岩石动态拉伸断裂特性的实验研究

 采用新近发展起来的拉伸式Hopkinson冲击装置(SB)， 对岩石切口圆柱断裂试样进行了动态拉伸断裂特性的实验研究。同时， 利用MTS试验机进行了岩石的静态拉伸断裂实验， 成功地获得了岩石试样的断裂韧度及断裂能随加载率而变化的实验结果。对静态和动态破坏后的试样断口进行的扫描电镜观察进一步表明，试样断口形貌的复杂程度与其断裂耗能有着十分密切的联系。     

岩石断裂韧度测试中的几个问题

目前对测定岩石断裂韧度的兴趣在增长,而遗憾的是至今没有一个岩石断裂韧度测试的统一规范。本工作采用了3种试样:梁、紧凑拉伸和短棒拉伸试样,来研究岩石断裂测试问题。 在三点弯曲及紧凑拉伸试验中,研究了预裂对断裂韧度测定的影响,同时研究了切口深度比和韧带比的影响。 不要求试样进行预裂的短棒拉伸试验是最有前途的一种,因为它可采用较小的试样得到较可靠的断裂韧度值,且测试方法简单。 本文将3种试样测得的断裂韧度进行了比较,得出了一些有益的结论。     

平台巴西圆盘试样岩石动态拉伸特性的试验研究

采用INSTRON电液伺服材料试验机对大理岩平台巴西圆盘试样实施了动荷载试验,获得了大理岩在动荷载下的拉伸强度与弹性模量,并与静态实验进行了比较分析.结果表明大理岩在动荷载下的拉伸强度与弹性模量比静荷载下均有提高.与完整平台试样比较,平台有助于试样从中心起裂.总结了试样加工和测试方面的经验,探讨了岩石在动荷载下的破坏机理.     

边切槽圆盘试样的岩石动态断裂韧度实验

 提出用边切槽圆盘试样测量岩石动态断裂韧度的实验方法。在分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar-SHPB)的入射杆杆端附加劈尖及其基座，实现对试样施加高速率的劈裂载荷；将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元法计算模型得到动态应力强度因子时间历程；3个应变片粘贴在试样的切槽前端韧带上，测定裂纹扩展起始时间和扩展过程；结合动态应力强度因子历程和裂纹扩展时间，获得试样的起裂动态断裂韧度值。对大理岩实验的结果表明，边切槽圆盘试样能得到理想的劈裂加载；当加载速率为2.88×104 MPa·m1/2·s-1时，所测大理岩的动 态断裂韧度为5.15 MPa·m1/2，大理岩的断裂韧度在高加载速率下明显地提高。     

在压缩荷载下岩石和水泥试样的复合型断裂试验及判据

一、引言 坚硬的岩石及水泥均属于脆性材料。它们在低应力下常常会发生脆断。采用断裂力学的方法研究这种脆断的力学行为已受到广泛的重视。近几年,许多研究者已测得了许多在拉伸荷载下岩石和水泥试样的断裂参数。但对于在压缩荷载下岩石和水泥试样的复合型断裂特性的实测成果则还少见。本文将介绍我们在这方面所得到的初步成果。在分析这些成果的基础上,提出了工程实用的断裂判据。     

电站隧洞岩爆岩石的微观破坏力学机制分析

分析总结西南某电站辅助隧洞的岩爆发育特征,然后用扫描电镜技术(SEM)对岩爆岩石断口进行微观断裂形貌研究,并总结其破坏力学机制,最终建立起岩爆岩石的微观断裂方式和破坏力学机制与宏观岩爆特征及其烈度的关系。     

循环加载历史对混凝土断裂特性影响的试验研究

本文研究了循环加载历史对混凝土断裂韧度及断裂能的影响。用楔入劈拉试验对混凝土试块施加频率为１０Ｈｚ的高频预加拉伸荷载，测出荷载－位移全过程曲线，通过与未承受加载历史的混凝土准静态断裂参数比较，发现当预加拉伸荷载强度超过一特定值后，混凝土的抗裂能力显著降低，因此，混凝土的断裂参数不是独立于加载历史的物理量。     

三点弯曲试验条件下的岩石声发射演化特征

开展16个辉绿岩试样在三点弯曲加载条件下的声发射试验,得到含有不同切口位置的应力-应变曲线、断裂模式与声发射特征参数,研究在不同拉-剪应力条件下的岩石声发射特性,基于归一化方法研究试样损伤演化规律,运用分形分析方法计算声发射信号的关联维数D,研究不同拉伸与剪切共同作用下试样的分形前兆特征。结果表明:三点弯曲条件下,试样以微破裂为主,发生张拉脆性断裂。随着预制裂纹距离左端支撑距离d的增加,岩石抗弯强度降低,断裂能耗逐渐降低。由声发射参数表征的脆性岩石损伤前兆特征显现时间先后顺序为:事件率前兆时间振铃计数前兆时间能量计数前兆时间。随着试样弯曲应力增加,关联维数变化模式呈"降-升-降"的变化规律,与单轴压缩的"波动-持续下降"具有明显不同。关联维数的二次降低预示岩石最终失稳破裂即将发生,可以作为岩石失稳的前兆信息。     

GPS实时动态RTK测量技术及在水库测量中的应用

近年来，全球定位系统ＧＰＳ测量技术得到飞速发展，在测量方式上也发生着变化，从静态和快速静态，发展到动态差分ＤＧＰＳ和载波相位差分实时动态测量ＲＴＫ。ＲＴＫ测量精度高，速度快，在石油勘探、工程测量等领域得到了广泛应用。笔者参与了国家重点水利工程小浪底水库库区泥沙淤积测量断面布设工作，并作了一些针对性实验，实验也验证了ＲＴＫ测量精度。在水道测量方面，参与了利用ＳＥＲＣＥＬ ＧＲＳ与回声测深仪配合ＨＹＰ     

岩石-混凝土界面拉伸软化本构关系试验研究

对岩石-混凝土界面试件进行了轴向拉伸和三点弯曲梁试验,研究粗糙度对界面断裂特性的影响,建立了界面软化本构关系。以界面粗糙度为参量,结合界面三点弯曲试验所得的荷载-位移曲线,采用改进的J积分法计算裂缝扩展的能量损耗,建立了基于虚拟裂缝黏聚力能量守恒关系。通过归一化拟合建立的挠度、裂缝张开宽度及裂缝扩展长度关系,最终确定了岩石-混凝土界面的拉伸软化本构曲线,并提出指数型和双线型的黏聚力表达式。试验和计算结果表明:岩石-混凝土界面单轴抗拉强度、断裂韧度及断裂能随着界面粗糙度的增加而增大。本文所得的界面软化本构关系只与界面抗拉强度和断裂能有关,可以应用于不同粗糙度界面的断裂计算中。     

温度对碳纳米管束拉伸力学性能的影响:分子动力学研究(英文)

基于Tersoff势,采用分子动力学方法研究了碳纳米管束不同温度下的拉伸力学特征,对不同温度下碳纳米管束的力学特性进行了比较分析.结果表明,碳纳米管束的拉伸强度、断裂应变与杨氏模量都随着温度的增加而减小;拉伸强度和断裂应变随温度变化的趋势较为急剧,而杨氏模量随温度变化的趋势较为平缓;高温下的碳纳米管束的碳原子由于热震动导致碳管之间碳原子结键,从而导致碳纳米管束的各个力学特征急剧下降;同时碳管半径越小其拉伸强度越高,而碳纳米管束的拉伸强度约为单根碳纳米管的一半.     

带裂缝混凝土动态轴拉的声发射特性研究

为研究带裂缝混凝土在动态轴向拉伸荷载作用下的声发射信号特性,采用张口位移控制加载的方式,开展了张口位移速率为10~(-5)~10~(-2)/s的混凝土动态轴向拉伸断裂试验,分析了不同加载速率下声发射特征参数振铃计数、状态参数事件计数率和荷载随时间的变化曲线。试验表明:振铃计数包络曲线和荷载曲线具有良好的对应关系,且随着加载速率的提高,声发射活动越集中,试件断裂时间越短,更偏向脆性破坏,声发射能很好地揭示试件动态拉伸的受载情况和破坏状态。基于声发射特征参量的能量分析揭示了混凝土断裂破坏能量释放规律。结果表明:带裂缝混凝土动态轴向拉伸破坏不具有典型的3阶段特征,声发射信号在破坏瞬间突发性增强;随着张口位移速率的提高,混凝土断裂破坏时间缩短,极限强度增加,释放的能量呈指数增长。     

基于起裂韧度准则的混凝土裂缝黏聚区特性

基于起裂韧度扩展准则和黏聚裂缝模型研究混凝土断裂全过程中的裂缝尖端黏聚区特性;利用不同尺寸的带裂缝三点弯曲梁试件,计算得到了裂缝尖端黏聚区的长度、黏聚力、裂缝张开位移等,并采用现有试验成果和有限元方法计算成果对本文结果进行了验证。分析结果表明:最大黏聚区长度以及峰值时刻对应的临界黏聚区长度随试件尺寸增大而逐渐增大,最大黏聚区长度受拉伸软化曲线影响;裂缝断裂全过程曲线受软化曲线影响较小;当外荷载达到峰值后裂缝张开位移近似为线性分布,黏聚力分布受拉伸软化曲线影响较大。     

不同龄期混凝土断裂试验研究

为探究不同混凝土的双K断裂参数和材料基本参数(抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量)的内在联系,开展了龄期为2,3,7,21,28,60,90 d混凝土的力学性能试验及三点弯曲梁断裂试验,分析了不同龄期混凝土的力学性能与断裂性能。结果表明:混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量与双K断裂参数随龄期的变化趋势基本一致;各个龄期混凝土的双K断裂参数与材料基本参数近似满足双线性关系。以材料基本参数作为输入参数,借助扩展有限元软件模拟不同龄期试件的断裂过程,得到各个龄期下的P-CMOD曲线及双K断裂参数计算值,与实测结果对比,两者吻合良好。     

不同初始缝高比的混凝土断裂试验及边界效应分析

为了解决直接法(轴向拉伸试验)和间接法(劈裂拉伸试验、弯曲拉伸试验)测试抗拉强度的试验结果相差较大的问题,通过不同初始缝高比早龄期混凝土的楔入劈拉试验,基于已有的Hu-Guan边界效应理论模型,拟合得到两个真实的断裂参数——断裂韧度和抗拉强度,然后基于双K断裂模型,根据试验测得的起裂荷载、峰值荷载及临界裂缝张口位移值,计算初始缝高比为0.05～0.70共8组试件的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度。结果表明:Hu-Guan边界效应模型拟合计算得到的抗拉强度值与劈裂抗拉试验值相差4.85%,得到的断裂韧度值介于双K模型计算范围内,验证了已有的边界效应模型适用于确定混凝土材料的真实断裂参数;起裂断裂韧度不受初始缝高比的影响,失稳断裂韧度在0.05≤α≤0.4范围内随初始缝高比的减小而增大,在0.4≤α≤0.6范围内,其值为一常数,在0.6≤α≤0.7时,其值有明显的下降趋势。     

锦屏二级水电站大理岩拉张型板裂化破坏研究

以锦屏二级水电站隧洞完整大理岩拉张型板裂化破坏的两种形式,即拉张型板裂化岩爆和拉张型板裂化片帮为研究对象,给出其发生发展全阶段的破坏机理,包括从断裂力学的角度解释拉张型破裂面的产生及拉张型板裂化岩爆和拉张型板裂化片帮各自发展至破坏的机制。为深入研究拉张型板裂化岩爆,还使用FLAC3D有限差分数值分析软件对岩板积聚能量过程进行模拟研究。     

基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

UHTCC三点弯曲梁裂纹扩展的数值模拟研究

为了探究超高韧性水泥基复合材料(简称UHTCC)断裂性能,选取三点弯曲梁作为研究对象,应用ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM)分析模块,模拟分析了加载条件下三点弯曲梁的裂纹扩展过程和规律,并进行了UHTCC力学参数敏感性分析。根据数值模拟结果,分析了三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载、起裂韧度、临界等效裂缝长度、失稳断裂韧度等指标。结果表明,数值模拟结果与物理试验结果总体一致,UHTCC比普通混凝土具有很好的抗开裂能力和延性;在弹性模量、抗拉强度、断裂能参数原值的基础上,分别提高30%和降低30%。分析了3个力学参数对三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载及其对应的裂缝张开位移影响程度。参数敏感性分析结果表明,弹性模量愈小,抗拉强度愈大,材料断裂失稳延性愈明显,而断裂能对断裂失稳延展性影响不明显。研究成果为UHTCC的材料设计、推广应用以及相应的结构分析等具有参考价值。     

页岩水力压裂裂缝起裂和扩展断裂力学模型

结合大尺寸真三轴水平井水力压裂物理模拟试验,对龙马溪组页岩的起裂、扩展以及扩展过程中水力裂缝与天然裂缝的相互作用进行了详细的力学分析,并基于断裂力学和流体力学理论知识,建立了水力裂缝起裂和扩展力学模型,推导了相应的断裂力学判据。结果表明:①起裂方式可以分为3类,即页岩本体张性起裂、沿天然裂缝(层理面)的剪切起裂、沿天然裂缝(层理面)的张拉起裂;②水力裂缝扩展过程中,随着裂缝长度的增加,泵压逐渐减小,最终趋于一个略大于最小水平主应力的稳定值;③水力裂缝与天然裂缝的相互作用类型可根据天然裂缝是否开启分为以下5类,即剪切天然裂缝后穿过、直接穿过天然裂缝、从天然裂缝一端穿过、同时从天然裂缝两端穿过、从某一弱面穿过。研究结果可为页岩气藏水平井压裂开采提供有力技术支持。     

原级配和湿筛混凝土断裂性能差异的骨料含量效应

为了研究骨料含量对水工大骨料混凝土湿筛前后力学性能差异的影响,利用细观有限元方法模拟了原级配与湿筛混凝土单轴拉伸作用下的断裂过程,并分析了在原级配试件骨料含量分别为40%,45%和50%的情况下,原级配和湿筛混凝土拉伸断裂性能差异的变化规律,在此过程中还采用了Monte Carlo模拟方法消除了混凝土细观结构随机性带来的影响。分析结果表明：在骨料含量逐步提高的情况下,原级配混凝土与湿筛混凝土力学性能的差异出现了明显变化,弹性模量的比值随之相应增大,峰值应力的比值基本保持不变,峰值应变及断裂能的比值随之趋于减小。