含裂纹与孔洞缺陷介质的脆性破坏行为

在经典的断裂力学理论中,有关裂纹扩展的研究只涉及裂纹尖端引起应力集中所导致的裂纹扩展问题,不仅不能用于研究非均质介质中的裂纹扩展,也难以考虑多裂纹扩展中的相互作用过程。然而,对于岩石、混凝土等非均匀脆性介质而言,缺陷并不仅仅是以尖锐裂隙的形式出现,它也可能是孔洞或其它弱介质缺陷。裂纹的不规则扩展和缺陷之间的相互作用是非均匀脆性材料破坏的主要形式。因此,开展含裂纹和孔洞缺陷介质破坏行为的研究,是当今固体力学,特别是岩石力学研究的重要课题之一,具有重要的学术和工程意义。 本文首先基于缺陷的纵横比,给出了裂纹与孔洞缺陷的基本概念和相应的定义,并对其按几何形状、赋存条件等进行了分类;同时结合本研究的实验材料,解释了裂纹与孔洞缺陷对弹性性质和闭合压力的影响,探讨了裂纹与孔洞缺陷的尺度效应。 在此基础上,通过物理试验和数值试验,对含不同分布、不同角度、不同尺度的裂纹和孔洞缺陷试样的破坏行为进行了较为系统的研究。通过自行设计研制的试验系统,对160多个香港花岗岩和类砂岩脆性介质试样进行了单轴和双轴加载试验。观察记录了试样中的裂纹扩展、贯通全过程以及整个加载过程中载荷-位移曲线。同时,运用RFPA2D软件系统对本研究中物理试验所不能观察到的应力场和声发射     

动载荷作用下含偏置裂纹 三点弯曲梁破坏过程的数值模拟

 偏置裂纹三点弯曲梁被广泛应用于研究I–II复合型裂纹的扩展过程。利用岩石破裂过程分析(RFPA)程序，对含偏置裂纹三点弯曲梁在动载荷作用下的破坏过程进行数值模拟，研究偏置裂纹的位置(用g 来表达)对三点弯曲梁破坏模式的影响。数值模拟结果表明：当g ≤0.745时，偏置裂纹尖端首先起裂，并沿着一定的角度向上扩展，最终贯通整个试样的高度；当g ＞0.745时，在偏置裂纹发生扩展的同时，在梁底部中心位置也萌生出一条中心裂纹，但最终只有中心裂纹贯通整个试样的高度。数值模拟在现了实验中观测到的2种典型破坏模式及其对应的临界g 值。     

基于边缘检测的含缺陷岩石裂纹扩展分析

文章通过对含缺陷的类岩石材料(石膏)进行单轴压缩试验,结合边缘检测技术对裂纹扩展过程进行研究。研究发现,单轴压缩时,对含单一孔洞试样,其孔洞中心上下部位产生沿加载方向扩展的裂纹;对含裂隙和孔洞试样,裂隙会使孔洞边缘裂纹的扩展路径发生变化,当预置裂隙角度为15。,裂隙使孔洞中心上部裂纹扩展路径发生偏移,但裂隙角度为45。和75。时则表现不明显。     

基于数字图像处理的混凝土内蕴裂纹扩展变形规律及破裂过程研究

基于数字图像处理技术和RFPA2D-DIP软件建立了含不同裂纹几何分布的混凝土真实细观结构的数值模型,模拟了单轴压缩作用下混凝土内蕴裂纹的扩展变形规律及破裂过程,研究了裂纹几何分布及细观非均匀性对混凝土力学结构效应的影响。结果表明:随着裂纹倾角增大,试样的峰值强度升高,翼裂纹长度变短,裂纹萌生位置不断向预制裂纹尖端靠近;随着裂纹长度增加,试样的峰值强度降低,裂纹倾角对材料强度的影响显著;预制裂纹长度对材料的破坏模式有一定影响,骨料对翼裂纹的萌生及扩展具有一定的阻碍作用;当15°≤α≤45°时裂纹萌生及扩展较易,当裂纹倾角为60°和75°时,翼裂纹很难萌生及扩展,在靠近峰值应力时裂纹突然萌生扩展,最终形成劈裂破坏,研究结果对混凝土失稳破坏机理的研究具有一定参考意义。     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

含三维预置单裂纹缺陷岩石破坏试验研究

 开展含三维裂纹缺陷岩石破坏行为的研究,是当今固体力学特别是岩石力学研究的重要课题之一,具有重要的学术和工程意义。基于作者提出的三维预置裂纹缺陷岩石三维破坏研究的试验方法,开展含单个不同角度三维预置裂纹玄武岩试样的破坏研究,试验结果显示：(1) 三维裂纹的方向和裂纹缺陷的大小,对岩石损伤破坏面的形成,对岩块破坏强度有直接影响;(2) 含三维裂隙岩石的屈服值与峰值的比值为0.75～0.82,平均为0.78;残余值与峰值的比值为0.58～0.67,平均为0.63,相对完整岩石屈服值和残余值与峰值的比值,其变化并不明显。     

岩石多裂纹相互作用破坏机制的研究

 博士学位论文摘要　岩石是一种含有多裂纹的高度非均匀材料, 其变形破坏过程实质上是岩石材料中裂纹的萌生、扩展、相互作用直至最后贯通破坏的动态演化过程。考虑非均匀性影响的岩石多裂纹扩展中相互作用及其贯通破坏机制研究是岩石断裂力学的重要研究课题, 同时也对裂隙岩体开挖工程稳定性、边坡滑坡预防及构造地震产生机制及预测预报等研究具有重要的理论和实际意义。本文主要通过自主开发的基于岩石细观损伤模型的二维岩石破裂过程分析软件RFPA2D 并辅以一定的相似材料试验, 结合已有的研究成果对岩石多裂纹的破坏机制进行了分析, 探讨了岩石中预置裂纹的空间排布几何特征、力学参数、加载方式和非均匀因素等对其演化过程中的应力场分布、声发射分布、岩桥区的贯通模式及贯通准则的影响。通过上述研究取得了如下主要认识:(1) 多裂纹相互作用主要表现为应力场的相互扰动。根据裂纹的相对几何位置和加载方式等条件, 进行不同叠加后的应力场可产生两种效应, 即相互增强或减弱效应。裂纹相互作用的应力场叠加强度和应力属性决定了裂纹扩展和贯通的基本模式。由于岩石的抗拉强度较之抗压强度小一个数量级左右, 因而裂纹的萌生总是首先出现于预置裂纹端部拉应力集中区, 产生拉2张性质的翼形裂纹, 随着裂纹的扩展, 裂纹尖端的拉应力集中逐渐变小, 当扩展至与主应力方向近于平行时,裂尖出现压应力集中。(2) 数值模拟和相似材料试验都发现, 裂纹间的贯通模式有4 种, 即拉模式( T2Mode) 、剪模式(S2Mode) 、压模式(C2Mode)和混合模式(M2Mode) 。扩展裂纹最终以何种形式连接、贯通, 在裂纹间摩擦系数不变情况下, 则主要取决于裂纹之间的几何位置。裂纹的贯通模式决定了裂纹贯通时的贯通应力的大小。一般以S 模式的贯通应力最高, M 和C 模式次之, T 模式的贯通应力最低。在三个以上裂纹相互作用贯通时服从由贯通应力所决定的最弱贯通路径原则。(3) 侧压对裂纹萌生、扩展、相互作用及贯通机制有很大影响。随着侧压的增大, 翼形裂纹的生长受到抑制, 以次级裂纹的扩展成为主要贯通因素。在较低的侧压下为拉破坏贯通模式的裂纹, 随着侧压增加, 逐渐变为以拉剪混合模式或剪切模式贯通。不同长度的裂纹在侧压变化时对试样破坏所起的作用不同。在较低或无侧压时裂纹群试样破坏模式中较大的裂纹起到控制作用。随着侧压增大, 成条带状态集中排布小裂纹对试样的最终破坏起到了决定作用。随着侧压增加, 裂纹的起裂应力、贯通应力和峰值强度都随之增大。(4) 非均匀性的存在产生的岩石中应力分布局部集中和变形局部化, 是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通方式的根源。由于非均匀性的影响, 裂纹的扩展路径变得断续、粗糙和曲折。裂纹扩展前方遇到不同性质的包裹体时, 裂纹的扩展会出现很大的不同。即当裂纹扩展遇到较强的介质时, 裂纹的扩展方向会发生偏转, 并绕过强介质继续扩展; 较弱的介质和已贯通的裂纹组对其它组裂纹的贯通有屏蔽作用。非均匀性对多裂纹试样的起裂应力、贯通应力和峰值强度都有很大影响。随着岩桥均质度的提高, 试样的特征应力都相应随之提高。以上所得结果和相关的试验观测取得了较好的一致性。     

岩石多裂纹剪切断裂数值试验研究

节理岩体在剪切力作用下的破坏方式常表现为相邻节理的扩展与贯通，因此，研究含预制多裂纹岩打的抗剪强度和破坏模式对工程设计具有重要意义。应用RFPA系统对含断续裂纹剪切试样的断裂过程进行了数值模拟研究，讨论了不同裂纹几何分布对破坏模式和峰值强度的影响。研究结果表明。在相同围压条件下，裂纹贯通模式丰要受裂纹的几何方位控制：由于试样细观缺陷非均匀性的存在，导致岩行断裂主要由拉伸破坏引起，但拉剪混合破坏仍然存在，并对抗剪强度有较大的影响。     

平行双裂缝圆盘试样裂纹扩展过程的尺寸效应试验研究

针对含多条裂缝不同尺寸的岩石受载时内部裂纹扩展及贯通存在尺寸效应的问题，制作了直径分别为50,100,150和200 mm的平行双裂缝砂岩圆盘试样，其厚度、裂缝长度和裂缝间距随直径等比变化。在GCTS RTX–3000试验机上对圆盘试样进行静态加载试验，采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术对试样的裂纹扩展过程进行监测。结果表明：随试样尺寸的增加，破坏载荷呈线性增长趋势，预制裂缝对试样承载能力的削弱作用增强，试样破坏单位体积消耗的能量逐渐减小；多裂纹扩展存在相互竞争机制，裂纹的起裂顺序决定着扩展方向，直径50,100和200 mm的试样裂纹扩展具有同方向性，直径150 mm的试样裂纹相向扩展；通过AE准确反映了试样内部的损伤演化过程，运用DIC技术将裂纹扩展过程数值化，能够精确分析裂纹的张开位移和扩展速度；不同尺寸试样裂纹扩展速度的变化规律相似，即裂纹以一个较低的初速度开始扩展，并在很短的距离内达到峰值速度，之后扩展速度急剧下降，末段裂纹扩展速度缓慢减小并趋于稳定。     

动载荷作用下含倒U型孔洞裂纹试件的动力损伤行为研究

裂纹群对隧道围岩的动力学特性影响机制复杂程度远大于单裂纹缺陷。为了研究裂纹群对隧道围岩破坏行为的影响机制,采用PMMA制备含倒U型孔洞裂纹模型试样模拟含裂纹缺陷围岩工况,利用落锤冲击试验机进行动态加载,分析遭受冲击载荷作用下裂纹群在围岩内的损伤演化规律,随后采用有限差分法软件进行数值分析,对比论证试验结果的科学性,及分析在冲击载荷作用下裂纹群对围岩应力状态的影响,结果表明:(1)裂纹群对裂纹的扩展速度有显著地促进作用,多裂纹试件的裂纹扩展速度是单裂纹试件的1.277倍,且多裂纹试件的裂纹起裂时间明显缩短;(2)相对于单裂纹缺陷试件而言,多裂纹试件的动态断裂韧度明显降低,为单裂纹的58.72%;(3)多裂纹试件内I/II复合裂纹的起裂明显易于纯I型裂纹,且动态断裂韧度与II型动态应力强度因子有很大关系。     

利用数字探伤仪实现钢轨防断的新突破

针对钢轨探伤工作中存在的问题及原因进行了深入分析,并从数字探伤仪在实际中的使用及探伤数据回放管理入手,对实施前后的效果进行了比较,对数字化在钢轨探伤中的应用进行了重点阐述,以促进数字探伤仪在铁路钢轨探伤工作中的推广应用。     

混凝土缺陷无损检测技术发展现状综述

总结了混凝土缺陷无损检测传统技术超声法的发展现状,并介绍了一些新兴的无损检测技术:冲击回波法、雷达法、红外热像法以及声发射法等。     

混凝土缺陷无损检测技术发展现状综述

总结了混凝土缺陷无损检测传统技术超声法的发展现状，并介绍了一些新兴的无损检测技术：冲击回波法、雷达法、红外热像法以及声发射法等。     

管道防腐层现场补口及补伤工艺探索

介绍了输油输气管道现场补口及补伤的方式和方法，并从实际工作中总结了施工质量的控制要点。     

焊缝超声波中一种伪缺陷的判定识别

从检测依据,探头、探伤灵敏度、耦合剂的选择等方面,对钢结构网架中钢管与锥头环焊缝的超声波探伤中出现的一种伪缺陷问题进行了探讨和试验,并对其试验结果进行了分析,以避免错判,从而保证了工程质量。     

建筑钢结构超声波探伤研究

建筑钢结构的构件需焊接制作才能完成,焊缝的质量是直接影响构件质量的主要因素。超声波探伤是比较广泛使用的无损检测技术,主要适用于探测钢结构焊缝内部缺陷。本文就对此问题进行了探讨,以确保钢结构建设的质量。     

探讨现行超声法检测混凝土缺陷判定准则的不足与完善

本文通过理论分析及工程实例指出了现行超声法检测混凝土缺陷的判定准则中存在的不足之处,当混凝土存在渐变性缺陷时容易出现漏判,进而提出了可以采用伪彩色渲染的声速等值线图加以辅助判别,从而弥补现有判定准则的不足之处。     

正确评定焊缝底片 确保管道焊接质量

西气东输工程建设已经全面展开，高压、超高压管道逐步深入到城市管网。管道安装中焊接是整个施工中最为重要的环节，由于管材成分的差别，所采用的焊接工艺方法不同，焊缝缺陷往往也是五花八门。文章主要就射线底片评定过程有关事项进行讨论。     

冲击回波法识别混凝土缺陷试验研究

在混凝土试件中预制了不同尺寸、不同类型的缺陷,采用冲击回波测试方法对其进行了检测,对测试得到的曲线进行了时或和频域分析,提出了在实际工作中进行缺陷的方法,并给出了缺陷识别的建议。     

现浇混凝土防浪墙施工技术

通过总结以往类似工程施工的经验,确定了大体积混凝土施工的工艺,控制了大体积混凝土裂缝的问题。实践表明,该工艺在大连长兴岛公共港区西方波堤及围堰工程中取得了良好的效果。