岩石动态断裂性能的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应研究

目前对Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应的物理本质还没有解释清楚.利用霍普金森压杆系统(SHPB)对一种带预制裂纹的半巴西圆盘岩石试件进行加载,对比不同试件尺寸和不同应变率情况下试件的起裂韧度,探究岩石材料动态Ⅱ型尺寸效应和应变率效应的规律.结果表明:岩石起始断裂韧度随着加载速度的增大,近似呈线性增大,表现出明显的应变率效应;在相同的加载速度情况下,岩石的起始断裂韧度随着试件的尺寸增大而增加,且岩石断裂韧度的尺寸效应会随着应变率的增加而增强,即更高的加载速度会使得Ⅱ型能量型尺寸效应更明显.     

岩石压剪断裂及其强度特性分析

籍助于断裂力学的理论和有限元数值计算方法，分析了压剪断裂过程中裂纹尖端应力场的演变规律；修正了应力强度因子的有关计算式，建立了表征初裂的新的断裂准则；反映了裂纹几何尺寸、分布规律、裂纹面物理力学性质、岩石材料断裂韧度，以及围压效应对岩石压剪断裂的影响．     

裂纹起裂角预测方法研究

本文提出一个新的屈服准则,该屈服准则适用于岩石类材料的小范围屈服,旨在预测弹塑性材料的破坏行为,基于该屈服准则,推导出了I型,II型以及I-II混合型裂纹尖端塑性区半径并对在单轴拉伸和纯剪切等荷载作用下的裂纹尖端塑性区进行了分析。结果显示,荷载加载方式、裂纹倾斜角和材料内摩擦角对塑性区的形状与大小有显著影响。根据对裂纹尖端塑性区的分析,基于如下假设：裂纹沿塑性区最短路径扩展,本文在提出的屈服准则的基础上导出了新的断裂准则,该准则可预测裂纹开裂初始角。相较于其他断裂准则,文献实验结果与本文提出的准则吻合地更好,能更加精确的预测裂纹的起裂角。     

III型定常扩展裂纹尖端的黏弹性——理想塑性场

假设扩展裂纹尖端的人工黏性系数与塑性应变率的幂次成反比,推导出理想弹塑性材料的一种率敏感型本构关系.假定应力和应变都具有相同的幂奇异性,对定常扩展裂纹尖端的应力和应变场进行了渐近分析.通过量级分析,讨论了弹性、塑性及黏性3者的匹配条件.对Ⅲ型动态扩展裂纹进行了具体的分析和计算,讨论了解的性质随各参数的变化规律.对相应的准静态问题进行了渐近分析,通过与裂纹扩展速度趋于零时的动态解相比较,表明准静态解是动态解的特例,从而解决了无黏性分析中动态解不能退化为准静态解的矛盾.分析与计算结果表明,黏性效应是扩展裂纹尖端场的一个重要因素.     

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.     

Ⅲ型定常扩展裂纹尖端的黏弹性--理想塑性场

假设扩展裂纹尖端的人工黏性系数与塑性应变率的幂次成反比,推导出理想弹塑性材料的一种率敏感型本构关系．假定应力和应变都具有相同的幂奇异性,对定常扩展裂纹尖端的应力和应变场进行了渐近分析．通过量级分析,讨论了弹性、塑性及黏性3者的匹配条件．对Ⅲ型动态扩展裂纹进行了具体的分析和计算,讨论了解的性质随各参数的变化规律．对相应的准静态问题进行了渐近分析,通过与裂纹扩展速度趋于零时的动态解相比较,表明准静态解是动态解的特例,从而解决了无黏性分析中动态解不能退化为准静态解的矛盾．分析与计算结果表明,黏性效应是扩展裂纹尖端场的一个重要因素．     

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.     

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.     

砼压模剪切实验与数值分析

应用压模剪切加载方法对混凝土的Ⅱ型断裂破坏进行了实验和数值研究。计算了此加载下砼的Ⅱ型断裂韧度，对此加载下混凝土试件的裂纹扩展方式，断口形貌及裂纹尖端和两裂尖韧带上的应力分布进行了详细的分析，。认为压模剪切试件能有效抑制张拉裂纹的扩展，实现砼的Ⅱ型破坏。     

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.