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。     

标定ISRM岩石断裂韧度新型试样CCNBD的应力强度因子

国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics--ISRM)在1995年提出一种新型的岩石断裂韧度试样——人字型切槽巴西圆盘试样(cracked chevron notched Brazilian disc--CCNBD)。但是，该试样的重要力学参数即无量纲应力强度因子的标定尚有问题。针对此关键问题进行深入的研究，获得了该试样新的更准确的标定值。采用大型商业有限元软件ANSYS，引入了ANSYS子模型法和局部裂纹子模型法进行三维应力强度因子的计算。结果表明，子模型方法具有很高的精度和适用性。在计算了CCNBD试样的无量纲应力强度因子以后，还综合比较了前人相关的一些结果。从理论分析的角度证明了所得结果是合理可靠的。     

关于集中力作用线下的几个位移特解及评论

直接用应变积分的方法得到在集中力作用线下的几个弹性力学位移特解。定积分的一个端点离开集中力作用点有一微小的距离，说明当此距离趋近于0时这些位移解的渐近奇异性是合理的。对有关解答做了比较，说明了其之间的区别和联系。用应变积分求位移特解的解法容易将解推广到材料正交各向异性的情况。举出一个应用实例说明用应变积分求位移特解的方法，对解的物理意义有更直接更清楚的表示，从而指正一篇文献对集中力作用下岩石表面变形趋势的误解。     

用SCDC试样测试岩石动态断裂韧度的新方法

利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆对大尺寸(150 mm×80 mm)压缩单裂纹圆孔板(SCDC)试样冲击加载,采用实验–数值–解析法测定了青砂岩的I型动态起裂韧度和动态扩展韧度。试样的起裂时刻和裂纹扩展速度由黏贴在裂尖附近的裂纹扩展计确定,通过对比发现,裂纹扩展计的准确性和灵敏性都比黏贴在同一试样对应位置的普通应变片更好。实验–数值–解析法根据实验数据获取试样两端的加载历程,利用有限元数值计算和普适函数的半解析修正,综合考虑材料惯性效应和裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响,较准静态方法更适于采用大尺寸试样确定岩石动态断裂韧度。实验–数值–解析法所确定的高加载率和高裂纹扩展速度下砂岩的动态断裂韧度值分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。最后,通过对SCDC试样裂纹扩展路径上应变片的断裂时间分析,确定了利用SCDC试样实现动态止裂的可能性。     

用SHPB径向冲击边裂纹平台圆环(ECFR)的动态断裂实验

为了研究岩石的Ⅰ型动态断裂韧度测试方法,用大直径(100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)对边裂纹平台圆环(edge cracked flattened ring,ECFR)砂岩试样进行径向冲击实验。分别用普通应变片和高精度裂纹扩展计2种测试元件监测试样起裂时刻和测定裂纹传播速度,比较了它们的准确性和合理性。用实验-数值结合普适函数分析测定了砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度,初步探讨了动态加载率影响动态起裂韧度的原因,以及裂纹扩展速度对动态扩展韧度的影响,对ECFR试样裂纹扩展路径弯折现象也进行了理论分析。研究结果表明：裂纹扩展计测定比应变片更为灵敏、准确、合理。加载率在(0.74~4.48)×104 MPa·m1/2/s范围内动态起裂韧度随动态加载率的增大而增大,裂纹扩展速度在(0.24~0.34) cR范围内动态扩展韧度随裂纹扩展速度的增大而提高。     

水泥砂浆断裂韧度的尺寸效应研究

用两种不同配合比的水泥砂浆分别制作了三组几何相似的矩形截面直裂缝三点弯曲梁.在MTS815材料试验机上进行试验,记录了试件的荷载-加载点位移(P-δ)和荷载-裂缝端口张开位移(P-ωCMOD)的全过程曲线.利用最大荷载和初始裂缝长度求得的线弹性断裂韧度存在明显的尺寸效应.为此,基于虚拟裂缝模型,认为裂缝端口张开位移是荷载、自霞和黏聚力共同作用的结果,求解该位移公式得到断裂过程区长度值,用断裂过程区长度修正初始裂缝长度后,再代入三点弯曲梁应力强度因子公式,进而得到尺寸效应程度较弱的等效断裂韧度值.     

用RILEM方法得到混凝土断裂韧度的尺度律

用两种不同配合比的混凝土制作了几何相似的直裂缝矩形截面三点弯曲梁,在MTS 815材料试验机上测试这两种混凝土的力学参数并记录了三点弯曲试件的荷载-加载点位移和荷载-裂缝端口张开位移的全过程曲线。用最大荷载和初始裂缝长度求得的断裂韧度KIC存在明显的尺寸效应,对此问题,用材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)推荐的方法分别得到两种混凝土材料的真实断裂韧度和有效断裂过程区长度,从而确定了混凝土断裂韧度的尺度律公式。从该公式能直接得到材料大尺寸试件的断裂韧度和断裂过程区长度,还能预测同材料的试验室尺寸下几何相似试件的断裂韧度测试值。     

关于“节理岩体拉剪断裂与强度研究”一文的一点看法

《岩石力学与工程学报》1998年第3期刊登了“节理岩体拉剪断裂与强度研究”一文(以下简称“原文”)[1],在其结语中提出“原文”的主要贡献是“建立Hoek-Brown准则中材料常数m,s与岩石的断裂韧度KIc,KIIc的关系”。笔者阅后认为,此关系的推导前提存在缺陷,现提出来希望引起作者和读者重视。比较熟悉断裂力学基础理论的都知道[2],应力强度因子(KI,KII)是表征裂纹尖端应力奇异性强度的参数,由KI,KII表达的裂尖应力场,即原文的(3),(4),(5)三式,都只能适用于裂纹尖端附近的局部区域,用r表示到裂尖的距离,这些公式应用的条件是r→0。“原文…     

为什么不加限制地使用裂纹尖端应力公式是不恰当的

断裂力学正日益广泛地应用于岩石力学的研究中 ,这是好事。然而 ,忽视断裂力学基础理论的使用条件 ,研究成果在理论上会站不住脚 ,也就因此失去了它应用的价值。文 [1]本来只想点到为止 ,因为笔者原本相信 ,“心有灵犀一点通”。现在看来 ,文 [2 ]仍想继续误导读者 ,因而有必要再多谈一点。断裂力学中有一个著名的模型 ,即拉伸中心裂纹无限大板 ,设其裂纹长度是 2 a,远场拉伸应力σ,在不少断裂力学教材中都可以找到其应力场的准确解 [3 ] ,现考察裂纹延长线上的拉伸应力分量 ,此应力的准确值σexact是σexact=σ a2 r1 r/a1 r/2 a (1)式中 :…     

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。