测试断裂韧度的一类边裂纹平台圆环(盘)试样：数值分析和标定结果

 提出测试I型断裂韧度的一类新型试样,包括边裂纹平台圆环、边裂纹平台半圆环、边裂纹平台半圆盘,以及它们没有平台的情况,一共6种构型。采用有限元方法标定这一类边裂纹平台(半)圆环(盘)的量纲一化的应力强度因子,分析其变化规律,并给出相应的曲线拟合公式。结果显示,边裂纹(平台)圆环试样量纲一化的应力强度因子–裂纹长度曲线具有先升后降的特殊性质,这使得它们的测试临界点容易从对应的载荷–位移曲线判断和确定,可以方便地测试材料的断裂韧度。边裂纹平台半圆盘也有类似的性质,但试样宜选取较大的平台角,而边裂纹半圆盘和边裂纹(平台)半圆环却没有这种性质。此外,经过初步试验,用边裂纹平台半圆盘和边裂纹平台半圆环试样测得砂岩的断裂韧度,与用国际岩石力学学会建议试样所测结果吻合。     

爆炸载荷下Ⅰ型裂纹的起裂及扩展规律研究

为了研究爆炸载荷作用下I型裂纹的断裂韧度参数及扩展规律,首次将裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)和内部单裂纹圆盘(single internal crack circular disc,SICCD)试件引入到爆炸载荷下的韧度测试中。试验采用了大尺寸PMMA试件和示波器、超动态应变仪搭接的测试系统,并利用动态有限差分软件AUTODYN和有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度等断裂参数。试验结果表明:(1)预制裂纹在扩展过程中,扩展路径出现拐点时,会产生明显的止裂现象,当裂纹再次起裂时,速度会明显上升。(2)CPG能够更加精准地监测裂纹的扩展规律,结合试验–数值法能够很好地计算出裂纹的起裂韧度等动态参数,为爆炸试验断裂参数的获取提供了一种新型的测试方法。(3)初步的分析表明爆炸载荷下动态止裂韧度要大于动态起裂韧度和动态扩展韧度。     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的实验研究

为了获得岩石在高加载速率作用下的动态断裂韧度值并分析加载速率的影响,由分离式霍普金森压杆入射杆杆端附加劈尖及其基座对边切槽圆盘试样施加动态劈裂载荷。把应变片粘贴在裂纹尖端附近获得裂纹扩展时间;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元计算模型,获得试样的起裂动态断裂韧度值。结果表明,在加载速率18.85×104MPa.m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度值随着加载速率的增大而上升,但上升趋势逐渐减弱。断裂韧度数值在高加载速率下呈现出明显的离散性。     

爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法初探

爆破是岩土工程中广泛采用的掘进方法,岩石在爆炸载荷下的断裂特性是岩石动力学的核心问题之一。利用雷管和带裂纹的水泥砂浆试样进行爆破试验研究,采用试验–数值方法确定试样的动态断裂韧度。通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹起裂的时间,将得到的时程曲线输入有限元程序ANSYS,利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移,进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线。裂纹起裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态断裂韧度,从而给出了在爆炸载荷下I型裂纹的动态断裂韧度测试新方法。     

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

高温后花岗岩断裂特性及热裂纹演化规律研究

在深部地热能开发中高温岩体会经历不同速率降温过程,研究高温作用后岩石力学行为对深部地下工程具有重要意义。然而,不同冷却方式下高温花岗岩断裂特性演化规律及作用机制尚不明晰。基于此,进行了不同冷却方式下花岗岩半圆盘试样三点弯曲试验,分析了高温后花岗岩荷载-位移曲线、断裂韧度以及破裂特征,探讨了微裂纹分布及矿物含量演化规律。试验结果表明：(1)随着温度的升高,花岗岩断裂韧度呈减小趋势,遇水冷却方式下断裂韧度低于自然降温条件;(2)三点弯曲作用下花岗岩半圆盘试样裂纹首先萌生于切槽尖端,逐渐向加载点方向扩展并将岩样劈裂。随着温度的升高,花岗岩试样的断裂痕迹曲折程度、与中心线之间的距离有所增大;(3)随着温度的升高,花岗岩矿物成分未明显变化,基于图像处理技术获得的微裂纹密度逐渐上升,遇水冷却方式下微裂纹密度大于自然降温方式,表明高温引起的微观结构劣化降低了花岗岩断裂韧度。     

忻州窑烟煤Ⅰ型和Ⅱ型断裂特性的半圆弯曲试验对比研究

为研究切缝深度和层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂特性的影响差异,采用半圆弯曲测试法对SCB煤样开展3种切缝深度和5种层理角度下的Ⅰ,Ⅱ型断裂测试,分析切缝深度与层理角度对煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷、断裂韧度及裂纹扩展路径的影响规律;并对煤样加载过程中的声发射信号进行实时监测,获取煤样变形破坏过程中的微裂纹损伤演化及宏观破坏特征。研究表明:测试煤样的Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度均大于Ⅰ型断裂峰值载荷与断裂韧度,且KⅡC/KⅠC=1.02;煤样Ⅰ,Ⅱ型断裂峰值载荷随无量纲切缝深度a的增加逐级降低,断裂韧度K_(ⅠC)和K_(ⅡC)均随a的增加先增大后减小。Ⅱ型断裂峰值载荷与断裂韧度随层理角度的增加均先减小后增大,呈"对勾"型分布;煤的Ⅰ型断裂裂纹扩展路径近似为直线,而Ⅱ型断裂裂纹扩展路径为曲线。层理对Ⅱ型断裂裂纹扩展路径影响较大,层理角度为22.5°,45°和90°时,裂纹出现沿层理面扩展的现象;煤样的Ⅰ,Ⅱ型断裂破坏过程分为压密、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展3个阶段。总体表现为拉伸裂纹主导的拉剪复合型断裂,拉伸微裂纹最先发育,之后拉剪复合型微裂纹急剧扩展,并最终造成试样的宏观失稳破坏。     

用人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)确定岩石断裂韧度及其尺度律

国际岩石力学学会(ISRM)于1988年和1995年先后颁布了两种测试岩石断裂韧度的建议方法，其中1995年建议方法推荐的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)尚不够完善。有鉴于此，用两种大理岩制作成CCNBD和ISRM1988年建议方法推荐的人字形切槽三点弯曲圆棒(CB)试样，分别在MTS810型材料试验机进行试验。结果发现，CCNBD试样测出的断裂韧度值比CB试样测出的断裂韧度值小，而重新标定关于CCNBD计算公式中的关键系数Ymin*后得出的断裂韧度值有一定改善。此外，基于内聚裂纹模型，对CCNBD试样用于岩石断裂韧度测试的尺寸效应问题进行了初步探讨，提出CCNBD试样的几何形状函数gαm，很好地解决了Bazant的尺度律用于CCNBD试样结构的非相似性问题，从而减小了试样尺寸对材料断裂韧度的影响。     

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。     

用平台巴西圆盘试样确定脆性岩石的弹性模量、拉伸强度和断裂韧度——第一部分:解析和数值结果

用平台巴西圆盘试样在一次试验中同时测定脆性岩石的弹性模量E、拉伸强度ts和张开型断裂韧度IcK。根据应力分析的结果和Griffith 强度准则,为了保证试样在加载过程中由中心部位起裂,平台对应的加载角必须大于一个临界值(a2≥20°),并以此条件确定平台的最小相对宽度。理论分析表明,可以根据记录的载荷-位移破坏全过程曲线(包括最大载荷之后过程的记录),由初始直线段确定E,由最大载荷确定ts,由紧随其后的最小载荷确定IcK。给出E,ts和IcK相应的计算公式,公式中的关键参数由严格的有限元分析标定。还给出了一些基于弹性力学的近似解析公式,它们的精度也用有限元分析做了验证,因此,利用这些公式所得的结果是可靠的。     

岩体断裂的破坏机理与计算模拟

受压岩体中的裂纹问题,可以归结为压剪裂拉剪纹两种类型,具体讨论了受压岩体中的斜裂纹问题和翼形裂纹问题,对两种不同理解纹类型的扩展机理进行了分析,给出了应力强度因子的计算方法,最的一以受单向压缩的裂纹扩展为例,说明了具体了计算模拟过程。     

测定混凝土断裂参数试验方法的研究

对卵石、碎石混凝土试件进行了三点弯曲试验和楔入劈拉试验。计算、比较了卵石、碎石混凝断裂韧度、断裂能 ,发现采用三点弯曲法和楔入劈拉法测定的断裂参数接近。     

压裂中天然裂缝剪切破坏机制研究

 采用理论分析、实验验证和算例分析研究裂缝性储层水力压裂过程中天然裂缝张开和剪切破坏机制。理论分析表明：水平主应力差、逼近角、裂缝面摩擦因数是影响天然裂缝剪切破坏的主要因素，在低应力差、低逼近角或者是摩擦因数较小的条件下，由于水力裂缝的影响，天然裂缝易发生剪切破坏；水平主应力差和近缝面岩石力学特性是影响天然裂缝张开程度的主要因素；试验结果表明，在低水平主应力差或低逼近角情况下，当水力裂缝与天然裂缝干扰后，闭合的天然裂缝张开，易发生剪切破坏；在高水平主应力差和高逼近角情况下，水力裂缝易直接穿过天然裂缝，天然裂缝仅仅被渗透，没有发生剪切破坏。通过算例分析，提出裂缝的张开边界和剪切破坏边界，阐述天然裂缝对流体的极限容量；分析表明逼近角越大，天然裂缝对压裂液的极限容量越小。     

钢结构构件低温冷脆强度的设计计算方法

介绍了几种钢结构构件低温冷脆强度计算和工程设计计算方法 ,并进行比较分析以供我国工程界钢结构设计时参考     

活性粉末混凝土的断裂性能研究

在活性粉末混凝土缺口梁断裂试验的基础上,分析了荷载作用下活性粉末混凝土的裂纹产生以及裂纹扩展直到破坏的机理,给出了描述活性粉末混凝土断裂特征的稳定断裂韧度和临界裂缝尖端张开位移两个基本参数。     

混凝土断裂能G_F的尺寸效应

断裂能ＧＦ是基于虚拟裂缝模型并考虑了混凝土软化特性的断裂参数，这个参数在混凝土的非线性开裂计算中是必不可少的．本文采用楔入劈拉法研究了试件高度对混凝土断裂能的影响．研究结果表明，ＧＦ在一定范围内存在尺寸效应．然而当试件高度ｈ＞５００ｃｍ时，基本上无尺寸效应．这一结论对大体积混凝土结构的非线性开裂计算有着重要的意义．     

地壳岩石压剪断裂核形态探讨

给出了当KⅠ<0时KⅠ,KⅡ,KⅢ地壳岩石压剪断裂核的形状方程;分析了KⅠ,KⅡ叶状压剪断裂核和KⅠ,KⅢ花蕾状压扭断裂核的形状与性状并介绍了岩石压扭直剪断裂试验和大理岩试件的破坏状况。在压剪断裂试件临破坏前切口区域的微观照片中可见岩石破碎情况,与理论分析相符。探讨了地壳岩石压剪断裂核的延深长度,并借矿床地质调查的成果加以实证。     

具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性研究

具有宏观裂纹混凝土结构在荷载作用下裂纹是否会进一步扩展,是带裂纹工作的混凝土结构安全性能评价的重要课题.一方面要对混凝土结构应力状态进行现时观测与分析,另一方面要合理评价具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性.根据数批不同形式混凝土试件的试验结果,分析了混凝土起裂荷载/最大荷载、起裂韧度/断裂韧度与试件形式、相对初始缝长的关系,得出了一些有意义的结论.     

混凝土断裂韧度的尺寸效应研究

本文采用最大尺寸为７０ｃｍ×７０ｃｍ×２０ｃｍ的楔入劈拉试件进行了断裂试验，研究试件高度对混凝上断裂韧度的影响规律。采用电阻应变片并结合计算机数据采集系统测得了混凝土试件裂缝的起裂、稳定扩展和失稳破坏的全过程，利用测得的裂缝亚临界扩展量△ａ＿ｃ对混凝土断裂韧度进行了修正。     

应力波对岩石断裂的相关因素分析

岩石类材料具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度，对这类材料在应力波作用下断裂的相关因素分析是目前急待开展的研究课题。为了解岩石类材料的动态断裂机理，首先就须找出与断裂相关的因素，以及由此导致的裂纹开裂、发展、止裂条件等。通过拟对这些相关因素进行分析，探讨这些相关因素在动力断裂中的作用