基于3D-ILC含60°平行双内裂纹脆性巴西圆盘断裂特性

裂纹间的相互作用是断裂力学的重要研究内容,但针对三维内裂纹的扩展规律以及相互作用的研究较少。基于3D-ILC技术,在完整巴西圆盘内部制作平行双内裂纹,开展含60°双内裂纹单轴压缩试验,记录裂纹扩展过程,得到裂纹起裂及破坏荷载,分析双内裂纹相互作用下的应力双折射规律、裂纹扩展形态及断口特征。基于M积分及应变能密度因子理论进行数值模拟,揭示KⅠ,KⅡ,KⅢ分布规律,实现双内裂纹扩展路径及平行裂纹相互作用模拟,并与试验进行对比。结果表明：(1)基于3D-ILC的平行双内裂纹扩展破坏试验规律显著,证明了该技术在多内裂纹相互作用试验研究中的适用性得到证明;(2)试样裂纹形态主要有上翼裂纹、下翼裂纹、竖直裂纹及贯穿型裂纹,翼裂纹断口光滑区为I-II型复合裂纹,裂纹侧面为I-II-III型复合裂纹,呈现矛状断口;(3)含60°双内裂纹试样破坏荷载为完整试样的17.73%,内裂纹扩展速度与加载力为非线性关系;(4)双内裂纹尖端之间存在屏蔽作用,使扩展呈现明显反对称的裂纹形态;(5)基于M积分的K分布及基于应变能密度因子理论裂纹扩展路径与试验规律一致。结果为三维内裂纹I-II-III型复合断裂及多裂纹相互作用研究提供了物理试验及数值模拟参考。     

基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究

巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的I-II-III型断裂研究一直较为落后。基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂纹的及完整巴西圆盘试样试验,对裂纹扩展过程、应力双折射规律、裂纹起裂及破坏荷载进行分析,并与已有文献进行对比,开展三维内裂纹I-II-III型断裂数值模拟,分析KI,KII,KIII分布规律及实现裂纹扩展全过程模拟,规律与试验相符。结果表明:①3D-ILC在断裂力学试验中的优势得到证明,为断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题的研究奠定了基础。②与完整试样匀称连续的应力云纹分布相比,含内裂纹试样应力云纹集中于内裂纹尖端,呈花瓣状,色差对比显著。③30°内裂纹被括弧状破坏面切断;60°内裂纹上下尖端出现I-II型翼裂纹扩展,侧面出现III型裂纹叠加;90°内裂纹试样,沿内裂纹面扩展破坏,为纯I型破坏。④与完整试样破坏荷载相比,含30°,60°,90°内裂纹试样破坏荷载分别下降10.7%,60.6%,89.2%;30°,60°,90°内裂纹起裂与破坏荷载比分别为100%,11.7%,15.6%。⑤数值模拟与物理试验特征一致。结论与成果对断裂力学领域的三维内裂纹、I-II-III型断裂问题的研究提供了试验与理论基础。     

基于3D-ILC含60°平行双内裂纹脆性巴西圆盘断裂特性

裂纹间的相互作用是断裂力学的重要研究内容,但针对3维内裂纹的扩展规律及相互作用的研究较少。基于3D-ILC技术,在完整巴西圆盘内部制作平行双内裂纹,开展含60°双内裂纹单轴压缩试验,记录裂纹扩展过程,得到裂纹起裂及破坏荷载,分析双内裂纹相互作用下的应力双折射规律、裂纹扩展形态及断口特征。基于M积分及应变能密度因子理论进行数值模拟,揭示K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ的分布规律,实现双内裂纹扩展路径及平行裂纹相互作用模拟,并与试验进行对比。结果表明:1)基于3D-ILC的平行双内裂纹扩展破坏试验规律显著,证明了该技术在多内裂纹相互作用试验研究中的适用性;2)试样裂纹形态主要有上翼裂纹、下翼裂纹、竖直裂纹及贯穿型裂纹,翼裂纹断口光滑区为Ⅰ–Ⅱ型复合裂纹,裂纹侧面为Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合裂纹,呈现矛状断口;3)含60°双内裂纹试样破坏荷载为完整试样的17.73%,内裂纹扩展速度与加载力为非线性关系;4)双内裂纹尖端之间存在屏蔽作用,使扩展呈现明显反对称的裂纹形态;5)基于M积分的K分布及基于应变能密度因子理论裂纹扩展路径与试验规律一致。结果为3维内裂纹Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合断裂及多裂纹相互作用研究提供了物理试验及数值模拟参考。     

考虑土工膜缺陷的面膜坝渗透稳定性分析

为研究土工膜缺陷的面膜坝在库水位骤降情况下的渗流特性以及上游坝坡的稳定性,利用Geo-slope软件建立了破损土工膜有限元分析模型,对土工膜不同破损部位以及破损尺寸进行了渗流要素和稳定性分析。结果表明:土工膜破损位置越高,尺寸越大,浸润线抬升越高,渗漏量越大,但后者影响明显小于前者;当库水位高程降落至土工膜破损高程时,存在一个浸润线突然下降的“突变”初始稳定安全系数随着土工膜缺陷位置的变高和尺寸的变大而变小,安全系数总体上呈现先下降,后趋于稳定的规律,但在库水位高程经过土工膜缺陷处,存在一个突然上升的过程。研究成果为面膜坝运行过程中的稳定性评价和治理提供了参考。     

圆盘内裂纹扩展断裂试验及数值模拟研究

鉴于含裂纹的巴西圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,而对含纯封闭内裂纹的巴西圆盘断裂研究较少的问题,开展了含90°三维内裂纹的树脂巴西圆盘试样单轴压缩试验,分析了裂纹扩展过程特征,并基于M积分及最大拉应力准则研究了KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,通过断裂力学有限元软件FRANC3D实现内裂纹扩展全过程模拟。结果表明,含90°内裂纹试样在单轴压缩下裂纹破坏形态为竖直张拉裂纹;达到峰值荷载29.13kN时试样瞬间被劈裂为两半,内裂纹扩展速度达到700mm/s,对试样扩展、破坏形态及断口特征产生显著影响;通过数值模拟得出内裂纹尖端扩展路径,短轴端扩展速率最大,且数值模拟结果与试验相符。     

凤亭河水库黏土心墙坝库水位变动渗流特性分析

为研究库水位变动情况下凤亭河水库黏土心墙坝的渗透稳定性规律,根据非饱和渗流原理,利用Geostudio软件进行了数值模拟,得到了不同工况下坝体内部的浸润线变化情况、渗漏量以及上下游坝坡的稳定性规律,并对工程的防渗墙长度进行了优化。结果表明:库水位水平越低,浸润线也越低;库水位骤降时,心墙处的浸润线有一个"延缓下降"的效应;库水位水平越高,渗漏量越大,防渗墙深度越深,相同情况下的渗漏量越小;库水位水平越低,上游坝坡安全系数越低,而下游坝坡安全系数越高,防渗墙深度对下游坝坡安全系数大小的敏感性要大于上游坝坡;库水位骤降时,上游坝坡安全系数先减小、后增大,最后保持不变,而下游坝坡安全系数持续增大;根据凤亭河水库黏土心墙坝渗透稳定性计算结果,建议凤亭河水库黏土心墙坝防渗墙深度取为50 m。     

降雨类型对浅层深层滑坡渗流及稳定性的影响

为研究不同降雨类型对浅层及深层滑动面渗流特性及边坡稳定性的影响,采用有限元分析软件Geo-slope中的Seep/w和Slope/w模块,分析了相同降雨量不同降雨模式(平均型、前锋型、中锋型、后锋型)下浅层及深层体积含水率、孔压变化规律,得出了其安全系数随时间的变化曲线。结果表明,降雨期间边坡表面体积含水率增大至饱和,孔压趋向于0,停雨后边坡上部体积含水率及孔压逐渐减小,而坡脚处几乎不变,不同降雨模式影响了土体含水率及孔压的分布;下部浅层滑动面安全系数变幅大于上部浅层滑动面,深层滑动面安全系数变化滞后于降雨;平均型降雨对于深层滑动面安全系数影响最大,而后锋型降雨对于浅层滑动面安全系数影响最大。研究结果为边坡滑坡机理的认识及滑坡治理提供了参考。     

基于3D-ILC单轴拉伸双平行内裂纹扩展规律研究

多裂纹相互作用是断裂力学研究的重要内容,但是针对单轴拉伸下的三维多内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC技术,在完整立方体试件中生成三维双平行内裂纹,对不同错距d开展单轴拉伸试验,分析了断裂过程、应力云纹、起裂与破坏荷载及断口特征,基于M积分和MTS准则开展裂纹扩展路径及相互作用模拟。结果表明：①内裂纹错距为2 mm时相互“吸引”,错距为6与10 mm先相互“吸引”后“排斥”;②三维双内裂纹单轴拉伸下具有“合并分界”、“漏斗状”特征等断裂形态,其中裂纹中心侧发生I-II型复合断裂,外侧发生纯I型断裂;③初始应力云纹在预制裂纹尖端呈现“花瓣状”,裂纹相互“吸引”过程中应力云纹在中心侧裂纹尖端呈现“括弧状”;④试样强度与裂纹间错距成正比,错距为2,6,10 mm抗拉强度相对完整试样下降百分比分别为63.39%,50.79%,41.09%。起裂荷载与最终破坏荷载的比值分别为12.92%,15.16%,13.57%;⑤基于M积分,得出内裂纹I、II型应力强度因子分布规律,基于MTS裂纹扩展判据,实现三维双内纹的相互作用扩展全过程数值模拟,与试验一致。研究结果为三维双平行内裂纹相互作用研究提供试验与理论基础。