中低速?zèng)_擊載荷作用下SCT巖石試樣Ⅰ型裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為

董玉清，朱哲明，王蒙，周磊，應(yīng)鵬

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中低速?zèng)_擊載荷作用下SCT巖石試樣Ⅰ型裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為

董玉清1, 2，朱哲明1, 2，王蒙1, 2，周磊1, 2，應(yīng)鵬1, 2

(1. 四川大學(xué) 深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610065；2. 四川大學(xué) 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都，610065)

為研究側(cè)開單裂紋三角形(SCT)巖石試樣的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為和斷裂韌度，采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，通過裂紋擴(kuò)展計(jì)(CPG)得到裂紋的斷裂時(shí)間和擴(kuò)展速度；用有限差分軟件AUTODYN進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性；將實(shí)驗(yàn)測量的載荷條件代入有限元軟件ABAQUS建立的數(shù)值模型中，得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線，通過普適函數(shù)修正后，利用斷裂時(shí)間得到動(dòng)態(tài)斷裂韌度。研究結(jié)果表明：SCT試件構(gòu)型能夠較好地應(yīng)用于巖石動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為的研究；砂巖的擴(kuò)展韌度與裂紋擴(kuò)展速度呈負(fù)相關(guān)；數(shù)值模擬得到的裂紋擴(kuò)展路徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，裂紋擴(kuò)展速度不為常數(shù)；巖石裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程中可能存在止裂現(xiàn)象，止裂韌度大于擴(kuò)展韌度，但與起裂韌度相差不大。

側(cè)開單裂紋三角形試件；動(dòng)態(tài)起裂韌度；動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度；落錘沖擊；數(shù)值模擬

巖石是一種典型的工程材料，其內(nèi)部存在大量的節(jié)理、裂隙等缺陷，研究巖石裂紋擴(kuò)展規(guī)律具有重要意義。經(jīng)典斷裂力學(xué)理論基本能夠解釋巖石承受靜載荷作用時(shí)的破壞行為，但在實(shí)際工程中，巖石結(jié)構(gòu)往往承受動(dòng)載荷的作用，如地震、爆炸等，并且這些動(dòng)載荷通常伴隨著巨大的破壞作用，嚴(yán)重影響了工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在動(dòng)載荷作用時(shí)，材料的慣性效應(yīng)使得應(yīng)力波的傳播十分復(fù)雜，經(jīng)典斷裂力學(xué)理論和測試方法并不適用[1]。分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)裝置的廣泛使用極大地促進(jìn)了巖石斷裂動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究[2?4]。實(shí)驗(yàn)?數(shù)值法[5?6]、應(yīng)變片法[3, 7]和高速攝影法[8?10]是當(dāng)前較為普遍的實(shí)驗(yàn)方法。但這些研究大多都停留在裂紋的起裂階段，對裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為和止裂現(xiàn)象并未進(jìn)行深入研究。除此之外，SHPB裝置入射桿和透射桿的直徑限制了試件如中心直裂紋巴西圓盤(CSTFBD)[11]、巴西半圓盤(SCB)[12]等的尺寸。由于試件尺寸較小，導(dǎo)致應(yīng)力波傳到邊界后又迅速回到裂紋尖端，形成復(fù)雜的應(yīng)力場；同時(shí)小試件的裂紋擴(kuò)展距離也較短，不利于研究裂紋擴(kuò)展的全過程。采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置作為加載裝置，對試件尺寸的限制較小。潘峰等[13]利用落錘裝置對不同加載速率下特殊設(shè)計(jì)的三點(diǎn)彎曲梁的破壞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；宋義敏等[14]同樣采用落錘實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)，以數(shù)字散斑方法作為觀測方法，研究了花崗巖裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子與預(yù)置裂紋長度之間的關(guān)系，但其都未對裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度進(jìn)行相關(guān)研究。試件構(gòu)型對巖石斷裂行為的研究有著至關(guān)重要的影響，大尺寸試件能夠減小邊界反射波對裂紋擴(kuò)展的影響，從而更利于研究裂紋擴(kuò)展的本質(zhì)特征。已有的試件構(gòu)型如SCDC[15?16]，SCSC[17?18]和VB?SCSC[19]滿足大尺寸構(gòu)型的基本要求，但并未得到廣泛認(rèn)可。采用新試件構(gòu)型即側(cè)開單裂紋三角形(single cleavage triangle，SCT)試件進(jìn)行巖石的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)行為研究，除了能滿足大尺寸試件實(shí)驗(yàn)的基本要求之外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的特點(diǎn)。本文作者基于SHPB實(shí)驗(yàn)原理，對SCT試件進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，研究SCT試件Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；采用有限差分法軟件AUTODYN軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析裂紋擴(kuò)展過程中的試件的應(yīng)力變化；使用實(shí)驗(yàn)?數(shù)值法得到巖石的動(dòng)態(tài)起裂韌度和擴(kuò)展韌度，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。

1 SCT試件及落錘實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 試件構(gòu)型

試件構(gòu)型大小對研究巖石的動(dòng)態(tài)起裂、擴(kuò)展和止裂現(xiàn)象具有重要意義。已有研究大多集中于裂紋的起裂韌度，但也有不少研究者發(fā)現(xiàn)了止裂現(xiàn)象[16?20]。RAVI-CHANDAR等[20]認(rèn)為止裂現(xiàn)象可能是試件邊界反射波和原來的應(yīng)力波疊加所致。因此，為盡量減小邊界反射波對裂紋擴(kuò)展的影響，試件應(yīng)當(dāng)足夠大。SCT試件示意圖如圖1所示。試件寬度為200 mm，高度為325 mm，開口為邊長為75 mm的等邊三角形，預(yù)制裂紋為30 mm，由1 mm厚的鋸條切割形成，并進(jìn)行銳化處理。試件預(yù)留了足夠長的裂紋擴(kuò)展距離，能夠盡量減小邊界反射波的對裂紋擴(kuò)展的影響。

SCT試件選用隆昌青砂巖，隆昌青砂的彈性模量為15.9 GPa，泊松比為0.3，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度為30 MPa，密度為2 265 kg/m3，縱波波速為2 563 m/s，Rayleigh波速為1 338.13 m/s。壓縮波通過入射板加載到試件上，由于三角形開口的作用，在裂紋尖端產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展。為較好地反映試驗(yàn)測試結(jié)果，盡量避免試驗(yàn)的偶然性，本文準(zhǔn)備了30個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 SCT試件示意圖

1.2 落錘實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用中低速?zèng)_擊落錘實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。由圖2可知：裝置主體由落錘、入射板及透射板3部分組成。在落錘與入射板撞擊端粘貼黃銅片作為整形器，以減少高頻振蕩并延長加載時(shí)間；透射板底部與水泥阻尼器相接觸，將大部分應(yīng)力波傳入大地，盡量消除反射波。

圖2 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)開始前先將試件兩端涂抹黃油，然后置于入射板和透射板之間，避免局部摩擦導(dǎo)致試件產(chǎn)生彎折等失穩(wěn)破壞，并注意保持試件位置居中，保證受力均勻。在入射板和透射板上分別粘貼應(yīng)變片，在裂紋尖端粘貼裂紋擴(kuò)展計(jì)(crack propagation gauge，CPG)用于測量載荷以及裂紋擴(kuò)展時(shí)間，實(shí)驗(yàn)時(shí)落錘高度可由紅外線高度測量儀測量。當(dāng)落錘自由落體沖擊入射板后，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀將采集應(yīng)變片和CPG的電壓信號，從而得到入射端和透射端載荷信息以及試件上裂紋的擴(kuò)展時(shí)間。

落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置能夠滿足大尺寸試件的試驗(yàn)要求，這對于研究巖石、混凝土等不均勻脆性材料的斷裂力學(xué)行為具有重要意義。大尺寸試件能夠盡可能避免試件因大直徑顆粒和裂紋等缺陷造成的試驗(yàn)結(jié)果的不穩(wěn)定，同時(shí)還能給裂紋充分的擴(kuò)展空間，有利于深入研究裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律。

1.3 裂紋擴(kuò)展計(jì)及其工作原理

裂紋擴(kuò)展計(jì)的型號為BKX3.5-10CY，由玻璃絲布基底和敏感柵絲2個(gè)部分組成，其中敏感柵絲由21根等長度但寬度不同的卡瑪銅薄片并聯(lián)，如圖3(a)所示。裂紋擴(kuò)展計(jì)敏感柵總有效長度=44 mm，寬度= 10 mm，相鄰2根柵絲之間的間距0=2.2 mm。將裂紋擴(kuò)展計(jì)沿著裂紋預(yù)計(jì)擴(kuò)展路徑粘貼并保證第1根柵絲和裂紋尖端重合，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，敏感柵絲斷裂，裂紋擴(kuò)展計(jì)的電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致CPG兩端的電壓信號發(fā)生突變形成臺(tái)階信號。本文CPG的初始電阻為 3.5W，采用16 V恒壓電源提供電壓，數(shù)字示波器采集CPG在裂紋擴(kuò)展過程中因柵絲斷裂引起的電壓臺(tái)階信號。為防止CPG因電流過大導(dǎo)致電路超過負(fù)荷，實(shí)驗(yàn)電路中將CPG與1個(gè)C1=50W的電阻并聯(lián)，然后與1個(gè)C2=50W的電阻串聯(lián)，如圖3(b)所示。

(a) 裂紋擴(kuò)展計(jì)；(b) 測試電路

2 SCT試件動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)

2.1 動(dòng)態(tài)載荷

采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，加載高度可通過紅外線高度測量儀進(jìn)行測量并調(diào)整，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)測量高度為1.500~2.500 m時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果較好。在實(shí)驗(yàn)過程中，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對入射板和透射板上應(yīng)變片的電壓信號進(jìn)行采集，并存儲(chǔ)在數(shù)字示波器中。實(shí)驗(yàn)中電橋單臂測量輸出電壓0和應(yīng)變之間的關(guān)系可表示為

式中：供橋電壓=2 V；靈敏度系數(shù)=2.1；超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的增益系數(shù)1 000。

將超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的電壓信號通過式(1)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，使用Origin軟件對曲線進(jìn)行降噪處理以消除實(shí)驗(yàn)過程中外界環(huán)境中的聲波等對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，最終得到入射端和透射端應(yīng)變?時(shí)間曲線，如圖4所示(其中i為入射波，r為反射波，t為透射波)。根據(jù)一維彈性應(yīng)力波假設(shè)，入射板對試件的載荷u為入射波和反射波的疊加，透射板對試件的載荷l可直接通過透射波得到，u和l計(jì)算公式 如下：

1—入射端；2—透射端。

式中：為鋁合金彈性模量；為入射板和透射板的橫截面積。

最終作用在試件上的載荷如圖5所示。圖5中的載荷歷史曲線將作為相應(yīng)的載荷條件添加到數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中。

1—入射波+反射波(Pu)；2—透射波(Pl)；3—反射波；4—入射波。

2.2 動(dòng)態(tài)起裂時(shí)間及CPG測試結(jié)果

圖7所示分別為試件18和試件28的CPG電壓信號及其對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。試件18和試件28落錘的高度分別為1.732 m和2.026 m。將CPG的電壓信號對時(shí)間求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)取得極值時(shí)即為對應(yīng)柵絲的斷裂時(shí)間。相鄰柵絲之間距離為固定值2.2 mm，由此可以得到裂紋擴(kuò)展速度隨擴(kuò)展距離的變化，如圖8所示。結(jié)合圖7和圖8可知：試件18在裂紋擴(kuò)展至第11根和第15根柵絲時(shí)都出現(xiàn)了較長時(shí)間的停滯，分別為73.52ms和108.28ms，很可能發(fā)生了止裂現(xiàn)象。

1—應(yīng)變片；2—CPG。

(a) 試件18；(b) 試件28

1—試件18；2—試件28。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的合理性，本文作者采用AUTODYN軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。AUTODYN 是一款基于有限差分法的動(dòng)態(tài)數(shù)值分析軟件，在巖石動(dòng)力學(xué)研究方面已有廣泛應(yīng)用[22?25]。

在數(shù)值模擬分析中，建立與落錘沖擊實(shí)驗(yàn)相同尺寸的模型，模擬落錘從墜落撞擊入射板到試件裂紋擴(kuò)展破壞的全過程。SCT試件材料參數(shù)在前面已給出，入射板和透射板相關(guān)參數(shù)與LY12CZ鋁合金的一致，落錘選用AUTODYN材料庫中STEEL4340材料模型，底部混凝土采用透射邊界以消除反射波的影響。

試件劃分為36 300個(gè)四邊形網(wǎng)格單元，并對裂紋尖端部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高計(jì)算效率。數(shù)值模型及其網(wǎng)格如圖9所示。在AUTODYN軟件模擬過程中，材料的本構(gòu)模型可分為狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型和失效模型這3個(gè)部分，其中狀態(tài)方程主要解決壓力帶來的體積變形問題。由于在整個(gè)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)過程中壓力和體積變形均比較小，因此，所有材料均采用適合小變形的線性狀態(tài)方程：

圖9 數(shù)值模型及其網(wǎng)格

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

可以根據(jù)相鄰高斯點(diǎn)的距離和破壞時(shí)間計(jì)算裂紋的擴(kuò)展速度。在裂紋擴(kuò)展路徑上設(shè)置高斯點(diǎn)監(jiān)測其最大主應(yīng)力隨時(shí)間的變化，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，高斯點(diǎn)被破壞，最大主應(yīng)力突然增大并迅速降為0 MPa，通過對最大主應(yīng)力進(jìn)行求導(dǎo)得出高斯點(diǎn)的破壞時(shí)間，由相鄰高斯點(diǎn)之間的距離和破壞時(shí)間可以計(jì)算其平均擴(kuò)展速度。

裂紋擴(kuò)展速度隨擴(kuò)展距離的變化如圖12所示。由圖12可知：當(dāng)裂紋分別擴(kuò)展至140 mm和160 mm左右時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度急劇減小，可能存在止裂現(xiàn)象。

時(shí)間/ms：(a) 0.717；(b) 0.767；(c) 0.899；(d) 1.019；(e) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(a) 高斯點(diǎn)1；(b) 高斯點(diǎn)20；(c) 高斯點(diǎn)50；(d) 高斯點(diǎn)112

圖12 裂紋擴(kuò)展速度隨擴(kuò)展距離的變化

4 動(dòng)態(tài)斷裂韌度的計(jì)算方法

將實(shí)驗(yàn)得到的載荷條件代入有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行計(jì)算，得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化的曲線，并利用普適函數(shù)進(jìn)行修正。

4.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的修正

當(dāng)裂紋高速擴(kuò)展時(shí)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子與時(shí)間相關(guān)，較難使用理論算法計(jì)算。FREUND等[26]提出普適函數(shù)的概念，認(rèn)為動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子是普適函數(shù)與裂紋靜止時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子的乘積，即

式中：R為Rayleigh波波速；d為縱波波速。當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度=0 m/s時(shí)，(0)=1，此時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子不需要修正；當(dāng)=R時(shí)，(R)=0，這說明當(dāng)裂紋以Rayleigh波波速擴(kuò)展時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子為 0 MPa?m1/2。

實(shí)驗(yàn)中，可以通過CPG相鄰柵絲之間的距離和斷裂時(shí)間來確定裂紋的擴(kuò)展速度，而在靜止不擴(kuò)展條件下，不同裂紋長度的應(yīng)力強(qiáng)度因子則通過有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算。

4.2 實(shí)驗(yàn)?數(shù)值法確定動(dòng)態(tài)斷裂韌度

采用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，SCT試件的ABAQUS網(wǎng)格和六節(jié)點(diǎn)三角形單元數(shù)值模型如圖13所示。將實(shí)驗(yàn)測得的入射板和透射板上載荷條件轉(zhuǎn)化為應(yīng)力邊界條件對試件上下兩端進(jìn)行加載。試件模型劃分為八節(jié)點(diǎn)四邊形單元CPS8，裂紋尖端設(shè)置六節(jié)點(diǎn)三角形1/4奇異單元CPS6并進(jìn)行加密。數(shù)值模擬時(shí)，裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子I與裂紋尖端面上點(diǎn)和點(diǎn)的位移可表述為[19]

圖13 SCT試件的ABAQUS網(wǎng)格和六節(jié)點(diǎn)三角形單元

式中：為彈性模量；為泊松比；為節(jié)點(diǎn)的水平位移；r和r分別為圖13中點(diǎn)和點(diǎn)與裂紋尖端的距離，r=4r。

針對不同裂紋長度建立相應(yīng)ABAQUS數(shù)值模型可以得到不同裂紋長度的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線，再通過CPG測得的各敏感柵絲的斷裂時(shí)間和相鄰柵絲之間的距離，可以計(jì)算出裂紋的擴(kuò)展速度，將擴(kuò)展速度代入式(5)和式(6)中得到修正后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線，最后根據(jù)各柵絲的斷裂時(shí)間尋找對應(yīng)曲線上應(yīng)力強(qiáng)度因子，即為該時(shí)間點(diǎn)的斷裂韌度。

圖14所示為應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化。以試件18為例，起裂時(shí)裂紋長度為30 mm，擴(kuò)展速度為 0 m/s，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子不需要進(jìn)行修正。在ABAQUS中建立相應(yīng)數(shù)值模型，得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線(見圖14(a))。CPG測得的起裂時(shí)間為306.25ms，在應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線上找到對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子即為起裂韌度，為9.66 MPa?m1/2。

擴(kuò)展韌度可以通過相同的方法進(jìn)行求解。如當(dāng)裂紋擴(kuò)展至第10根絲時(shí)，裂紋長度為49.8 mm，建立相應(yīng)的數(shù)值模型，得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線如圖14(b)所示(虛線部分)。根據(jù)試件18的CPG信號可知第10根絲和第11根絲的斷裂時(shí)間分別為342.61ms和347.17ms，而柵絲之間距離為2.2 mm，由此得到裂紋的擴(kuò)展速度為482.46 m/s，代入式(6)得到()=0.710 7。修正后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線如圖14(b)所示(實(shí)線部分)。第10根絲斷裂時(shí)刻(342.61ms)對應(yīng)的修正后的應(yīng)力強(qiáng)度因子即為該時(shí)刻的擴(kuò)展韌度，為 6.61 MPa?m1/2。

在CPG測量范圍內(nèi)總共可以確定20個(gè)數(shù)值模型求解斷裂韌度(最后1根絲的擴(kuò)展速度無法確定)，得到裂紋擴(kuò)展過程中的斷裂韌度隨擴(kuò)展距離變化，如圖15所示。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至第11根絲和第12根絲之 間、第15根絲和第16根絲之間時(shí)，擴(kuò)展速度明顯減小，分別為29.9 m/s 和 20.3 m/s，遠(yuǎn)低于裂紋的平均擴(kuò)展速度150.73 m/s，對應(yīng)的擴(kuò)展韌度分別為 9.21 MPa?m1/2和8.84 MPa?m1/2，可能為止裂韌度。由此可見，裂紋的起裂韌度和止裂韌度均高于擴(kuò)展韌度，但起裂韌度與止裂韌度相差不大。圖16所示為動(dòng)態(tài)斷裂韌度與裂紋擴(kuò)展速度之間的關(guān)系。從圖16可以看出：在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋的擴(kuò)展韌度和擴(kuò)展速度成反比。

(a) 起裂韌度的應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線； (b) 擴(kuò)展韌度的應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線

1—試件18；2—試件28。

圖16 動(dòng)態(tài)斷裂韌度與裂紋擴(kuò)展速度的關(guān)系

5 結(jié)論

1) SCT構(gòu)型能夠較好地用于研究青砂在中低速?zèng)_擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展的全過程，其構(gòu)型簡單，易于制作，邊界效應(yīng)小。

2) 裂紋的擴(kuò)展速度不是一個(gè)常數(shù)。

3) 運(yùn)用普適函數(shù)修正應(yīng)力強(qiáng)度因子，求解擴(kuò)展韌度，得出砂巖材料的斷裂韌度和擴(kuò)展速度呈負(fù)相關(guān)。

4) 起裂韌度和止裂韌度均高于擴(kuò)展韌度，但起裂韌度和止裂韌度兩者差別不大。

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(編輯 伍錦花)

Mode I crack dynamic propagation behavior of SCT specimens under medium-low speed impact load

DONG Yuqing1, 2, ZHU Zheming1, 2, WANG Meng1, 2, ZHOU Lei1, 2, YING Peng1, 2

(1. Key Laboratory of Deep Underground Science and Engineering of Ministry of Education, Sichuan University, Chengdu 610065, China； 2. School of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to study crack dynamic propagation behavior and rock fracture toughness, single cleavage triangle (SCT) specimens were used. By using these specimens and a drop weight test system, impact experiments were performed, and the crack propagation velocity and the fracture time were measured by crack propagation gauges(CPG). In order to examine the effectiveness of the experiment results, finite difference numerical models were established by using AUTODYN. Finite element code ABAQUS was used to calculate crack dynamic stress intensity factors(SIF) based on numerical models and the measured loading curves, and the curve of crack dynamic SIF versus time was obtained. The fracture toughness was determined according to the correction universal function and the fracture time measured by CPG. The results show that the SCT specimen is suitable for the study of crack dynamic propagation behavior and fracture toughness. Propagation toughness decreases with the increase of the crack propagation velocity. The crack propagation paths obtained from numerical simulation are basically the same with those of the test results, and the crack propagation speed is not a constant. In the process of crack propagation, crack arrest may happen, in which arrest toughness is higher than crack propagation toughness, and the difference between the initiation toughness and arrest toughness is slight.

single cleavage triangle(SCT) specimen; dynamic initiation toughness; dynamic propagation toughness; drop weight impact; numerical simulation

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.024

TU 45

A

1672?7207(2018)11?2821?10

2017?12?26；

2018?02?28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11672194，11702181)；四川省安全監(jiān)管局安全生產(chǎn)科技項(xiàng)目(aj20170515161307); 四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2018JZ0036) (Projects(11672194, 11702181) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (aj20170515161307) supported by Safety Production Science and Technology Program of Sichuan Administration of Work Safety; Project(2018JZ0036) supported by Science and Technology of Sichuan Province)

朱哲明，教授，博士生導(dǎo)師，從事巖石力學(xué)與采礦工程的研究；E-mail: zhemingzhu@hotmail.com