相对切口深度对混凝土断裂性能影响试验研究

以双K断裂模型为理论基础,采用混凝土标准三点弯曲梁试件,通过试验测得相对切口深度a0/h为0~0.6的5组试件的起裂荷载P_(ini)、断裂荷载P_(max)及临界裂缝口张开位移CMOD,计算得到起裂韧度K_(Ic)~(ini)、K_(Ic)~(un)断裂韧度,并使用立体显微镜对破坏后的混凝土进行切口尖端裂纹以及断裂面观察,探究其裂缝开展情况,以分析相对切口深度对混凝土断裂性能的影响。结果表明:相对切口深度越大,则试件起裂越早,而起裂荷载与断裂荷载的比值随初始缝高a_0的增大无明显变化,初始缝高对起裂荷载和断裂荷载的影响呈线性相关;起裂韧度和断裂韧度随着相对切口深度的增大无明显减小趋势,两者的比值随相对切口深度也无明显变化,即双K断裂参数取决于材料本身固有特性,与切口深度无关;混凝土断裂过程复杂,存在明显的亚临界扩展阶段,该阶段裂纹绕开骨料发展,整个断裂过程中裂缝扩展路径呈现出曲折型。     

楔入式紧凑拉伸法确定混凝土的断裂能

本文采用楔入式紧凑拉伸法,对6组不同高度的36个楔入式紧凑拉伸试件进行了断裂试验,研究混凝土断裂能的确定方法和尺寸效应。根据断裂功的计算原理用所测得的荷载与裂缝张开口位移曲线,分别采用幂函数和指数函数拟合得到的尾部曲线对断裂能的贡献,计算出试件的断裂能。结果表明,两种函数拟合得到的尾部曲线有所不同,由此所计算出的断裂能也有一定差异,200mm高的试件的断裂能略小,当试件高度大于300mm后,断裂能不随试件高度的增大而变化,各种尺寸试件断裂能的平均值为204N/m。可认为采用本文试验方法所确定的断裂能在试验的试件高度范围内基本上是常值,无明显尺寸效应。     

小骨料混凝土双K断裂参数的试验测定

双K断裂模型以起裂韧度和失稳韧度来描述混凝土裂缝扩展过程，《水工混凝土断裂试验规程》将双K断裂模型作为该规程的基本理论依据，并将该模型的双K断裂参数作为试验规程要求测定的基本断裂参数。为配合该规程的制定，本文进行了19个三点弯曲梁试件和25个楔入劈拉试件共43个试件的断裂试验，对小骨料混凝土双K断裂参数的起裂韧度和失稳韧度进行直接试验测定。所有试件均为同批浇注相同级配，最大骨料粒径为10mm，试验中采用了电阻应变片法作为确定起裂荷载的参考。结果表明，起裂荷载与最大荷载之比为0.67～0.71，起裂韧度与失稳韧度之比为0.45～0.50，变化较稳定；楔入劈拉试件高度大于等于400mm、三点弯曲梁试件高度大于等于200mm时，起裂韧度与失稳韧度基本为常数，但同组试件之间具有一定的离散性；两种试件形式的韧度值有一定的差异。根据本文试验数据计算得到的裂缝尖端开口位移临界值较断裂韧度参数更容易受到试件尺寸的影响，楔入劈拉试件高度大于600mm时，其值为0.056～0.070mm；三点弯曲梁试件高度大于300mm时，其值为0.040～0.047mm，比较稳定。     

不同初始缝高比的混凝土断裂试验及边界效应分析

为了解决直接法(轴向拉伸试验)和间接法(劈裂拉伸试验、弯曲拉伸试验)测试抗拉强度的试验结果相差较大的问题,通过不同初始缝高比早龄期混凝土的楔入劈拉试验,基于已有的Hu-Guan边界效应理论模型,拟合得到两个真实的断裂参数——断裂韧度和抗拉强度,然后基于双K断裂模型,根据试验测得的起裂荷载、峰值荷载及临界裂缝张口位移值,计算初始缝高比为0.05～0.70共8组试件的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度。结果表明:Hu-Guan边界效应模型拟合计算得到的抗拉强度值与劈裂抗拉试验值相差4.85%,得到的断裂韧度值介于双K模型计算范围内,验证了已有的边界效应模型适用于确定混凝土材料的真实断裂参数;起裂断裂韧度不受初始缝高比的影响,失稳断裂韧度在0.05≤α≤0.4范围内随初始缝高比的减小而增大,在0.4≤α≤0.6范围内,其值为一常数,在0.6≤α≤0.7时,其值有明显的下降趋势。     

用边界效应理论考虑断裂韧性和拉伸强度对破坏的影响

采用边界效应理论,研究了断裂韧性和拉伸强度对材料与结构破坏的影响。边界效应模型中通过引入等效裂缝,可同时反映试件前边界与后边界对断裂特性的影响;基于等效裂缝与特征裂缝的比值,即可判断试件处于强度准则、韧度准则或准脆性断裂等何种破坏模式。边界效应模型不仅适用于线弹性断裂条件,而且适用于弹塑性断裂分析,解决了ASTM规范及RILEM规范的局限。鉴于ASTM规范确定材料断裂韧度对试件初始缝长与试件尺寸等的严格限制,本文基于边界效应理论,建立了由RILEM规范中小尺寸试件确定材料断裂韧度与拉伸强度的方法,相关试验成果证明了所提方法的合理性与适用性。     

边界效应与尺寸效应模型的本质区别及相关设计应用

本文研究了边界效应模型(BEM)与尺寸效应模型(SEM)的本质区别及设计应用功能。研究发现:对于SEM,不同缝高比α的试件须应用4个不同的多参数经验方程,且SEM仅限于试验数据拟合功能。BEM仅有唯一解析解,一方面,可由试验数据拟合确定材料参数——断裂韧度KIC和拉伸强度ft;另一方面,可由已确定的KIC和ft建立描述结构破坏的完整设计曲线。基于BEM,进一步分析了试件到结构变化(尺寸高度W从25到25000 mm),对材料3种破坏模式(ft强度控制、KIC韧度控制、准脆性断裂)的本质影响规律。理论研究表明:对于裂缝非常长和尺寸非常大的结构,已满足线弹性断裂条件,因而无须采用尺寸效应模型。尺寸效应的研究仅可应用于裂缝尖端靠近前边界或者后边界的情况,尺寸效应仅为边界效应的特例。最后,基于W依次为40、93、215和500 mm,α依次为0、0.02、0.075、0.15和0.3的混凝土三点弯曲梁的断裂试验成果,采用BEM系统分析了不同试验数据的组合情况对材料参数KIC和ft确定的影响规律。试验结果分析表明:当试验数据满足一定数量后,从整体数据中任意删去1组或2组数据,采用BEM确定的KIC和ft变化较小而基本一致。由不同尺寸W而相同缝高比α的几何相似试件,或不同缝高比α而相同尺寸W试件的峰值荷载Pmax,都可确定出材料参数KIC和ft。本文所提BEM为解决由小尺寸试件确定无尺寸效应的材料参数,及由材料参数预测实际结构破坏等问题提供了新的思路。     

不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件断裂过程试验研究

为探讨不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件断裂过程的差异性及其尺寸效应,设计了高度为0.25 m、0.30 m、0.40 m、0.50 m的4组16根不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件,对其进行全过程断裂试验,并分析了荷载~张口位移曲线、起裂和失稳荷载、起裂和失稳韧度等断裂参数的变化。结合双K断裂韧度计算方法,得到不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件的起裂韧度和失稳韧度。结果表明:不同尺寸混凝土试件断裂过程具有差异性;起裂韧度不随试件高度的增加而变化,失稳断裂韧度随试件高度的增加而增大。试件高度从0.25 m增加到0.50 m时,失稳韧度增加了0.40 MPa·m1/2。     

边界效应确定混凝土断裂能的简化计算

从试件边界条件对韧带上断裂性能分布的影响出发,合理假定局部断裂能的光滑连续曲线分布,给出了与试件尺寸无关的混凝土断裂能及边界效应参数的计算模型。以不同高度的三点弯曲梁试验数据进行了分析计算并讨论了试件尺寸的选取问题。结果表明用两个试件尺寸就可以确定与试件尺寸无关的混凝土基本断裂参数,从而简化了模型中对多个试件尺寸的要求,但只有适当选取试件的两个尺寸,才能正确给出混凝土的断裂能和边界效应参数。     

龄期对碾压混凝土双K断裂参数影响的试验研究

为了研究龄期对碾压混凝土双K断裂参数的影响,制作了龄期为28,60,90 d共18个楔入劈拉碾压混凝土试件并进行了断裂试验,结合双K断裂参数公式,得到了不同龄期试件的有效裂缝长度、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度等断裂参数,并分析了龄期对碾压混凝土断裂性能的影响。试验结果表明:起裂荷载和失稳荷载均随龄期的增大而增大,且起裂和失稳荷载的比值趋于稳定,伴随着龄期的增加,起裂荷载占失稳荷载的比重越来越大;龄期从28 d增加到90 d,起裂和失稳断裂韧度分别增加了0.216 0 MPa·m^1/2和 0.292 2 MPa·m^1/2,起裂和失稳断裂韧度的比值基本在0.5~0.6;有效裂纹长度随龄期的增大而减小,相同尺寸下,龄期越小,裂缝亚临界扩展量越大,试件的韧性越好。     

含空洞缺陷混凝土试件楔入劈拉性能分析

为研究空洞缺陷对混凝土楔入劈拉性能的影响,将空洞缺陷等效为相应纵向截面高度的损失量,并推导了含空洞缺陷混凝土楔入劈拉断裂参数的计算式,同时利用改进型测试装置进行了8组共32个试件的楔入劈拉性能试验,分析研究了空洞尺寸及其位置变化对试件楔入劈拉性能的影响规律。结果表明,起裂荷载、失稳荷载、起裂张口位移和失稳张口位移都随着空洞尺寸增大(直径0~120 mm)而降低,降幅分别为43.59%,23.75%,39.85%,54.50%;空洞缺陷对混凝土的起裂韧度影响较小,但却会明显降低混凝土失稳韧度,随着空洞尺寸增大,其降幅达到46.20%;空洞位置对混凝土断裂特性的影响跟裂纹扩展路径相关,当裂纹经过空洞时会降低相关参数,当其远离空洞区域时,则影响较小。     

岩体裂隙传导系数研究

本文采用流体力学方法研究了粗糙裂隙和充填裂隙的水流特性，证明了单一裂隙的有效隙宽小于平均隙宽，且依赖于平均隙宽的均方差。研究了充填裂隙接触面积对流态的影响，论证了一些经验公式的局限性和有效性，对各种单宽流量公式的偏差进行了分析。     

粘土体裂隙效应中的分形几何现象

根据分形理论，研究了成都、合肥粘土体裂隙效应中存在的分形几何现象，表明裂隙空间展布、极点分布、土样强度的尺寸效应等均具分形结构。计算结果表明，成都粘土的分维值普遍大于合肥粘土，同时还探讨了成都裂隙性粘土体变形模量E0与其空间展布分维值Dk的相关关系。     

碾压混凝土断裂试验研究

本文为研究碾压混凝土断裂特性,对沙牌拱坝碾压混凝土试件进行了三点弯曲梁断裂试验和剪切断裂试验研究,获得了试件的断裂韧度KⅠC、KⅡC和断裂能GF。试验中应用光纤传感检测技术,对试件开裂进行监测,研究结果表明,经处理后的二次涂覆单模光纤对碾压混凝土试件的开裂较敏感,当试件开裂时光强突变减弱,随着裂缝开度增大光强逐渐降低,试件断裂时光纤断裂。光纤的埋设工艺是实用上需要研究解决的重要技术环节。     

Evolution of limestone fracture permeability under coupled thermal,hydrological, mechanical,and chemical conditions

The effect of temperature on the rock fracture permeability is a very important factor in the prediction of the permeability of enhanced geothermal systems and in reservoir engineering. In this study, the flow-through experiments were conducted on a single limestone fracture at different temperatures of 25℃, 40℃ and 60℃, and with differential pressures of 0.3 MPa and 0.4 MPa. The experimental results suggest a complex temporal evolution of the fracture aperture. The aperture increases considerably with increasing temperature and reduces gradually to a steady value at a stable temperature. The results of three short-term experiments （QT-1, QT-2, QT-3） indicate an exponential relationship between the permeability and the temperature change ratio （△T/ T）, which provides a further evidence that the rising temperature increases the aperture. It is shown that the changing temperature has its influence on two possible accounts： the chemical dissolution and the pressure dissolution. These two processes have opposite impacts on the fracture permeability. The chemical dissolution increases the permeability with a rising temperature while the pressure disso- lution reduces the permeability with a stable temperature. These make a very complex picture of the permeability evolution. Our results show that the fracture permeability reduces 39.2% when the temperature increases by 15℃ （during the 25℃-4℃ interval） and 42.6% when the temperature increases by 20℃ （during the 40℃-60℃ interval）. It can be concluded that the permeability decreases to a greater extent for larger increases in temperature.     

岩体裂隙水流的运动规律

对岩体裂隙水流运动规律进行了探讨。分别导出了Forchheimer渗流方程中系数a，b的表达式，它既适用于充填裂隙水流，又适用于非充填裂隙水流。大量试验表明，该式还适用于描述线性和非线性渗透运动。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元(EFE)模型,使用离散裂隙网络(DFNs)技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

土体Ⅱ型断裂韧度测试方法研究

Ⅱ型断裂破坏是土体断裂破坏的基本类型之一,Ⅱ型断裂韧度的测试方法是目前研究土体Ⅱ型断裂破坏性状的难点.首先介绍了各种Ⅱ型断裂韧度测试方法的基本原理和方法,然后针对土体的特点,分析了各种方法用于测试土体断裂韧度的可行性和可靠性.重点分析了前人用于测试土体Ⅱ型断裂韧度的非对称四点弯曲试验方法,在此基础上,提出了一种新的土体Ⅱ型断裂韧度测试方法.新方法采用结构简单、易于制样的单侧开缝方形土饼试样,直接施加剪切荷载,使得试样在纯Ⅱ型加载条件下发生断裂破坏,从而确保了试验结果的可靠性.     

楔入劈拉试验支承形式对混凝土断裂韧度的影响

针对楔入劈拉试件支座位置的不同,包括双线支座与单线支座,分析不同竖向荷载对断裂性能参数测试可能造成的影响,并通过试验数据进行验证。通过分析比较,认为对于实验室进行混凝土楔入劈拉试件的常用尺寸,支承体与传力装置所传荷载在一个竖向平面内可抵消竖向荷载和一部分构件自重,从而得到较为接近真实值的断裂性能参数。     

循环加载历史对混凝土断裂特性影响的试验研究

本文研究了循环加载历史对混凝土断裂韧度及断裂能的影响。用楔入劈拉试验对混凝土试块施加频率为１０Ｈｚ的高频预加拉伸荷载，测出荷载－位移全过程曲线，通过与未承受加载历史的混凝土准静态断裂参数比较，发现当预加拉伸荷载强度超过一特定值后，混凝土的抗裂能力显著降低，因此，混凝土的断裂参数不是独立于加载历史的物理量。     

THE CHARACTERISTICS AND ESTIMATION OF FLOW THROUGH A SINGLE ROUGH-WALLED FRACTURE

The flow through a single fracture is numerically studied by means of the Fluent Software. The results show that the roughness of the fracture significantly affects the hydraulic conductivity in the fracture as compared with the cubic law model widely used to describe the flow between two smooth parallel plates. A new model is proposed in this paper, the non-symmetric sinusoidal fracture model, to simulate the flow in a real fracture. This model involves two sinusoidal-varying walls with different phases to replace the flat planes in the cubic law model. The relationships between the effective hydraulic apertures and the phase retardation for different relative amplitudes and wavelengths are numerically investigated. A simple expression of the effective hydraulic aperture of the fracture is obtained, together with the law of the effective hydraulic aperture against the amplitude, the phase retardation and the wavelength of two sinusoidal-varying walls.