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三点弯脆性固体内裂纹扩展规律及破坏特征研究

岩石内裂纹扩展问题是岩土工程学科的重要问题之一。基于3D-ILC技术,选用理想脆性材料,在对试样表面无影响的前提下,生成任意参数的真实内裂纹,进行含内裂纹试样三点弯试验,并与完整试样进行对比。开展试样破坏过程、特征荷载、破坏形态、断口特征、动态分叉、应力云纹分析,通过数值模拟得到裂纹尖端K分布规律及扩展路径,与试验对比。结果表明:(1)内裂纹的存在极大的降低试样的起裂与破坏荷载;(2)应力双折射技术可与3D-ILC联合应用进行内裂纹应力信息监测,内裂纹尖端呈现"花瓣"状应力云纹;(3)三点弯下空白试样发生动态断裂,断口呈现雾化、羽毛区特征,由动态裂纹分叉引起。含裂纹试样,从内裂纹下尖端到上尖端逐渐起裂,呈现水滴状,为纯I型破坏,断口呈现交汇Wallner线特征;(4)基于M积分的裂纹尖端K分布与试验起裂规律一致;基于MTS的内裂纹扩展路径模拟与试验一致。3D-ILC相对于目前透明类岩石研究中主流方法,在脆性度、裂纹真实性、应力场可视化、断口特征等方面具备一定进步性,试验与数值模拟成果将为岩石等脆性材料的三维断裂、内裂纹扩展等问题的研究,提供试验和理论参考。     

压缩条件下岩石断裂模式与断裂判据的研究

针对岩石类材料压缩断裂中可能发生的Ⅰ型张拉断裂和Ⅱ型剪切断裂的现象 ,依据裂纹尖端应力集中引发的微裂纹损伤性质 ,提出了主裂纹尖端“微裂纹单元应力模型”的概念。通过对不同方位微裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子变化规律的研究 ,以比应力强度因子和比断裂韧度作为表征参数函数方程 ,提出了压缩条件下岩石类材料复合型裂纹断裂模式与断裂破坏的判据。该判据既可以预测岩石内部斜裂纹在压应力下的Ⅰ型扩展 ,也可以预测它的Ⅱ型扩展。由此判据 ,还给出了Ⅱ型断裂出现的条件 ,讨论了不同的影响因素。其结果较好地说明了实验现象     

基于激光-介质损伤的三维内裂纹3D-ILC实现

在材料内部制作可用于试验的真实、可控的三维内裂纹,一直是断裂力学中的基础性难题。针对此瓶颈,提出了通过电磁场在试样内部制造等离子体进而制作任意宏观三维内裂纹的全新方法“3D-ILC”,实现了“内科手术式”制作内裂纹而对表面无任何影响。首先综述传统的脆性材料的内裂纹制作方法及不足,然后给出激光-介质损伤的基本原理与3D-ILC实现方法,给出基于3D-ILC技术的单裂纹、随机多裂纹、双X形内裂纹试样实例。通过经典的单轴压缩与巴西圆盘试验,证明3D-ILC在断裂力学三维内裂纹断裂力学研究中的可用性。结果表明：3D-ILC相对于传统方法具有以下优势：①可观测性强;②简便、快速、高效;③裂纹真实;④试样均质度、脆性度高、完整性强;⑤裂纹数量、尺寸可控。3D-ILC的提出,解决了断裂力学百年来在材料内部实现任意可控宏观三维内裂纹这一基本问题,使原本复杂和高门槛的三维内裂纹扩展断裂研究具备“平民化”的特征,对于推动断裂力学中内裂纹及三维问题的研究,具有重要意义。     

含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。     

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

 通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力 及最大周向拉应变 判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。     

不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验

 采用数字激光动态焦散线系统,研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。结果表明,切缝药包爆破主裂纹以I型拉伸断裂模式为主,爆破主裂纹难以穿过邻近炮孔的预制裂缝继续扩展;分支裂纹是预制裂缝尖端在爆破应力波衍射拉伸形成应力集中而萌生、起裂,相向分支裂纹分别扩展,最终呈“牵手状”贯通、止裂,分支裂纹贯通后扩展速度及动态应力强度因子急剧降低。对比不同药量模型试验结果发现,小药量炮孔相比大药量炮孔的爆破主裂纹、分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子均较小,分支裂纹起裂时间较迟,且稳定扩展时间、扩展长度也较短,延长了分支裂纹贯通时间。相同药量两炮孔爆破主裂纹及分支裂纹断裂力学特征量近似相等,单炮孔的分支裂纹不贯通。试验研究为分析爆破裂纹扩展物理过程提供了参考。     

数字图像技术在节理岩体裂纹扩展试验中的应用研究

含倾斜裂纹的岩石在单轴压缩下,会发生翼裂纹扩展并逐步损伤破坏。对含预制裂纹的类岩石脆性试件进行单轴压缩试验,采用两台高分辨率相机连续捕捉图像,经过数字图像相关技术(DIC)处理,得到了试件的全局应变场演化过程图,试验结果表明:当荷载达到一定阶段,裂纹端部观察到了明显的微破裂区,其形状为绕裂纹尖端逆时针转动82°的椭圆;荷载增大到最大荷载的85.6%时,微破裂聚集成核,端部开始形成宏观翼裂纹,裂纹的扩展过程就是高应变区不断蔓延的过程,也是微破裂不断发育、成核的过程;次生微破裂区以及反翼微破裂区发育缓慢,且形成过程中也受到了拉伸应力作用,翼裂纹是试件的主要破坏模式。最后基于线弹性断裂力学,比较了裂纹尖端周围应力和应变的变化规律,给出了采用应变方法分析裂纹起裂扩展的理论依据,并且验证了DIC系统试验结果的可靠性。     

三峡船闸高边坡损伤流变研究及实测分析

采用扫描电镜即时记录下裂纹尖端的微裂纹发育和演化过程,并应用双扭试件测试了三峡船闸花岗岩的亚临界裂纹扩展。推导出压应力状态下,考虑亚临界裂纹扩展时,裂纹流变断裂扩展的计算公式;考虑了裂纹之间的相互作用。运用损伤力学中的平均场模量的概念,将流变裂纹扩展推广到多裂隙岩体中去,建立裂隙岩体损伤流变所裂扩展的力学模型。根据砦模型,采用有限元方法进行了三峡船闸高边坡损伤流变断裂分析,并与实测值做了比较。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。     

三维内置裂隙倾角对类岩石材料拉伸力学 性能和断裂特征的影响

 采用试验手段研究单轴拉伸条件下内置三维裂隙倾角对类岩石砂浆材料力学特性及断裂特征的影响。试验中配制物理力学性能与砂岩接近的砂浆材料,研制三维裂隙空间定位装置,同时改进传统岩石材料直接拉伸试验方法,研制黏结轴拉试验装置。试验结果发现,含裂隙砂浆试件的单轴拉伸受力变形过程分为4个阶段：缺陷张开阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和破坏阶段,其中弹性阶段所占比例最高,突发性破坏阶段是拉伸破坏和压缩破坏最明显的区别。裂隙倾角a 的改变对砂浆材料力学性能影响很大,随着a 增大(0°＜a＜90° ,试件峰值强度sP逐渐降低,a = 45°左右时,sP变化幅度最大。在拉伸荷载作用下,内置裂隙长轴前缘附近先后产生包裹状翼裂纹和次生裂纹,在短轴附近产生扭结区,裂隙的张拉扩展导致试件最终断裂。裂隙倾角a 的改变影响裂隙扩展的轨迹和试件破坏后的形态。     

水作用下岩体断裂强度探讨

分析了裂纹岩体中水压力的作用及类型。在探讨静水压力、动水压力及水化学损伤对裂纹尖端应力强度因子的基础上，推导给出了考虑水压力和水化学损伤作用等不同条件下的含闭合或张开裂纹的岩体断裂强度新准则，并得出：水对含结构面(裂纹或节理)岩体的断裂力学效应的作用包括直接与间接两方面，直接作用来源于裂纹中的静水压力或动水压力：间接作用来源于水对裂纹面上的剪切强度(粘聚力与内摩擦角)的损伤。水对岩体断裂强度的作用，对于裂纹是否闭合，在新准则中有不同的表达式。     

压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则

土体既有裂缝的开裂问题通常被认为是拉剪应力导致,而实际工程中压实黏土多处于压剪应力状态,为探究压剪作用下压实黏土中既有裂缝的起裂机理,对压剪闭合裂缝应力场和断裂准则进行了理论分析,开展了含中心裂缝压实黏土单轴压缩试验,研究了裂缝倾角、裂缝长度及裂缝形态对压剪断裂性状的影响,揭示了压实黏土中闭合裂缝压剪张拉断裂机理,充分...     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

A modified maximum tangential tensile stress criterion for three-dimensional crack propagation

The three-dimensional(3D) crack propagation is a hot issue in rock mechanics.To properly simulate 3D crack propagation,a modified maximum tangential tensile stress criterion is proposed.In this modified criterion,it is supposed that cracks propagate only at crack front in the principal normal plane.The tangential tensile stress at crack front in the principal normal plane in local coordinates is employed to determine crack propagation,which is calculated through coordinate transformation from global to local coordinates.New cracks will propagate when the maximum tangential tensile stress at crack front in the principal normal plane reaches the tensile strength of rock-like materials.Compared with the previous crack propagation criteria,the modified crack propagation criterion is helpful in calculating 3D crack stress intensity factor,and can overcome the limitations of propagation step determined by individual experiences in previous studies.Finally,the 3D crack propagation process is traced by element-free Galerkin method.The numerical results agree well with the experimental ones for a frozen resin sample with prefabricated 3D cracks.