基于J积分的颗粒煤岩单轴压缩下裂纹扩展研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 21 (2014) 214602 基于 积分的颗粒煤岩单轴压缩下裂纹扩展研究 徐军 肖晓春 潘一山 丁鑫 (辽宁工程技术大学力学与工程学院, 阜新 123000) ( 2014 年4 月27 日收到; 2014 年5 月20 日收到修改稿) 颗粒煤岩是由众多离散的煤岩颗粒组成的固态多层次多结构物质, 具有煤岩与颗粒物质的双重性质, 其 裂纹扩展规律可以从煤岩力学特性和颗粒物质多尺度特性进行研究. 首先, 从能量角度对线弹性材料受压破 坏, 裂纹扩展产生原因进行了阐述, 指出线弹性阶段裂纹的扩展动力源自应变能的释放. 然后, 通过物理实验 和数值试验从宏观和细观两方面对颗粒煤岩受压破裂过程中裂纹扩展做了进一步研究, 结果表明: 颗粒煤岩 完全破裂后, 底部会形成一个锥形堆, 裂纹的扩展随着煤岩颗粒粒径的减小而减缓, 部分裂纹扩展会出现突变 点, 且裂纹无光滑性; 由于煤岩颗粒粒径等引起介质的非均匀性对裂纹扩展有重要的影响, 均质度系数越大裂 纹起裂时间越晚, 声发射能量释放在裂纹扩展的轻度、中度和深度三个不同阶段逐渐变得频繁、剧烈. 研究结 果将有利于进一步研究岩土类颗粒材料受压破裂过程的裂纹扩展规律. 关键词: 积分, 颗粒煤岩, 单轴压缩, 裂纹扩展 PACS: 46.5+a, 46.90.+s, 91.45.Ga, 91.60.Ba DOI: 10.7498/aps.63.214602 粒材料特别是煤岩颗粒材料的本构方程以及受力 1 引 言 后裂纹扩展的研究却很缺乏. 本文从Eshelby 26 及Rice 27 提出的适用于更广义的裂纹扩展方 20 世纪90 年代初, 在诺贝尔物理学奖获得者 法——路径无关的 积分方法出发, 结合物理实 de Gennes 等物理学家倡导下, 颗粒物质的物理机 验与数值试验, 对颗粒煤岩单轴压缩破坏过程中裂 理和力学特性引起了人们的注意, 20 年来, 颗粒物 纹的萌生扩展及裂纹形态等进行初步的探索, 研究 1 结果也将有利于进一步研究岩土类颗粒材料受压 质已经稳固地发展成为物理学和力学的前沿 . 而 颗粒问题在岩爆、地震、堤坝建设、泥石流等诸多工 破裂过程的裂纹扩展规律. 程领域也开始受到重视. 促使国内外专家学者投 入到对这些细小而关键的颗粒体系研究中. 至目 2 积分理论及能量释放率 前, 颗粒物质力学的研究已经涉及到非常广泛的领 域, 衍生出了很多新的力学研究方向, 如颗粒固体 在线弹性断裂力学中, 一般从裂纹尖端应力场 的流体动力学, 岩土颗粒力学, 颗粒物质统计力学 与裂纹扩展过程中能量变化两个角度分析裂纹的 等. 这些新的颗粒物质力学研究方向涉及的研究问 力学性能. 而在能量角度, 上个世纪20 年代Grif- 23 28 题也很多, 如颗粒物质的力学本构关系 , 颗粒固 fith 指出物体内部能量释放所产生的裂纹驱动 体的GSH 理论410 , 颗粒堆的凹陷问题1115 , 如 力是导致裂纹增长的原因. Irwin 29 提出了一种临 何用统计力学方法对颗粒物质描述1621 , 颗粒物 界应力强度因子断裂准则, 进一步证明了能量准 质的转动接触问题2225 等. 然而, 对于岩土类颗 则和应力强度因子对于弹脆性材料平衡系统是等