含缺陷花岗岩破坏过程中的红外热像试验研究

在实验室通过红外热像仪对7块含相同预制单裂纹缺陷的花岗岩板状试样单轴压缩载荷下破裂过程的红外热像进行了试验研究(其中有一块试样中途折断,没有取得红外热像特征)。试验结果表明:试件加载过程中,微破裂越强,其红外辐射也就越强;在主破裂时,试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征。试件受压过程中的红外温度异常表现为3种类型:(1)先降温,临破裂升温;(2)温度交替升降,破裂前升温;(3)缓慢升温,破裂前快速升温。同一种岩石,其破坏时的红外辐射表现不一定相同。     

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。     

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。     

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     

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

 为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。     

不同加载速率下CFRP加固混凝土梁动态力学性能试验研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,为此对CFRP加固混凝土梁试件开展了4种加载速率(0.1、0.01、0.001mm/s和0.0005mm/s)下的力学性能试验，通过位移控制的单调加载方式研究不同加载速率对CFRP加固混凝土梁试件的破坏过程、荷载-裂缝张口位移曲线、断裂能和延性指数的影响。基于实时、动态的声发射无损检测技术，对不同加载速率下CFRP加固混凝土梁断裂过程中的声发射参量进行识别和采集，从声发射角度分析了CFRP加固混凝土梁的受力特性。结果表明：低加载速率下，试件侧面预制缝附近伴有其他裂缝产生，且加载速率越低，其裂缝越明显；CFRP加固混凝土梁的开裂、极限、破坏荷载随加载速率的提高而增大；随着加载速率的提高，CFRP加固混凝土梁的断裂能和延性指数均明显增大；声发射累积振铃计数随加载速率的提高而增大。     

裂纹损伤混凝土力学性质试验与PFC模拟研究

通过室内试验对恒定倾角(45°)裂纹损伤试件裂纹长度差异对混凝土力学性研究,并结合PFC颗粒流数值模拟软件分析结果裂纹扩展规律,进一步阐述其破坏形态及机理。研究表明:(1)裂纹损伤试件强度随着裂纹长度增大逐渐降低,降低速率先减小后增大;弹性模量随着裂纹长度增大逐渐降低,其中降低速率先增大后减小最后再降低。(2)裂纹长度为10 mm时,试件破坏形态为整体破坏;裂纹长度为20~30 mm时,试件破坏沿着初始裂纹扩展方向破坏,部分沿着初始裂纹反方向破坏,表现出裂纹部分影响破坏形态;裂纹长度≥40 mm,试件完全沿着初始裂纹扩展方向破坏,无反向裂纹产生。     

静态破碎的物理与数值试验

本文对静态破碎剂作用下混凝土模型的破坏过程进行了物理和数值模拟试验,试验研究结果表明,单孔方形混凝土模型裂纹的扩展和破坏不是通常认为的像开采中的大理石破坏那样:第一条裂纹产生以后,在其对称连线上产生第二条裂纹,而是以三条主裂纹的形式破坏。并用数值模拟的方法再现了在静态破碎剂作用下,这三条主裂纹的萌生、扩展到最后的失稳扩展过程。     

砂岩双面剪切细观损伤特性试验研究

利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同加载速率条件下的剪切试验,并借助声发射技术及图像处理技术,对砂岩细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入研究。研究结果表明:随着加载速率的增加,砂岩抗剪强度增加,二者近似呈线性关系;对于砂岩双面剪切试验,两侧裂纹开裂扩展与贯通并不同步,且一侧裂纹贯通破坏导致应力集中于另一侧垂直剪切面,使其微裂隙发育更加迅速,形成贯通性主裂纹耗时大大缩短;微裂纹起裂部位一般位于预定剪切面附近的某一点或几点,开裂后基本沿竖直加载方向发育、扩展,同时相距较近的各微裂纹相互作用,直至贯通;砂岩剪切细观裂纹扩展过程中,接近竖直方向的微裂纹转变为侧向分叉裂纹,垂直于竖直方向的微裂纹则停止扩展,破坏模式表现为绕行、钉扎、分叉抱行、诱导性分叉、欠劈、止裂、勾回等多种模式,以绕行及钉扎为主。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

混凝土单轴压缩蠕变试验的模拟研究

通过对混凝土试件进行数值模型重构,研究不同恒定轴向应力下混凝土轴向应变的变化、破坏模式以及微裂纹的倾角规律。主要结论为(1)轴向应力与失效时间符合幂函数关系,拟合得到混凝土的单轴压缩的长期强度为44.83 MPa,与瞬时抗压强度的比值为0.80;(2)在蠕变加载过程中,蠕变曲线大致可以分为3个阶段,即初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段,其中等速蠕变阶段持续时间最长;(3)在外部恒定荷载下界面过渡区首先萌生微裂纹,随后微裂纹逐渐扩展,最终贯通整个试件,发生单剪切面破坏或者"X"型共轭剪切破坏;(4)微裂纹倾角分布在两个集中范围,即40°~80°和130°~160°,许多微裂纹所组成的主破裂面是混凝土试件蠕变失稳破坏的最重要的因素。     

混凝土特性数值方法研究及CT试验

建立三维混凝土数值模型,确定了三维“数字混凝土”数值试验的加载方法及强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土强度特性、受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。得出可以用位移控制的数值试验的应力应变曲线的极值点作为数字混凝土的强度点;混凝土强度主要受界面和砂浆强度控制;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从骨料尖角处相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,说明混凝土的静态裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于试样的破坏面积,破坏面积越大强度越高。     

基于高速摄影的双预制裂纹大理岩加卸载试验

以大理岩作为试验材料,进行了45°双预制裂纹试件的单、双轴加载和侧向卸载试验研究。利用高速摄影设备记录试件中裂纹的起裂、扩展、贯通和完全破坏过程,结合理论分析得到:(1)3种载荷形式下试件的破坏过程可概括为4个相似的阶段;双轴加载试件的裂纹扩展形态和岩桥贯通方式与单轴加载和卸载有较大不同;卸载试件的裂纹种类和数目远比单轴加载时更多更复杂。(2)由裂纹类型判断在单、双轴加载时,剪应力对破坏起主导作用;卸载时,尤其破坏前阶段拉应力起主导作用。(3)定义新参数M-C有效剪应力M-C,根据其在裂纹尖端附近的分布规律判定新裂纹起裂的危险方位和区域,对比试验过程,得到与预制裂纹夹角约为-135°和45°左右的区域为新裂纹(带)产生的危险区。(4)加载时岩桥贯通是由剪应力引起,卸载时是由拉剪复合作用引起。     

花岗岩试件三点弯曲试验裂纹扩展数值模拟

通过运用岩石破裂过程分析(RFPA^20)系统，对花岗岩试样三点弯曲试验裂纹的扩展进行了数值试验。数值试验结果表明：在对花岗岩试样加载过程中，裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律，即该裂纹扩展为沿晶扩展；由于花岗岩本身的非均匀性，局部的裂纹扩展呈现出曲折性。数值模拟结果与相关试验结果具有较好的一致性。     

水泥砂浆水力劈裂试验研究

选用水泥砂浆作为试验材料,研究其在水力劈裂条件下的破坏特征。制作空心圆柱试件,在三轴渗流应力耦合试验仪上进行水力劈裂破坏试验,得到试件破坏时的应力状态没有满足整体的破坏条件。对此做了详细研究,认为之所以出现这种情况是因为材料不均匀。材料的不均匀引起了试件内部应力场分布不均匀。在处于高应力的某些点上,首先达到破坏条件(拉剪破坏条件),出现微裂纹。微裂纹出现以后,应力集中显著,微裂纹沿裂尖继续扩展,直到整体劈裂,试件破坏。文中建议用材料非均匀系数描述这种非均质材料的破坏特性。非均质系数越大,材料发生低应力状态破坏的可能性越大。     

混凝土试件内压作用下破裂过程试验

内压作用下混凝土的破坏时有发生，对其破坏过程的研究就显得特别重要。提出了应用东北大学CRISR自主研发的材料破裂过程分析系统(MFPA)对在三个孔压共同作用下的破裂过程进行数值试验方法，并在此基础上进行了物理试验。与数值试验的破裂结果进行比较。结果表明：数值模拟结果与物理试验结果有较好的一致性．通过数值试验再现了模型破坏的全过程，可以观察到物理试验无法准确观测的裂纹的萌生、扩展直至破坏的过程以及破坏过程中的声发射现象，为混凝土破坏过程研究提供了一种新方法，同时为防止混凝土内压作用引起的裂缝控制有参考作用。     

观音岩水电站混凝土梁三点弯曲试验的数值模拟

以观音岩水电站现场切割的坝体混凝土梁为物理模型,利用真实破坏过程分析软件RFPA3D对该混凝土梁进行三点弯试验的数值模拟,观察并分析混凝土裂缝的起裂、扩展直至试件宏观破坏的整个过程,将数值模拟得到的混凝土梁不同开裂过程对应的声发射、抗弯强度以及断裂破坏模式与现场物理试验结果对比分析,发现混凝土梁的三点弯曲数值试验得到的破坏特征与现场试验结果基本吻合。研究结果表明该数值模型的实用性,为进一步研究观音岩水电站坝体裂缝形成机理和揭示坝体裂纹扩展规律奠定基础。     

建筑钢材GTN损伤模型参数识别

对Q345B热轧无缝钢管加工的光滑和缺口圆棒试件进行单调加载试验,获取其应力-应变关系、载荷-位移曲线及基本材料参数,研究GTN损伤模型参数取值范围,采用逆推法识别GTN参数,在ABAQUS中利用自编GTN损伤模型UMAT用户子程序实现圆棒试件试验过程的数值模拟,依据数值分析结果比较孔洞的初始体积分数f₀、形核孔洞体积分数f_n和表征材料失效时的孔洞破坏体积分数f _F三个损伤参数对断裂预测结果的影响。结果表明：试件失效点位置随着f₀和f_n的增大提前出现,而f _F越大,试件断裂后下降段斜率则越小,并据此确定Q345B热轧无缝钢管材GTN损伤模型参数,所识别参数可以较准确预测钢试件的断裂点。     

灰岩单轴压缩损伤演化试验研究

利用单轴压缩试验,研究了裂纹应变随加载速率的变化规律,得到了不同加载速率下黄龙灰岩的起裂应力。黄龙灰岩的起裂应力约为峰值强度的95%以上,裂纹起裂应力随加载速率增加而增加,而且加载速率越高,破坏后的岩石碎块的尺寸越小。根据岩石黄龙灰岩单轴压缩过程的声发射特征,得到了岩石内部微裂纹演化特征。随着裂纹的不断扩展,岩样出现了明显的损伤局部化现象。最后,利用滑移裂纹模型,分析了黄龙灰岩动态损伤演化机制,得到了加载速率与裂纹起裂应力的关系,同时获得了临界裂纹长度与加载速率的关系。     

混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究

为了研究混凝土材料的细观结构破坏机理,将其视为由骨料、界面、水泥浆和孔隙组成的复合材料。利用微焦点工业CT对试件进行扫描,获得高精度CT图像。通过图像处理与分割,应用Mimics软件建立三维数值模型,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟并与试件单轴压缩CT原位扫描试验进行对比。结果表明:试件内部界面是其薄弱部位,裂纹首先在界面处产生,沿界面扩展到水泥浆,同时裂纹也会穿过部分骨料,最终贯通形成破裂面。通过对比发现数值模拟高应变区的萌生、扩展、联通与试件单轴压缩CT试验的破坏过程以及最终的破裂面形状都具有一致性,表明该建模方法是可行性。该模型能够充分反映试件内部真实结构特征,为数值方法研究混凝土材料细观特性提供了建模手段。