期：2017–09–20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41704096)；中央级科研院所基本科研业务专项资助项目(ZDJ2017–13) Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 41704096) and Fundamental Research Fund for State Level Scientific Institutes(Grant No. ZDJ2017–13) 作者简介：高桂云(1984–)，女，2014 年于北京大学工学院力学与工程科学系获博士学位，现任助理研究员，主要从事岩石动态断裂、水压致裂等方 面的研究工作。E-mail：gygaopku@ DOI：10.13722/ki.jrme.2017.1182
Abstract： The study on the interaction of the damage and crack of brittle material under dynamic loading has great importance on the explanation of rock rupture mechanism. The dynamic method of caustics was carried out using polymethyl methacrylate(PMMA) specimens to simulate the interaction process between the crack and defects of brittle materials under dynamic loading. The dynamic crack propagation mechanism，the effects of different types of defects on the crack propagation and the interaction mechanism of crack and defects were discussed. The experimental results show that the crack arrest occurs followed by the increasing or decreasing of crack propagation velocity when there are defects near the crack path. The size of the defects and their distance from the crack path influences the arrest time. The fracture energy consumption increases when there is a circle hole near the crack path，while the multiple holes near the crack tip reduce the crack resistance of crack and the energy consumption. Other type of defects such as the surface crack and the combination of through and surface cracks
1
引
言
机玻璃试样中对称和非对称共线裂纹的相互作用。 X. F. Yao 等[15]采用准静态焦散线方法，研究了 2 个 平行偏置裂纹在动态拉伸载荷作用下的裂纹扩展及 相互作用，但并未考虑裂纹扩展速度对应力强度因 子的影响。K. Arakawa 等[16]考虑裂纹非稳态扩展采 用焦散线方法研究了带 2 个圆孔单边裂纹 PMMA 梁的动态应力强度因子、裂纹扩展速度与裂纹扩展 加速度的关系，但由于圆孔距离单边裂纹足够远， 并未讨论圆孔对边裂纹动态扩展过程的影响。杨仁 树等[17-18]采用数字激光动态焦散线方法进行了含圆 形孔缺陷的试样的冲击试验，研究了 I 型运动裂纹 与圆形孔缺陷的相互作用机制，指出了圆形孔阻碍 裂纹的扩展，使裂纹尖端钝化，再次起裂裂纹扩展 速度存在跳跃。丁晨曦等[19]也采用该方法研究了裂 纹缺陷对 I 型运动裂纹扩展的影响，发现倾斜裂纹 对裂纹扩展有抑制作用。但他们的分析中都均未考 虑动态裂纹扩展的影响。在裂纹扩展速度较高或扩 展过程中发生变化时，必须考虑动态裂纹扩展速度 对应力强度因子计算的影响。而在裂纹与损伤相互 作用过程中，裂纹扩展速度可能会发生跳跃，因而 需要考虑非稳态裂纹扩展影响。岩石等脆性材料在 外载荷作用下的破坏过程，实质上就是材料中损伤 的萌生、长大、扩展及汇合的过程，在此过程中， 不同类型的损伤(孔洞、裂纹、节理面等)会相互影 响，共同作用，影响脆性材料的破裂过程。因而， 研究裂纹与损伤的相互作用对解释脆性材料裂纹扩 展及破坏规律具有重要的意义。综上所述目前的工 作主要集中在平行裂纹的相互影响以及圆孔对裂纹 扩展影响，且试验工作较少，试验手段及分析方法 限制，无法系统研究及分析裂纹与损伤相互作用， 尤其是动态扩展过程中损伤对裂纹影响分析。因而， 有必要进一步系统探讨裂纹与损伤的相互作用问 题。 本文将基于动态焦散线方法，考虑动态裂纹扩 展影响，研究裂纹与典型损伤(如裂纹、宏观孔洞、
Experimental study on the interaction of crack and defects of brittle materials under dynamic loading
GAO Guiyun1 2，ZHOU Jie2，LI Zheng2
，
(1. Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China；2. Department of Mechanics and Engineering Science，College of Engineering，Peking University，Beijing 100871，China)