冲击载荷下岩石试件破碎耗能的尺寸效应研究

能量转化在岩石变形破坏过程中发挥根本性的作用,研究并建立岩石破坏过程中能量消耗的变化规律,将有助于理解动载作用下岩石强度变化和变形破坏的本质特征.采用SHPB装置对不同直径的半巴西圆盘试样进行动态加载实验,从冲击因子的角度对岩石动态破坏的能量消耗、强度特征以及动态尺寸效应进行分析.实验结果表明:当试件尺寸一定时,岩石破碎时吸收能、起裂韧度和断裂能密度均随冲击因子的增加而线性增加;当冲击因子一定时,随试件尺寸的增大,吸收能、起裂韧度和断裂能密度均增大,具有明显的尺寸效应.采用冲击因子表示岩石的变形破坏具有更好的工程适用性.     

岩石类准脆材料的起裂韧度与加载率关系的物理机理研究

基于岩石类准脆性材料的力学特性和动态裂纹尖端的应力场解析解,利用摩尔强度准则计算出了裂纹尖端断裂过程区的形状及尺寸,确定了岩石类材料动态裂纹尖端的断裂过程区面积和裂纹扩展速度之间的关系.进而利用尺寸效应公式,推导出了岩石的起裂韧度和加载率之间的关系.结果表明,岩石类材料裂纹尖端的断裂过程区的面积随着裂纹的扩展速度的提高而增大,从而推导出岩石的起裂韧度随着加载率的增大而提高.计算的岩石的起裂韧度对于加载率的依赖关系与实验结果基本定性吻合,说明理论模型的合理性.模型计算结果和实验结果有一定差距的原因,认为是模型没有考虑变形破坏的黏性效应所致,将在今后的研究中考虑黏性效应.     

PMMA断裂韧度尺寸相关性的实验研究

为了研究断裂韧度的尺寸相关性,采用中心裂纹圆盘试件,在岛津材料试验机上对有机玻璃(PMMA)纯Ⅰ型、纯Ⅱ型准静态加载条件下的断裂行为进行了实验研究。结果表明,PMMA的断裂韧度与试件的裂纹相对长度α相关,且在试验尺寸范围内I型断裂韧度KIc和Ⅱ型断裂韧度KⅡc均随α增加而降低;KIc受α的影响相对较大,而KⅡc受α的影响相对较小。PMMA的Ⅱ型断裂韧度KⅡc小于I型断裂韧度KIc。     

轴压下GFRP管-混凝土-钢管组合柱的尺寸效应

为了研究尺寸效应对GFRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的影响,在满足几何相似性的条件下,利用静力加载的方法对具有不同试件尺寸、不同混凝土强度等级的8根试件的轴压力学性能进行了试验研究.对8根组合柱试件的试验破坏现象、荷载-应变曲线、极限承载力以及应力值变化进行相应的分析比较,结果表明,随着试件尺寸的增大,试件抵抗变形能力减弱且尺寸效应明显,而增加GFRP管壁厚可以提高试件承载力、增强试件力学性能、减少尺寸效应的影响.     

岩石类材料变形破坏的时间空间特性

基于岩石类材料的内部构造层次模型和裂纹扩展速度的有限性,研究了岩石类材料变形破坏的时间和空间特性.研究表明,内部构造和和裂纹扩展速度的有限性对于岩石类材料的力学行为具有决定性的影响.岩石类材料强度的尺寸效应是不同尺度上单元界面强度的体现.岩石类材料强度的应变率效应是由于裂纹扩展速度的有限性所致超载所激活的小尺度单元界面的强度.基于Maxwell型应力松弛模型,建立了应变率与所激活的内部单元尺度之间的关系.基于这一关系,阐明了岩石类材料尺寸效应与应变率效应之间的内在联系.揭示了岩石类材料动力尺寸效应的物理机理,确定了应变率一定时,静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的临界试件尺寸,以及试件尺寸一定时静力尺寸效应和动力尺寸效应之间转换的临界转换应变率,结果与实验数据吻合,说明了模型的正确性.     

不同尺寸混凝土楔入劈拉试件双K断裂韧度试验研究与理论分析

为了研究不同尺寸的混凝土结构的断裂性能,设计了5组共20个不同截面高度的楔入劈拉试件进行混凝土断裂试验.改进了试验加载装置以抵消竖向力的作用,简化了分析计算.在双K断裂理论的基础上,采用应力强度因子叠加原理对不同截面高度的楔入劈拉试件的有效裂缝长度和双K断裂韧度进行了计算.试验结果表明:在200~700 mm设计的截面高度范围内,试件起裂荷载、失稳荷载及有效裂缝长度均随截面高度的增大而呈线性增大;起裂断裂韧度基本不受试件高度变化的影响;失稳断裂韧度在试件截面高度低于500 mm时表现出一定的尺寸效应,随试件高度增大而逐渐增大,当试件截面高度大于500 mm时其值趋于稳定,可认为是一个常数.     

岩石Ⅰ型断裂韧度测试技术和理论研究综述

岩石断裂韧度是用来表示岩石抵抗裂纹起裂和扩展能力的参数,它的测试比一般的强度测试存在更大的困难.介绍了Ⅰ型静态断裂韧度测试技术以及研究现状与进展,并提出一些关于测试方法的建议.指出圆盘试件在进行岩石断裂韧度的测试时,具有体积较小,加载方便,以及可以进一步实现Ⅰ型和Ⅱ型复合型加载的优点,不断发展和完善采用圆盘试件进行岩石断裂韧度的测试技术不仅是一项有意义而且十分迫切的工作.     

碾压混凝土断裂韧度尺寸效应的试验研究

进行了不同尺寸碾压混凝土三点弯曲试件的断裂试验。对实验结果进行分析,得到了碾压混凝土断裂韧度的尺寸效应规律。将碾压混凝土断裂韧度试验结果与已有的普通混凝土断裂韧度尺寸效应公式结合,通过对几种模型的计算结果的分析比较,得到了碾压混凝土所适用的断裂韧度尺寸效应公式。     

基于数值实验的节理岩体变形特性尺寸效应

借用有限元数值实验技术,通过节理随机概率模型生成0.4、0.6、0.8、1.0 m和1.1 m等5组不同尺寸的节理岩体试件,每个尺寸组10个试件.在5 MPa围压下,对试件轴向分级加载,获得同一尺寸下每个试件的应力-应变曲线,分析每组10条应力应变曲线及数据随试件尺寸的变化规律.分析结果发现:尺寸较小时,同组变形曲线比较分散,数据离散程度相对较大;随着尺寸的增大,曲线束积聚程度提高,数据离散性减小,这说明试件受力变形特性存在尺寸效应,可以获得该方法获取岩体变形特性的特征尺寸.     

钢纤维体积率对C30混凝土立方体抗压强度尺寸效应的影响

混凝土作为一种准脆性材料,其抗压强度存在尺寸效应现象.为了研究钢纤维体积率对混凝土强度尺寸效应的影响规律,对钢纤维体积率分别为0.00%,0.75%,1.50%,试件边长分别为100,150,200 mm的27组共计81块钢纤维混凝土立方体试件进行了立方体抗压强度试验.在Bazant混凝土尺寸效应律的基础上,提出了C30钢纤维混凝土尺寸效应计算公式,明确了钢纤维体积率对尺寸效应的影响,并根据钢纤维混凝土立方体抗压强度试验的结果进行验证.结果表明:钢纤维混凝土立方体抗压强度的尺寸效应会随着钢纤维体积率的增大而变得更加明显,本文建立的钢纤维混凝土尺寸效应计算公式能够较好地分析和预测在不同钢纤维体积率以及不同试件尺寸下的钢纤维混凝土立方体的抗压强度.     

基于NSCB石灰岩试样的加载速率和尺寸效应对其断裂韧度的影响研究

为研究试样不同尺寸和加载速率对岩石Ⅰ型断裂韧度试验值的影响,采用石灰岩制作圆盘直径30,50,75,100,150 mm 5种几何相似的中心直裂纹半圆盘试样(notched semi-circular bend,NSCB),在RMT-150B岩石力学试验系统上对NSCB试样进行5种加载速率(0.002,0.02,0.2...     

脉冲载荷影响岩石动态断裂韧性的有限元分析

依据岩石材料的力学性质以及中心裂纹圆盘试件在脆性材料断裂韧度测试方面的优越性,提出了在霍布金森压杆上使用中心裂纹圃盘试件来测试岩石动态断裂韧度的试验方法。利用有限元分析软件,通过对该试验系统的纯Ⅰ型加载情况下的三维动力学有限元计算,系统的分析了加载脉冲上升沿对岩石类材料动态断裂韧度测试的影响。通过比较中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解,依据有限元分析结果确定动载荷脉冲上升沿时间对岩石动态应力强度因子的影响,从而选择合理的时间值。     

混凝土抗压强度尺寸效应的神经网络预测模型

为了探究各影响因素对混凝土抗压强度尺寸效应现象的作用机理,从混凝土材料层面出发,建立基于BP神经网络的混凝土抗压强度预测模型.结合大量已有试验结果,建立可考虑试件形状、截面尺寸、高宽比、养护龄期、水灰比、水泥标号和粗骨料最大粒径等7个特性影响的人工神经网络模型.根据上述输入特征,对不同截面尺寸的混凝土抗压强度进行预测分析,并研究相关因素对混凝土抗压强度尺寸效应现象的影响程度.结果表明:1)水灰比对混凝土抗压强度尺寸效应的影响较大,其值越小,抗压强度的尺寸效应越明显;2)高宽比的增大会导致尺寸效应的增强,但当高宽比大于2时,尺寸效应趋于平稳;3)粗骨料粒径的增大会导致尺寸效应现象愈加明显,但其增长速度会随着粗骨料粒径的提高而不断降低;4)试件形状对于普通混凝土的抗压强度尺寸效应现象的影响可忽略.     

不同含水率混凝土断裂过程声发射试验研究

为研究不同含水率混凝土断裂过程的差异性,将干燥试件浸泡不同时间,使其达到不同含水率,基于声发射技术,对三点弯曲梁的破坏过程进行监测。通过比较声发射信号撞击计数、能量计数和振铃计数等不同发射信号来反映不同含水率对混凝土断裂过程力学性能的影响规律,并结合撞击计数、振铃计数和能量计数捕捉起裂荷载,进一步分析水分对起裂韧度和失稳韧度的影响。试验结果表明,相比于P-CMOD曲线,声发射参数变化能更加直观地分析水分对混凝土断裂过程的影响。随着含水率的增加,起裂前,撞击计数累计值呈现增大趋势,起裂后,声发射参数值、峰值以及累计值均呈现减小趋势;损伤演化起始门槛值随含水率的增大而降低,饱和试件较干燥试件最大下降64%;饱和试件断裂过程区宽度较干燥试件最大增大20.8%;     

混凝土双轴压缩强度尺寸效应机理

为了研究混凝土双轴强度尺寸效应产生的机理,考虑混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性源于其材料组成的非均质性,结合混凝土细观结构形式,从细观角度将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了尺寸分别为150 mm×150 mm、300 mm×300 mm和600 mm×600 mm的数值混凝土试件.首先通过对150 mm×150 mm方形混凝土试件进行单轴压缩力学特性模拟,采用反演法确定了界面过渡区的力学参数,进而对双轴压缩加载下混凝土的破坏行为及其尺寸效应进行了分析.研究结果表明:1)损伤破坏形式随试件尺寸发生变化,试件最终破坏消耗的断裂能不同是导致混凝土双轴压缩强度产生尺寸效应的主要原因;2)混凝土单、双轴压缩强度均存在明显的尺寸效应行为,并且Bazant尺寸效应律能够较好地描述混凝土在单、双轴压缩加载下的强度尺寸效应.     

内应力假说和脆性材料特性参数的尺寸效应(Ⅰ)

根据弹性力学、弹塑性力学和能量守恒定律等基本原理．从材料的非均一性、多相性出发,提出了内应力假说,建立了一组描述尺寸效应的方程,用内应力的概念,解释了强度随试件尺寸增加而减少的现象．该假说预言材料初始切线弹模会随试件尺寸加大而减小,并由此解释了多晶冰强度和弹模随冰晶粒径改变而改变的粒径效应现象,而且本假说的理论公式与实验结果吻合良好．同时还针对脆性材料的断裂机理,直接由理论推导得出已为大量试验结果证实的脆性材料拉压二轴受力的强度公式,可预言脆性材料的断裂及裂纹位置和解释试件的破坏形态等现象,可很容易地说明为什么尺寸效应在试件尺寸大到一定程度会消失．这是一个解释尺寸效应的全新理论,是目前力学界可以同时解释以上现象的唯一理论．     

地下洞室连续围岩岩爆定量预测模型

根据能量平衡理论,推导了岩爆能量公式,定量分析了地下洞室连续围岩岩爆区位置、面积及碎块弹射速度的影响因素。研究结果表明,围岩水平应力与竖向应力比值小于1,岩爆区面积和碎块平均弹射速度随侧压力系数增大而减小,否则反之。岩爆区面积随岩体峰值荷载前后模量比率系数、岩石颗粒直径、裂隙密度和岩石断裂韧度增大而减小,随泊松比增大而增大。碎块平均弹射速度随颗粒直径、泊松比和岩体峰值荷载前后模量比率系数的增大而减小,随岩石断裂韧度的增大而增大,随裂纹密度的增加先增加后减小最终趋于稳定值。     

高温后花岗岩断裂特性的加载速率效应研究

为考察温度和加载速率对花岗岩断裂特性的影响规律,对25~800℃之间5种温度水平高温后的中心直裂纹花岗岩巴西圆盘试样分别进行了5种加载速率下的室内劈裂试验.结果表明:圆盘的荷载-位移曲线呈现典型的脆性特征,但随温度的升高,脆性特征逐渐弱化,与加载速率相比,温度对曲线的发展趋势影响较大;随温度的升高,花岗岩断裂韧度逐渐减小且在400℃时发生突变;不同温度条件下断裂韧度随加载速率的增大逐渐增加,但增加幅度逐渐减小最终趋于平缓,具有明显的加载速率效应,提出了相应的经验公式KIC=A+B/(v+C),其中随温度的升高,参数A逐渐降低,参数B波动较小,而参数C逐渐增大,同时获得了花岗岩材料断裂韧度的下限值KIC0.     

内应力假说和脆性材料特性参数的尺寸效应(Ⅱ)

根据弹性力学、能量守恒定律以及内应力假说的基本原理,从材料的非均一性、多相性出发,建立了一组描述脆性材料强度指标和弹模指标尺寸效应的方程.利用本假说的理论公式与实验数据Weibull 理论作了对比,结果表明本假说的理论公式在描述材料强度尺寸效应时具有良好精度,可很容易地说明为什么尺寸效应在试件尺寸大到一定程度会消失.该假说认为内应力会受到试件边界面的释放, 称为内应力的边界效应,试件尺寸越大则边界面相对越小, 因而内应力场或者说内应力能会随试件尺寸加大而加大,边界效应在引起材料强度指标随试件尺寸加大而减小的同时, 还会引起材料初始切线弹模随试件尺寸加大而加大的弹模尺寸效应     

盐岩破坏中能量特征应变率效应颗粒流分析

为研究不同应变速率下盐岩损伤中的能量特征,结合室内单轴压缩试验和颗粒流程序(PFC-2D)进行不同应变率下盐岩模型模拟试验,分析盐岩模型的峰值强度,并运用岩石能量耗散理论分析不同应变速率下盐岩模型峰值强度处能量特征和单轴压缩过程中能量特征变化。结果表明:盐岩模型峰值强度随应变速率增加而增大;盐岩模型峰值强度处对应的总输入能量、可释放弹性应变能和耗散应变能均随应变速率的增加而增加;不同应变率下盐岩模型在相同压缩阶段能量特征变化基本相同,能量随轴向应变整体变化趋势受应变速率的影响较小;同一应变率下不同压缩阶段能量特征变化趋势不同,弹性阶段大部分外力功转化成可释放应变能;塑性阶段耗散应变能快速大幅增加;在破坏阶段耗散应变能持续增加,但弹性应变能出现降低。