含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

为了研究非对称Y型分支裂纹在压缩荷载下的起裂及其扩展规律,对含预制裂缝混凝土试件进行了实验研究和相应的数值模拟研究。试验采用水泥砂浆材料制作的含非对称Y型裂纹的正方形试件,利用自制的3向加载设备进行加载并测得其最大载荷。同时利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明:随着分支裂纹与主裂纹之间夹角θ的增大,分支裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子从负值变化到正值,而水平主裂纹的两个尖端的Ⅰ型应力强度因子的绝对值均增大。分支裂纹的Ⅱ型应力强度因子先减小后增加,并在30°~45°之间出现极值。当倾角θ为75°时试件的抗压强度最低,当θ为90°时的强度次之。     

在压缩载荷作用下Y型分支裂纹的实验与数值研究

裂纹的存在极大地影响了材料的力学性能。通过光弹实验和数值分析方法,计算和分析了Y型分支裂纹在压缩载荷作用下裂纹尖端的应力强度因子。实验和数值计算结果表明:分支裂纹周围的等差线条纹基本上对称;分支裂纹与主裂纹的倾角从0°～90°不断变化对主裂纹尖端的应力强度因子影响很小,但使分支裂纹的应力强度因子KI不断减小,而KⅡ则先逐渐增大然后逐渐减小,在45°～60°之间取得极值;同时分析了侧压力对分支裂纹的影响,计算表明,侧压力的逐渐增大使分支裂纹的应力强度因子KI不断增大,而KⅡ则不断减小直到为零。     

复杂应力状态下TBM刀盘裂纹应力强度因子分析

为了预测全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘的疲劳寿命,本文对其裂纹尖端的应力强度因子进行了研究。以某水利工程的刀盘为研究对象,采用基于子模型技术的有限元法分析复杂应力状态下刀盘裂纹的应力强度因子,并给出了不同裂纹参数对应力强度因子的影响规律,为刀盘裂纹扩展寿命的预测提供输入条件。分析表明,当裂纹位置角为45°或135°时,裂纹尖端的等效应力强度因子最大,对结构损伤最严重;形状比对K_Ⅰ值影响最显著,形状比越大,尖端K_Ⅰ值相差越大,在深度方向的扩展趋势也越强;K_Ⅰ、K_Ⅱ及K_Ⅲ值均随裂纹深度的增加而增大,裂纹尖端最深处以张开型扩展形式为主,而表面点则是3种开裂形式并存。     

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

本文对含非对称Y型分支裂纹混凝土试样在三向压缩载荷下的破坏特征进行了研究,利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明: 随着分支裂纹与主裂纹之间夹角由小到大的变化,分支裂纹尖端的应力强度因子KI从负值变化到正值,而两个水平主裂纹尖端的应力强度因子KI的绝对值都在增加。但对KII而言,分支裂纹的应力强度因子KII先减小后增加,并在30°～45°之间出现极值。通过KImax随角度变化的曲线可知,当倾角为75°时试件的抗压强度最低,当倾角为90°时的强度次之,与试验基本吻合。     

基于裂纹界面摩擦滑动演化的岩石断裂研究

为了研究压剪应力共同作用下岩石裂纹变形演化机制,开展了压剪作用下含裂纹岩石断裂实验研究,采用数字散斑相关方法作为观测手段,获得了加载过程中岩石表面位移场演化、裂纹界面摩擦滑动演化、裂纹尖端应力强度因子等与岩石断裂扩展对应关系.结果表明:随着岩石表面位移场的演化,裂纹尖端阻碍了位移传递,形成了压应变集中区.随着剪力增加,裂纹上下界面滑动位移经历了无滑移、单调增加和波动增加3个阶段.裂纹扩展及尖端应力分布与裂纹界面摩擦滑动状态密切相关,当裂纹界面处于静摩擦状态时,裂纹尖端应力强度因子变化较小;当裂纹界面处于滑动状态时,裂纹尖端应力强度因子随着裂纹界面局部滑动呈波动增加.     

两条雁行预制裂隙贯通机制的细观数值模拟

采用颗粒流分析软件,对含有不同岩桥倾角的两条雁行预制裂隙岩样进行数值模拟.研究表明,当岩桥倾角为80°和90°时,在荷载作用下裂隙内外端有翼裂纹出现,同时次生裂纹在预制裂隙尖端出现,岩桥区域主要产生拉剪复合型的贯通;当岩桥倾角为120°时,随着荷载的增加,一条预制裂隙内端翼裂纹扩展至另一条预制裂隙内端或中部,岩桥区域主要产生拉伸型的贯通,且翼裂纹是张性的.数值模拟结果表明,非叠合裂隙试样强度均低于叠合裂隙试样强度,当裂隙呈现一定交角时,其相互之间会产生屏蔽效应,造成试样强度增加.     

渗透水压下岩体多裂纹相互作用的计算

根据断裂力学理论,建立渗透水压下多裂隙岩体的力学模型,运用叠加原理,推导远场应力和裂隙水压力共同作用下的多裂纹尖端应力强度因子的计算公式,并在此基础上探讨了近置多裂纹间的相互影响。计算结果表明,如果裂纹之间间距较小,裂纹的相互作用对裂纹尖端处的应力场影响较大,根据裂纹的相对几何位置和裂纹倾角变化,进行不同叠加后的应力场可产生2种效应,应力强度影响加强区与应力强度影响减弱区,当相邻裂纹尖端处于加强区时,该裂纹的应力强度因子将会变大,反之则变小。考虑裂纹间的相互作用与裂纹间的相对距离有关,随着裂纹间距的增大,计算所得出的应力强度因子值都趋于一个定值,该值为不考虑相邻裂纹的影响,计算单一裂纹所得到的应力强度因子值,即当裂纹间距〉裂纹长度时,可以忽略邻近裂纹的相互作用对裂纹尖端应力场的影响。同时,裂隙渗透压的存在,显著影响裂纹尖端的应力场,各条裂纹尖端KI随着渗透压的增大而增加（使-KI逐渐减小）,这表明渗透压抵消了一部分裂纹表面正应力。     

SBR乳液改性水泥砂浆断裂性能

通过对带有切口的砂浆试样进行三点弯曲试验测试,得到了掺量为0-18%的SBR(styrene-butadiene rubber,简称SBR)乳液改性水泥砂浆荷载-变形曲线及相应裂缝嘴张开位移(CMOD),并通过理论计算得到了不同掺量下改性水泥砂浆的有效裂纹长度(αeff)、临界应力强度因子(KSIC)及裂纹尖端张开位移(CTOD)等断裂特征参数.结果表明:SBR乳液改性水泥砂浆的临界荷载、相应变形及裂缝嘴张开位移随着乳液掺量的增加而增大,临界荷载随乳液掺量的增加仅增加13.4%,而变形及裂缝嘴张开位移则分虽增加了68.4%和64.5%;裂缝嘴张开位移、有效裂纹扩展长度、临界应力强度因子及裂纹尖端张开位移等则随着乳液掺量的增加呈指数增加;采用裂纹尖端张开位移较裂缝嘴张开位移更能体现出SBR乳液对砂浆作用效果的差异性.     

压缩荷载下三条对称的共线裂纹应力强度因子的解析解(研究生论坛）

多裂纹问题已成为当前岩石力学及其相关领域的研究热点问题。对无限平面内3条对称的共线裂纹在双向压缩载荷下的应力强度因子进行了研究,考虑了裂纹表面摩擦力的影响及裂纹间的相互影响,并利用复变函数理论给出了其裂纹应力强度因子的精确解析解。通过数值计算,给出了侧压力以及裂纹间距对应力强度因子的影响规律,并进行了相应的光弹实验研究,其实验结果定性地验证了理论解的正确性。结果表明,裂纹应力强度因子都随着侧压力的增大而减小,随着裂纹间距的减小而增大。     

Fracture evolution characteristics of sandstone containing double fissures and a single circular hole under uniaxial compression

The uniaxial compression experiments on the sandstone samples containing double fissures and a single circular hole were carried out by using electro-hydraulic servo universal testing machine to investigate the effect of rock bridge angle β and fissure angle α on mechanical properties and evolution characteristics of cracks.The results show that the peak strength,peak strain and elastic modulus of defected specimens decrease comparing with those for intact sample,and show a decreased trend firstly and then increase with β changing from 0° to 90°.The peak strength and elastic modulus achieve the minimum value as the rock bridge angle is 60°,while the peak strain reaches the minimum value with the rock bridge angle of 45°.The crack initiation of tested rock samples occurs firstly in stress concentration areas at tips of prefabricated fissures under uniaxial compression,and then propagates constantly and coalescences with the prefabricated hole.Some secondary cracks initiate and propagate as well until buckling failure happens.The rock bridge angle has a great influence on crack initiation,coalescence,final failure mode,crack initiation stress and transfixion stress.The peak strength varies significantly,while the elastic modulus and peak strain change slightly,and the failure modes are also different due to the influence of fissure angle.     

主应力方向对隧道稳定性影响规律的研究

采用模型实验方法和数值模拟方法探究了马蹄形隧道在不同方向主应力作用下围岩从初始损伤到完全破坏的全过程,归纳分析马蹄形隧道在不同方向主应力作用下的破坏规律。数值模拟方法采用最大拉应变准则,计算出隧道周边各点的相当应力,与模型实验结果吻合较好。结果表明,马蹄形隧道裂纹的产生和扩展大致沿主应力方向,马蹄形隧道围岩的破坏模式随主应力方向而改变。破坏应力的最大值出现在主应力与隧道成60°左右时,破坏应力的最小值则出现在主应力与隧道成45°左右和90°左右时,且45°左右方向的破坏应力与90°左右方向的破坏应力基本相同。     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程 声发射特性的离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明:由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系,且声发射空间响应集中在2种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。随着层面倾角的增大,岩石的单轴抗压强度和弹性模量呈先减小后增大,层面倾角90°时的强度甚至超过了0°时的强度。     

法向压缩载荷对II型裂纹扩展的影响规律研究

压剪共同作用下裂纹是地下岩体中广泛存在的,为了研究法向压缩载荷对剪切型即II型裂纹扩展的影响规律,利用砂岩制作了单边裂纹试件,通过岩石剪切实验系统对不同法向压缩载荷作用下的裂纹进行了剪切实验研究,结果表明法向压缩载荷对裂纹的起裂及扩展起到抑制作用,随着裂纹法线压缩载荷的增大,裂纹起裂角逐渐减小;同时,得出法向压缩载荷与II型裂纹极限应力强度因子之间的关系,随着法向压缩载荷增大,岩石II型裂纹极限应力强度因子也随之增大。运用ABAQUS模拟软件,对不同压缩载荷作用下压剪裂纹的扩展进行模拟研究,得出了裂纹尖端II型应力强度因子随压缩载荷的变化规律。     

Mode II fracture analysis of double edge cracked circular disk subjected to different diametral compression

A detailed analysis of modeⅡstress intensity factors(SIFs) for the double edge cracked Brazilian disk subjected to different diametral compression is presented using a weight function method. The mode Ⅱ SIFs at crack tips can be obtained by simply calculating an integral of the product of mode Ⅱ weight function and the shear stress on the prospective crack faces of uncracked disk loaded by a diametral compression. A semi-analytical formula for the calculation of normalized mode Ⅱ SIF, fⅡ , is derived for different crack lengths (from 0.1 to 0.7) and inclination angles (from 10^。 to 75^。) with respect to loading direction. Comparison between the obtained results and finite element method solutions shows that the weight function method is of high precision. Combined with the authors‘ previous work on modeⅠfracture analysis, the new specimen geometry can be used to study fracture through any combination of mode Ⅰ and mode Ⅱ loading by a simple alignment of the crack relative to the diameter of compression loading, and to obtain pure mode Ⅱ crack extension. Another advantage of this specimen geometry is that it is available directly from rock core and is also easy to fabricate.     

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。     

真三轴压缩下大理岩强度、变形与损伤特征数值

为研究真三轴条件下岩石的力学行为,采用离散元颗粒流程序,探析不同应力路径下大理岩试样的变形破坏过程、微裂纹演化机制及其中间主应力效应。结果表明：平行黏结模型能较准确地反映大理岩真三轴压缩下力学特性和破坏模式;中间主应力对峰值强度、弹性模量、破坏角和破坏模式演变的影响较为显著;八面体理论可较好地拟合出大理岩真三轴压缩中的破坏应力,所得的破坏强度包络线具有明显线性特征;结合应力-应变曲线形状,该大理岩在压缩过程中裂纹扩展可划分为4个阶段,即线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段及峰后破坏阶段;随着中间主应力增大,应力-应变曲线峰后段的脆性破坏特征变强,试样从拉伸破坏向拉剪混合破坏转变,且中间主应变符号由拉转向压,岩石损伤演化与中间主应力间呈现出“对勾”型趋势。     

Use of double edge-cracked Brazilian disk geometry for compression-shear fracture investigation of rock

A new specimen geometry-the double edge-cracked Brazilian disk and a relevant fracture analysis by weight function method are proposed for the investigation of rock fracture caused by compression-shear loading. Not only can the mixed mode fracture with any ratio of KI /KII be achieved, but also the pure mode n crack extension can be obtained. The combined mode fracture analysis for this geometry shows that diametral compression in the far-field can induce a compression-shear stress state in the singular stress field ahead of crack tips. Experimental investigations conducted on marble specimens show that the pure mode [I crack extension can be obtained when the dimen-sionless crack length a>0. 7 and the inclined crack angle 5°≤ψ≤40°. Normalized mode I and mode II stress intensity factors decrease from -0. 45 and 2. 47 at ψ= 5° to - 1. 65 and 1. 52 at ψ=40°, respectively. The strains at three points of specimen are also measured in order to investigate the influence of stress singularity on initi