采用三维分析方法确定岩石动态断裂韧度的研究

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岩石动态断裂韧度能够表征岩石抵抗裂纹扩展的能力,其研究有助于揭示岩石断裂破坏特性,为岩土工程参数设计提供基础。目前,岩石动态断裂韧度的确定存在一定难度,且多为二维分析,为了获得更加可靠准确的测试值,非常有必要研究试件三维尺寸对测试值造成的影响。借助动态有限元分析软件,对不同加载波形在压杆中的传播规律及试件内部应力平衡状态进行了分析;对中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件进行径向动态冲击加载试验,利用圆盘试件的三维有限元模型求解动态断裂韧度值与二维方法进行对比分析;并探讨了圆盘试件厚度对动态断裂韧度的影响。研究表明:与原始矩形加载波相比,半正弦加载波无论在不同直径、不同泊松比压杆及压杆不同传播距离处,能够始终维持一维性传播,可以作为非均质脆性材料的理想加载波形。试件动态加载过程中,试件尺寸、材料的改变都会对试件两端应力平衡性产生影响。圆盘试件两端存在应力不平衡现象,实验-数值方法对于准确确定试件两端加载载荷存在一定难度。三维方法求解裂纹前缘各点动态应力强度因子曲线与二维方法所得结果趋势相同,其中裂纹前缘中点与二维方法求得的裂尖应力强度因子误差在5%范围内。裂纹前缘不同点起裂时,所确定的动态断裂韧度值之间差异较大;当以试件三维裂纹中心点最先起裂计算时,三维方法确定的动态断裂韧度值与二维方法考虑厚度对起裂时间影响所得结果相对误差在1.2%范围内。采用三维分析方法处理实验数据,试件厚度的增加对两端应力平衡状态影响并不明显,动态断裂韧度值较为离散。采用三维分析方法能够考虑裂纹实际起裂情况,并能够获得更加准确的岩石动态断裂韧度值。
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