石英岩峰后加卸载非线性断裂扩展及动态长度定量测定

作     者：王笑然 周鑫 刘晓斐 王恩元 谢慧 单天成 刘舒欣 WANG Xiaoran;ZHOU Xin;LIU Xiaofei;WANG Enyuan;XIE Hui;SHAN Tiancheng;LIU Shuxin

作者机构：中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 安徽理工大学煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心安徽淮南232001 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 

出 版 物：《中国矿业大学学报》 (Journal of China University of Mining & Technology)

年 卷 期：2024年第53卷第4期

页      面：680-695页

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2023YFE0120500) 国家自然科学基金项目(52204249,52227901,51934007) 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心开放课题(EC2022005) 

主　　题：Ⅰ型断裂 峰后加卸载 声-图-力测量 卸载柔度法 断裂过程区 尺寸效应 

摘      要：岩体工程灾害是围岩内部原生裂隙/节理起裂、发育到失稳破坏的演化结果,而灾害严重程度与峰后岩体断裂动态扩展特征密切相关.为了实现峰后阶段岩石非线性断裂扩展精准表征及裂纹长度动态定量测定,本文以含预制缺口的石英岩为对象,通过夹式引伸计控制实现了石英岩三点弯曲I型断裂峰后阶段的准静态扩展,借助声发射(AE)和数字图像匹配(DIC)动态追踪了石英岩峰后循环加卸载断裂扩展全过程,提出了能耗展布-位移梯度-力学柔度相结合的非线性裂纹长度定量测定方法,并将动态测定结果与断裂力学理论模型进行了对比验证.结果表明:随着循环次数增加,裂纹张开位移-载荷(COD-P)和载荷点位移-载荷(LPD-P)曲线卸载斜率逐渐变缓柔度增加,裂纹逐渐向前扩展,试样承载能力逐渐下降;每次循环中,声发射在时间上集中出现在峰前损伤应力到峰后卸载点间,在空间分布集聚于裂纹的中上部区域,其定位坐标前端与DIC水平位移等值线交点相重合;在整个加卸载过程中,由AE能耗展布和DIC位移梯度法确定的裂纹长度相接近,其与基于COD-P和LPD-P曲线卸载柔度法反算的裂纹长度差值稳定在5.1 mm,该差值为石英岩断裂过程区(FPZ)长度;通过Dugdale-Barenblatt模型理论计算的石英岩FPZ长度为7.6 mm,其与声-图-力实测结果进行尺寸效应延伸获得无穷大尺寸FPZ渐进临界值吻合较好,验证了本文方法定量测定岩石非线性断裂扩展长度的可靠性,也表明了通过尺寸效应准则延伸来获取工程尺度岩体力学参数的重要性.