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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2019, 27(1): 52-62 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2019.01.052

冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展

曾晟1,2, 王少平,2,*, 张妮2

1. 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,湖南 长沙 410014

2. 南华大学资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001

Research Progress of Rock Crack Propagation Under Impact Loading

ZENG Sheng1,2, WANG Shaoping,2,*, ZHANG Ni2

1. Hunan Provincial Key Laboratory of Key Technology on Hydropower Development,Changsha 410014,Hunan,China

2. School of Resource and Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang 421001,Hunan,China

收稿日期: 2018-01-04   修回日期: 2018-06-10   网络出版日期: 2019-03-11

基金资助: 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放基金项目“荷载作用下复杂节理洞室围岩裂纹扩展及稳定性控制”(编号:PKLHD201604)和湖南省自然科学基金面上项目“冲击荷载作用下裂隙岩体裂纹扩展的分形特征”(编号:2018JJ2331)联合资助

Received: 2018-01-04   Revised: 2018-06-10   Online: 2019-03-11

作者简介 About authors

曾晟(1977-),男,湖南常德人,副教授,从事矿山岩石力学研究工作usczengs@126.com 。

王少平(1991-),女,河南安阳人,硕士研究生,从事岩石动力学方面的研究工作18790865205@163.com , E-mail:18790865205@163.com

摘要

为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性控制提供理论基础,通过查阅大量关于表征岩石裂纹扩展的裂纹扩展模型、应力强度因子和断裂韧性的国内外文献,总结了前人的研究成果。依据现有研究,提出了动荷载作用下岩石裂纹扩展的几点建议:(1)综合考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型,使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征;(2)采用分形、自组织和混沌等非线性理论表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征;(3)采用颗粒离散元和有限差分模拟岩石材料裂纹扩展演化特征。

关键词: 岩石动力学 ; 冲击荷载 ; 裂纹扩展模型 ; 应力强度因子 ; 断裂韧性

Abstract

In the study of rock dynamic mechanical behavior,rock crack propagation model reveals the crack propagation process of rock materials under dynamic loads theoretically,and provides theoretical support for the failure law of rock materials under dynamic loads.Rock fracture toughness can be used to characterize the fracture resistance of rock materials or the resistance to produce new cracks.Especially when there are a few main cracks acting on rock materials,fracture toughness can predict fracture failure of rock materials more effectively than other strength parameters.However,stress intensity factors are used in the calculation of fracture toughness and stress field of rock materials,the description of crack propagation process and the stability evaluation of engineering rock mass.Therefore,two important parameters,stress intensity factor and fracture toughness,are indispensable for describing the crack propagation process and evaluating the stability of rock materials.In order to provide theoretical basis for deformation mechanism and stability control of the surrounding rock mass in deep resource exploitation and large underground space engineering,the previous research results are summarized by referring to a large number of domestic and foreign literatures about crack propagation models,stress intensity factors and fracture toughness that characterize rock crack propagation.From the existing research results, it is concluded that the anisotropy of rock material structure leads to its non-linear characteristics.If only elastic mechanics or fracture mechanics are used to describe the failure process of rock,it will be difficult to obtain ideal results.Therefore,the damage mechanics is gradually introduced into the study of rock fracture failure.Among which,the introduction of damage mechanics is mainly due to the rise and application of non-linear science such as fractal,self-organization and chaos.Because the accuracy of stress intensity factor and fracture toughness is very important for predicting rock crack growth,the research on stress intensity factor and fracture toughness of rock mainly focuses on its testing methods or influencing factors.The testing methods of rock dynamic stress intensity factor mainly include strain gauge method,caustic method and photoelastic method,and the influencing factors mainly include stress factors and geometric factors of cracks and materials.Although there are many testing methods for rock dynamic fracture toughness,the commonly used ones are three-point bending dynamic fracture test technology,sharpy impact test method and split hopkinson pression bar (SHPB) test.The testing methods based on SHPB device can be divided into three categories,they are impact tensile dynamic fracture test,unilateral impact dynamic fracture test and central crack disc dynamic fracture test.Based on the existing research,several suggestions for rock crack propagation under dynamic load are proposed.(1)A theoretical model for the evolution process of rock material from microscopic fracture to macroscopic damage is established by comprehensively considering elastic mechanics,fracture mechanics and damage mechanics to make the theoretical model more suitable for the nonlinear characteristics of rock material;(2)Nonlinear theories such as fractal,self-organization and chaos are adopted to characterize the propagation and evolution of cracks in rock and surface under dynamic loading;(3)The crack propagation and evolution characteristics of rock materials are simulated by particle discrete element method and finite difference method.

Keywords: rock dynamics mechanics ; impact load ; crack propagation model ; stress intensity factor ; fracture toughness

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本文引用格式

曾晟, 王少平, 张妮. 冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(1): 52-62 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.01.052

ZENG Sheng, WANG Shaoping, ZHANG Ni. Research Progress of Rock Crack Propagation Under Impact Loading[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(1): 52-62 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.01.052

岩石材料是一种天然的非连续性介质,其内部存在着大量的微观和宏观缺陷。岩体受载后的宏观断裂失稳和破坏与其变形时内部微裂纹的分布以及微裂纹的产生、扩展和贯通密切相关,这些断裂裂隙与裂纹将直接关系到裂隙岩体围岩的稳定性。随着矿产资源开发和地下空间工程向深部发展,工程地质条件和外在环境条件变得越来越复杂,特别是在动荷载扰动的情况下,岩体原生微裂纹、孔洞和局部损伤,以及断层和节理等弱结构面失去了初始平衡状态,裂隙进一步发育和扩展,导致岩石强度降低,从而影响工程岩体的稳定性。

近年来,在岩石力学领域,岩石的静态特性研究已经相当充分,而岩石的动态特性,尤其是冲击载荷作用下的力学特性研究还有待进一步深化,岩体在荷载扰动下的失稳灾变机理及其控制尚无准确描述。然而,在地震、爆破和地下结构工程施工等过程中,岩石材料裂纹的萌生、起裂和扩展大多是由动载荷扰动引起的。为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性评价提供理论基础,许多学者已经在冲击荷载下岩石裂纹的扩展演化方面做了大量研究,主要集中在以下几个方面:岩石裂纹的动态扩展模型[1]、岩石力学特性的影响因素[2]、岩石动态应力强度因子的计算方法及其影响因素[3]和岩石动态断裂韧性的测试方法[4,5]等。尽管岩石材料的裂纹动态扩展研究已取得了一定的成果,但还需更进一步探索与钻研[6]。本文对岩石裂纹的动态扩展模型、岩石裂纹扩展试验和数值模拟研究、岩石的动应力强度因子以及岩石的动态断裂韧性进行了系统论述,并对这一领域未来的研究工作进行了展望。

1 岩石裂纹动态扩展模型

岩石裂纹动态扩展模型从理论方面揭示了岩石材料在动载荷作用下的裂纹扩展过程,为动载荷下岩石的破坏规律研究提供了依据。在荷载因素可预见的情况下,岩石裂纹动态扩展模型可以预测岩石材料的裂纹扩展状态,实现工程灾害的预测和评估,因此,岩石裂纹的动态扩展模型研究一直是岩石动力学和岩石爆破研究的重点内容。从发展历程来看,岩石裂纹动态扩展模型经历了弹性理论阶段、断裂理论阶段和损伤理论阶段,总结3个阶段模型的代表形式及其优缺点,结果见表1

表1   岩石裂纹动态扩展模型的优缺点及适用范围

Table 1  Advantages, disadvantages and applicable scope of the dynamic propagation model of rock crack

对比内容弹性理论模型断裂理论模型损伤理论模型

Harries

模型

Farvreau

模型

BCM模型NAG-FRAG模型K-G模型TCK模型KUS模型

Thorne等

的模型

YANG等

的模型

适用范围将岩石视为均质材料,适用于均质的、连续的、无缺陷的弹性材料将岩石视为部分均质材料,适用于裂隙周围是均匀介质的脆性材料虽然每种模型在研究岩石裂纹扩展时所采用的方法和考虑的因素不同,但每种模型均适用于任何岩石材料
优点①以准静态压力理论为基础,将复杂的岩石动态破坏问题看作是准静态二维边值介质弹性问题。②以动态拉应变为破坏依据

①以应力波理论为基础的三维弹性模型。②以动态抗拉强度为破坏准则,该模型可对岩石破碎块度进行

估算

以Griffith强度理论为基础建立裂纹扩展判据,即当裂纹长度小于临界值时是稳定的,否则,有可能扩展①以裂纹扩展的临界应力为破坏准则。②该模型主要考虑应力以及应力波引起的裂纹扩展来研究裂纹的密集度、传播情况以及损伤程度该模型认为岩石中存在数目众多的天然裂隙,且裂纹长度和条数均服从双参数的威布尔分布,同时具有各向同性的特征考虑裂纹密度、有效泊松比和有效体积模量的关系,并将损伤变量耦合到动态本构方程中,该模型可以预测岩石在体积拉伸载荷下的动态响应该模型考虑高密度微裂纹的荫屏效应和损伤引起裂纹激活率的减少,在模拟岩石性质方面更接近实际该模型基于不同的损伤变量进行定义,考虑活性裂纹数量可能引起岩石体积的变化,提高了其在大裂纹密度条件下的适应性

①裂纹的萌生与扩展取决于张拉应变,当某点的拉应变小于临界值时,原有裂纹是稳定的。

②岩石的本构关系可用弹塑性理论来解释,且服从Von Mises准则

缺点

①没有考虑岩石中裂隙、节理和断层等缺陷对应力波传播和破碎块度的影响,导致计算精度偏低。②该理论模型的均质性与岩石的非均质性差别较大,实用性

有限

同Harries模型由于该模型认为裂纹均呈水平状发育,因此仅适用于有层理和沉积类岩石,没有得到广泛的应用用一维模型解决三维问题,计算结果误差较大,没有得到广泛的应用

该模型只考虑了材料在体积拉伸状态下存在的损伤累积,认为在压缩状态下材料进入理想

状态

①原有模型仅考虑了有限裂纹密度,若要适用于一般情况,需扩大裂纹密度范围,但相关参量的获取较困难。②需考虑材料在压缩状态下引起的拉伸损伤

同TCK

模型

模型中的材料参数需由不同应变率下的最大拉伸应力试验得出,这在试验上是有困难的虽然模型的计算结果与实验结果比较吻合,但是模型中参数的确定较为困难

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(1)弹性理论模型。弹性理论认为理想材料的弹性变形都是暂时的,并随着荷载的解除变形可以完全恢复,在弹性范围内应力和应变的关系服从胡克定律。弹性理论模型是最早被提出用来分析岩石在动载下裂纹扩展演化规律的模型,它将岩石看作均质连续材料,忽略其受力过程中伴随的节理、裂隙和孔洞的压实过程,适用于均质的、连续的、无缺陷的弹性材料。目前该模型有Harries模型[7]和Farvreau模型[8]2种代表形式。

(2)断裂理论模型。随着岩石力学理论的发展,岩石断裂力学理论代替弹性理论逐渐被科研工作者所接受,因此,许多学者开始采用断裂理论来研究岩石材料的裂纹扩展和断裂问题。岩石断裂力学认为岩石是含有裂纹的脆性材料,它可以用来分析岩石裂纹的扩展问题以及测定岩石断裂韧度。断裂理论认为裂纹扩展主要有裂纹端部的应力达到了临界强度值形成裂纹或裂纹扩展时释放的能量引起新裂纹2种观点。基于这2种观点诞生了多种断裂理论模型,其中,BCM模型和NAG-FRAG模型是具有代表性的2种形式[9]。断裂理论模型将岩石视为部分均质材料,适用于裂隙周围是均匀介质的脆性材料。

(3)损伤理论模型。由于弹性力学模型和断裂力学模型分析岩石的破坏过程会与实际情况存在较大的出入,无法准确描述岩石材料的破坏规律,因此,损伤理论被引入到岩石的裂纹扩展研究中。岩石损伤力学主要研究材料在一定的荷载和环境作用下内部缺陷的产生与发展引起的材料宏观力学效应及断裂破坏规律,在物理、化学和工程领域均有应用。由于损伤变量的引入,岩石的结构特征得以与其受力特性联系起来,在岩石裂纹扩展的模型建立方面更加合理。目前以损伤理论为代表的经典模型主要有K-G模型、TCK模型、KUS模型、Throne模型和Yang模型5种[10,11,12,13]。虽然每种模型在研究岩石裂纹扩展时所采用的方法和考虑的因素不同,但每种模型均适用于任何岩石材料。

我国在岩石损伤方面的研究虽然起步较晚,但也取得了显著的成就。近年来,我国在岩石动态损伤模型方面的研究主要划分为3个方面:第一,在损伤力学模型中引入了分形几何的概念,如应用分形理论来确定岩石的损伤变量,可以建立分形维数与裂纹扩展程度之间的关系[14]。第二,将损伤变量作为模型的核心,以损伤变量为核心研究岩石材料的裂纹动态扩展模型问题需注意2个方面,一是要正确地选择和定义损伤变量,二是要利用损伤变量正确描述岩石损伤演化规律的本构方程。研究发现,可以采用裂纹密度、弹性模量、最大应变、残余应变和声发射等参数[15,16,17,18]作为表征岩石损伤的损伤变量。李晓照等[19]基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩展演化法则,建立了完整的岩石应力—应变关系与蠕变理论表达式。陈俊桦等[20]基于爆破模型建立了包含初始损伤变量、岩体完整性指数与声波波速间关系的爆破损伤模型。第三,建立新的损伤模型,如在岩体动力强度的基础上,基于H-J-C损伤模型并考虑岩体拉破坏建立了爆破漏斗形成过程及动力响应的拉—压动力损伤本构模型[21];通过考虑岩石的压缩损伤,建立了基于KUS模型的拉压损伤模型[22];基于Taylor方法建立了含瓦斯煤体的动态本构方程和爆破损伤模型[23]

国外学者提出的5种经典损伤模型只能体现岩石的拉伸损伤,但没有充分反映岩石的压损伤,因此,还有待进一步改进。拉压损伤模型和分形损伤模型是我国近年来提出的2种损伤模型。对于拉压损伤模型,还需充分考虑爆破引起的压剪损伤。分形损伤模型适用于各类岩石,且在模拟岩石性质方面与实际工程中的岩石更加接近,特别是分形几何概念的引入,使节理和裂隙等岩石缺陷可以用分形维数来表示。因此,在岩石的动态扩展模型中损伤模型以及基于分形理论的分形损伤模型仍被广泛接受和采用。为了建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏过程演变的理论模型,使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征,建议在岩石裂纹扩展模型的研究中,充分考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学,同时引进分形、自组织和混沌等非线性理论[24,25]来表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征。

2 岩石裂纹扩展试验和数值模拟

鉴于裂纹扩展研究的复杂性,采用理论的方法来解决实际问题是远远不够的,裂纹扩展研究通常还有试验研究和数值模拟研究2种方法。其中,试验研究可以直观地观察到岩石变形破坏的演化过程及本质,同时获得的数据以及裂纹扩展过程与实际工程更加接近,可以为工程岩体的失稳破坏以及稳定性控制提供理论依据。然而试验研究往往是一次性的,不具有可重复观察性,为了能够较清楚地观察裂纹扩展的渐进过程,众多学者在数值模拟方面也做了大量的研究。

2.1 岩石裂纹扩展的试验研究

在岩石材料的断裂破坏研究中,利用试验方法来研究岩石材料破坏时裂纹的宏观扩展行为是最为常见的。岩石材料的断裂试验研究包括静力试验和动力试验研究,静力试验常采用的方法有单轴试验、双轴试验、围压试验、剪切试验和劈裂试验。主要成果有:单轴压缩试验条件下半圆盘形裂纹试样的三维裂纹萌生扩展机制和路径[26];单轴拉伸试验条件下辉长石拉伸裂纹扩展后试样的声发射行为[27];双轴压缩作用下岩石裂纹的扩展机理[28];岩石裂纹破坏的几何形态和空间分布特征[29];砂岩剪切开裂过程包含剪切面中部裂纹出现、裂纹间断分布、裂纹部分相互连通、大裂纹和各裂纹形成贯通面等过程[30]

岩石材料的动力破坏试验主要有落锤冲击试验和霍普金森杆试验。落锤冲击试验是利用重锤自由下落与试件碰撞实现冲击加载,同时通过改变落锤质量、下落高度来控制冲击速度和输入能量的大小实现不同的动力加载。如宋义敏等[31]利用可调速的落锤冲击试验机研究了花岗岩的动态断裂行为。霍普金森杆试验是使用爆炸或者高压气体对子弹进行加速,然后撞击入射杆,产生一个入射脉冲传递给试样和投射杆,使试样发生高速变形,完成对试样的动力加载。霍普金森杆试验能够很好地表征岩石破裂过程的动力特征,在冲击荷载作用下岩石材料复合型断裂裂纹的扩展速度是一个变化量,扩展速度甚至有可能停滞[32]。另外,李炼等[33]通过砂岩的霍普金森杆试验,获得砂岩在冲击荷载作用下的动态起裂时刻、裂纹扩展速度和止裂时刻,同时获得动态起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度。相比于落锤冲击试验,霍普金森杆试验具有操作简单和加载方式易于控制的特点,因此,学者们多采用霍普金森杆来研究岩石的动态破坏。

2.2 岩石裂纹扩展的数值模拟

岩石裂纹扩展的数值模拟方法主要有连续类数值方法和非连续类数值方法两大类,连续类数值方法包括有限元和边界元,非连续类数值方法包括离散元、非连续变形分析方法和数值流行方法。连续类数值方法在处理岩石的变形破坏时侧重于岩体变形的非连续性以及裂纹的扩展,如Kang等[34]基于格里菲斯理论和有限元方法研究了冻结压力和远场应力作用下岩体裂纹的萌生与扩展,Haeri等[35]通过间接边界元法研究了裂纹长度及其方向对裂纹的聚结和破坏路径的影响。非连续类数值方法则侧重于模拟岩体的大变形和破碎过程,如基于离散元法的岩石力学行为和岩石破裂数值模拟[36],预制裂纹岩石混合模式断裂行为的非连续变形数值模拟[37],以及含夹杂岩体破裂行为的数值流形方法[38]等。

在实际工程中,需要根据岩体的变形破裂程度选择合适的数值分析方法,使得工程的稳定性分析问题得到解决。在岩石裂纹动态破坏研究和工程实际中,除了岩石裂纹的动态扩展模型、岩石裂纹扩展实验和数值模拟研究,岩石动态断裂的应力强度因子和断裂韧性也常常被用来进行裂纹的断裂扩展分析。

3 岩石应力强度因子

随着人类对各种资源、能源的需求不断扩大,深部资源开采和地下空间开挖等岩石工程活动也日益增加,在动载荷扰动下岩石材料内部新的裂隙生成,原生裂隙进一步扩展,最终导致岩石破坏。在岩石断裂破坏研究中,岩石断裂韧性的计算、裂纹扩展状态的描述以及岩体稳定性评价方面都要用到应力强度因子,因此,获得高精度的应力强度因子是岩石断裂破坏研究的关键。由于应力强度因子是岩石动力特性分析中的一个重要参数,所以许多学者在其测试方法和影响因素2个方面做了大量研究。

3.1 应力强度因子的测试方法

岩石动态断裂的应力强度因子通常采用应变片法、焦散线法和光弹性法来测定。(1)应变片法。该方法是利用超动态应变计获取裂纹扩展的应变信号,根据应变信号采用快速傅里叶变换法和有限元法计算裂纹尖端的应力强度因子。在应变片法的应用方面,通过应变计的输出信号和快速傅里叶变换分析仪测量的传递函数,可以计算出裂纹尖端的应力强度因子,或者通过对比单应变片法和有限元法计算得出的动应力强度因子,验证单应变片法计算岩石材料的动态应力强度因子是可行的[39]。(2)焦散线法。该方法通过记录高速摄影机拍摄的岩石裂纹扩展全过程,对数据图像进行分析,计算出裂纹尖端的应力强度因子。该方法在动态应力强度因子的测试方面应用比较广泛,结合高速摄影的焦散线法可以研究裂纹扩展速度和裂纹扩展加速度对动态应力强度因子的影响,当扩展速度相同时,加速度裂纹比减速度裂纹的应力强度因子小[40];焦散线法和裂纹扩展速度计结合使用可以测量不同应变速率下裂纹扩展的动态应力强度因子[41];另外,该方法还可以研究裂纹尖端的应力状态对动态应力强度因子的影响。(3)光弹性法。该方法是应用光学原理来研究弹性力学问题的一种试验应力分析方法。在试验中通常出现2组干涉条纹,即等差线和等倾线,通过测量干涉条纹可以确定岩石裂纹尖端的应力强度因子。将该方法与高速摄影仪结合还可以研究动态应力强度因子与裂纹扩展速度之间的关系[42]

与焦散线法和光弹性法相比,应变片法的整个操作流程和数据处理流程都比较简单。需要注意的是,应变片与裂纹尖端垂直距离的测量要准确,否则得到的应力强度因子将存在较大误差。光弹性法通常用于具有良好透明度的材料,对岩石材料动态应力强度因子的测定尚存在一定的困难。焦散线法测量应力强度因子时,需得到清晰的焦散图像,且焦散斑最大直径要准确,但由于其测量精度较高,测试方法简单,且数据处理也比较方便,因此,焦散线法比其他2种方法的应用更加广泛。

3.2 应力强度因子的影响因素

岩石中通常含有大量的微观和宏观裂纹,为了保证岩体在冲击载荷下的稳定性,有必要对裂纹在动态载荷下的响应进行分析。为此,学者们对岩石动态应力强度因子的影响因素进行了相关研究,其影响因素可以划分为两类,一种是应力因素,另一种是裂纹和物质材料的几何因素。(1)应力因素研究。岩石断裂一般是在应力作用下发生,当应力的大小或形式不同时,裂纹的扩展也会形态各异,相应于裂尖的应力强度因子也是不同的。研究成果主要有:偶应力在简谐应力波作用下对无限弹性介质中2条共线裂纹Ⅰ型动态应力强度因子的影响[43],应力反射对止裂韧性试样动态应力强度因子的影响[44],应力和瞬态弹性应力脉冲对动态应力强度因子的影响[45]等。(2)裂纹和物质材料的几何因素研究。一是要考虑裂纹的尺寸及形状,对于同一物质材料,相同尺寸、不同形状以及相同形状、不同尺寸的裂纹在同样的应力环境下应力强度因子是不同的。二是要考虑物质材料本身的几何特性,对于相同尺寸、相同形状的裂纹,当物质材料不同时,在同样的应力环境下,应力强度因子也不相同。研究成果主要有:利用数值拉普拉斯反演技术获得梯度功能材料中有限裂纹的动应力强度因子小于均质材料[46];材料性质和裂纹形态对含格里菲思裂纹的梯度功能材料动态应力强度因子有较大的影响[47];试样材料的几何形状对动态应力强度因子测定准确性的影响随时间变化[48];柔性夹层对圆形裂纹分段均匀实体动态应力强度因子有影响[49];二维无限弹性域中光滑曲线裂纹形状对各种动态载荷作用下裂纹面应力强度因子具有时间依赖性[50]等。

综上所述,材料应力状态是影响裂纹扩展尖端应力强度因子的主要因素。在物质材料破坏过程中,初始裂纹的形状、尺寸以及分布等会导致裂纹在扩展过程中有不同的发展模式,裂纹尖端的应力强度因子也各不相同。另外,材料本身的几何特性对裂纹扩展状态也有重要影响。因此,在研究冲击荷载下岩石裂纹的动态扩展特征时,应综合考虑裂纹内部的应力状态、材料和几何特征对应力强度因子的影响。

4 岩石断裂韧性

断裂韧性是岩石断裂力学中的一个重要指标,是用来表征岩石材料抗断裂能力或产生新裂纹所需克服的阻力。在预测岩石裂纹扩展方面,断裂韧性比其他强度参数更加准确。然而,由于受加载速度、加载方式、材料性质和裂纹几何形状等因素的影响,准确测量断裂韧性值往往比较困难。因此,研究如何准确获得岩石断裂韧性值的试验方法和测试技术,是岩石断裂力学在理论和实践方面实现突破的关键。岩石断裂韧性的测试方法有很多,静态断裂韧性的主要测试方法有短圆棒试件、扭转试验、梁弯曲试验和圆盘试验,动态断裂韧性的主要测试方法有三点弯曲类动态断裂试验、夏比冲击试验和霍普金森压杆试验。

4.1 静态断裂韧性的测试研究

单边直裂纹三点弯曲梁试样是最早用于测试岩石断裂韧性的方法,适用于均质材料,然而岩石属于非均质材料,因此单边直裂纹三点弯曲梁法计算结果误差较大,只能用于岩石断裂韧性的初步估计。针对这一问题,1988年国际岩石力学学会提出了测量断裂韧性的V型切槽短棒拉伸试验和V型切槽圆棒三点弯曲试验。这2种方法充分考虑了岩石的非均质特性,在模拟Ⅰ型裂纹扩展时,V型切口比直裂纹更加精确,方法的缺点是短棒试件制备繁琐,加载系统复杂。然而,1994年Fowell等[51]指出V型切槽巴西圆盘试样可用于断裂韧性的测试,于是提出了“用CCNBD试样确定Ⅰ型断裂韧度的建议方法”。通过采用CCNBD的小体积试样对该方法进行验证,发现该方法不仅克服了以上方法的缺点,而且具有试样体积小,能够承受较高的临界荷载,还可用于纯Ⅱ型或复合型断裂韧性的测试等优点。近年来,研究者在岩石材料的断裂韧性测试上做了大量工作,并提出了新的测试方法,如:压缩单裂纹圆孔板试样法、双扭试验方法和单边切槽深梁试验法等[52,53]

4.2 动态断裂韧性的测试研究

随着开采深度的增加,在岩石爆破、地震和冲击地压作用下,地下结构工程的破坏屡见不鲜,因此,动载荷作用下岩石的断裂特性研究具有重要的现实意义。测试动态断裂韧性主要有2个思路:一是将断裂静力学的概念和特征参数扩展到动态情况下;二是求裂纹尖端渐近场的解,并探讨渐近场的结构,以寻找一些新的控制参数。由于岩石材料非均质特性和试验方法的复杂性,岩石动态断裂韧度判据也多种多样,下面介绍3种典型的动态断裂韧性的测试方法及评价。三点弯曲类动态断裂试验技术:早期的动态断裂韧性试验大多是在落锤或摆锤式三点弯曲装置上进行的,但这种方法有其缺点。该方法中落锤或摆锤产生的冲击载荷是振荡的,导致贴在锤头上的应变片测得的信号振荡很大,这些振荡的存在使得裂纹起始点的确定不可靠,获得的动态断裂韧性不可靠。后来,欧洲结构完整性协会和美国材料与试验学会先后提出了夏比冲击试验。继三点弯曲类动态断裂试验之后,夏比冲击试验[54]在当时得到了广泛应用。但是该方法的加载速率有限,导致测得的载荷稳定性很差,材料的动态断裂韧性需要用准静态理论来计算,从而导致测量值出现失真的可能。

由于以上2种方法都存在一定的局限性,随后SHPB试验测试岩石材料的动态断裂韧性得到认可。随着该技术的发展,高速载荷作用下岩石动态断裂韧性的测试变得可行,逐步形成了基于SHPB装置来测试岩石动态断裂韧性的三大类方法。(1)冲击拉伸类动态断裂试验[55]。虽然这种装置避免了传统试验方法的缺点,但是还存在试件尺寸很大、需要大量材料的问题,且由于加载波长的限制,在低加载速率下很难实现断裂。(2)单边冲击类动态断裂试验[56]。该方法是试验与数值方法的结合,其缺点是有限元动力学分析只分析了试样的动态响应,而不分析整个系统的动态响应。(3)中心裂纹圆盘试样动态断裂试验[57]。在众多试件中,中心裂纹圆盘试件可以通过改变裂纹面与加载方向的夹角实现纯Ⅰ型、纯Ⅱ型加载和复合型加载,因此在动态断裂试验中得到了广泛的应用。

目前,岩石材料断裂研究得到了非常迅速的发展,除了以上几种典型的动态断裂韧性测试方法,学者们又提出了许多适用于岩石材料动态断裂韧性研究的新方法。张盛等[58]采用试验和数值模拟相结合的方法对中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试样进行了动态冲击试验。冯峰等[59]利用霍普金森压杆对直径不同、几何相似的中心直裂纹平台巴西圆盘试样进行了径向冲击试验,得到了试样在不同加载速率下动态断裂韧度和动态断裂韧度的尺寸效应。Backers等[60]采用冲击剪切试验法分别测试了不同围压下石灰石、大理岩和花岗岩的动态断裂韧性,研究了围压和晶粒尺寸对动态断裂韧度的影响。Zhou等[61]提出用缺口半圆形弯曲试样测试岩石试样的动态断裂韧度。随着岩石材料的断裂研究不断进步,将会有更多新的岩石动态断裂韧性测试方法被提出和应用。

5 总结与展望

通过总结前人的研究成果发现,近几十年来冲击荷载下岩石裂纹的动态扩展特征研究取得了显著的进展。但是,对岩石材料的动态特性、岩石材料的动态破坏特征以及岩石材料在冲击载荷作用下的断裂失稳机理的认识尚不够清晰。因此,在以下几个方面仍需开展细致系统的研究工作,从而在岩石动力学方面的研究取得更大的飞跃。

(1)岩石材料是经过复杂地质作用形成的一种天然非均质材料,不同类型的岩石材料将表现出不同的力学特性。因此,可以将岩石材料进行分类来研究其裂纹扩展演化特征。然而,如果只用一种理论模型来研究和描述岩石材料中裂纹的起裂、扩展直至最后的断裂破坏过程,将难以获得理想结果。因此,可以考虑将弹性力学、损伤力学和断裂力学等结合起来,建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型,使理论计算结果更接近于工程实际。

(2)近几十年来,对于岩石动力学的研究,从试验方法到试验设备均在探索中不断推陈出新。但是,对于动载荷下岩石内部裂纹的实时观测技术尚未成功应用于实验过程和工程实践中。很多学者在研究岩石材料的裂纹扩展特征时,会考虑在岩样上预制裂隙,以观察岩样表面裂纹的扩展特征,虽然该方法并不能真实反映岩石材料的裂纹扩展特征,但是可以为岩石破坏内部裂纹扩展研究提供参考。为了真实反映岩石材料的裂纹扩展特征,并避免预制裂隙制备过程对岩样自身造成影响,在岩石材料的裂纹扩展研究中,应尽量选择天然裂隙岩样,并着力研发可以实时观察岩样内部以及表面裂纹的扩展演化过程的设备。

(3)随着采矿工程与地下空间工程不断向深部挺进,地应力环境变得更复杂,岩爆和地震等工程灾害增多,岩体的受力特性也越来越复杂,传统的理论已不能准确描述岩石动态破坏特征。因此,基于现有的试验技术和研究手段,引进分形理论、自组织理论等非线性理论或其他学科的先进测试方法来研究岩石材料的断裂与损伤。同时,数值模拟方法作为一种试验手段对岩石动力学的发展具有特殊意义,目前迫切需要开发一种基于颗粒离散元和有限元或颗粒离散元和有限差分方法耦合的数值模拟软件,并编写可以表征天然岩石材料裂纹扩展演化的程序,实现裂纹扩展演化特征的数值模拟。

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