人字形切槽巴西圆盘Ⅰ型渐进断裂数值模拟研究

对国际岩石力学学会(ISRM)建议的I型断裂韧度测试人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)试样进行细观损伤力学模拟,考虑不同切槽宽度、试样几何、力学参数与材料非均质性等,直观获悉其渐进断裂过程。通过模拟的应力和声发射分布,对CCNBD量纲一的应力强度因子标定基于的穿透直裂纹等假设进行严格评估。结果表明:无论岩石材料是否均质,人字形韧带中的裂纹前缘均为曲线形,并不符合传统方法基于的穿透直裂纹假设,而且人字形韧带越狭长的试样,裂纹前缘弯曲越严重;利用模拟得到的临界裂纹保守地标定临界量纲一的应力强度因子,发现传统方法所得结果比真实值偏小5%~10%;CCNBD易从人字形韧带尖端厚度边缘起裂,为了使真实断裂路径更符合测试原理,建议制作和选取较小切缝宽度的试样。数值模拟结果表明,应该重视测试试样的真实渐进断裂机制,量纲一的应力强度因子标定宜考虑更真实的断裂特征,以获取准确的断裂韧度值。     

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。     

北山花岗岩断裂力学行为及其声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对北山花岗岩试样开展静态加载和循环加载两种加载方式的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)试验,旨在研究不同加载方式下北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。测试结果表明,北山花岗岩在静态加载下的平均断裂韧度值为1.180 MPa·m^1/2,循环加载下的平均断裂韧度值为1.153MPa·m^1/2,循环加载下岩石的断裂韧度降低了2.3%。通过循环加载试验证实了亚临界裂纹扩展的存在,并发现循环加卸载并不会改变CCNBD试样的破坏模式,试样仍保持脆性特征。结合力学特征曲线和声发射特征,对静态加载及循环加载下CCNBD试样的裂纹扩展过程进行分析,深化对不同加载方式下的CCNBD试样断裂特征的认识。     

标定ISRM岩石断裂韧度新型试样CCNBD的应力强度因子

国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics--ISRM)在1995年提出一种新型的岩石断裂韧度试样——人字型切槽巴西圆盘试样(cracked chevron notched Brazilian disc--CCNBD)。但是，该试样的重要力学参数即无量纲应力强度因子的标定尚有问题。针对此关键问题进行深入的研究，获得了该试样新的更准确的标定值。采用大型商业有限元软件ANSYS，引入了ANSYS子模型法和局部裂纹子模型法进行三维应力强度因子的计算。结果表明，子模型方法具有很高的精度和适用性。在计算了CCNBD试样的无量纲应力强度因子以后，还综合比较了前人相关的一些结果。从理论分析的角度证明了所得结果是合理可靠的。     

细观组构特征对含U型切槽岩石梁断裂特性的影响规律

为了揭示细观组构特征对岩石断裂特性的影响规律，基于临界距离理论，建立含U型切槽岩石梁表观断裂韧度KIN与固有断裂韧度KIC、临界距离L以及切槽半径ρ的理论关系，提出确定KIC与L的新途径。采用离散元数值方法，通过构建不同矿物晶粒粒径、不同非均质性的岩石晶粒离散元模型，开展含U型切槽岩石梁的三点弯曲数值模拟实验，结合理论分析结果，获得岩石表征断裂韧度、固有断裂韧度与临界距离；分析矿物晶粒尺寸与非均质性对岩石断裂韧度与临界距离的影响规律。研究结果表明：通过数值实验直接测定的岩石断裂韧度、临界距离值与理论求解得到的结果相符，数值实验具有较高的可靠性。细观组构特征对岩石的断裂特性具有显著影响，随着矿物晶粒尺寸增大，岩石的断裂韧度KIC逐渐减小，临界距离L逐渐增大；随着岩石非均质性的增大，断裂韧度KIC与临界距离L逐渐减小。     

简讯

国际岩石力学学会(ISRM)的试验方法委员会,在向国际岩石力学界广泛征求意见的基础上,并四易其稿之后,于1988年发表了由ISRM试验方法委员会推荐采用的“岩石断裂韧度测定方法”。原文载于Int.J.Rock Mcch.Min.Sci. & Geomcch.Abstr.,第25卷(1988),第2期上。《国际地震译丛》1991年第6期上刊载了此文的中译稿。由于原稿较长(中文近4万字),该刊在发表时删节了一些内容,但主要内容都被保留。     

岩石Ⅰ/Ⅱ复合断裂韧度测试的单边切槽深梁试件:数值分析与标定

提出一种用于岩石材料I/II复合断裂韧度测试的新试件——单边切槽深梁(SENDB)试件,使用有限元法对新试件I(II)型无量纲应力强度因子YI(YII)及无量纲T应力T*进行系统研究和数值标定。研究结果证实SENDB试件可方便地通过调整裂纹倾角?、裂缝长度a和支座间距2S实现从纯I型到纯II型任意I/II复合度荷载作用下的岩石断裂韧度测试。与现有弯曲类试件对比分析表明:(1)SENDB试件与经典的单边切槽梁(SENB)试件在几何尺寸和岩石复合断裂韧度测试方法上存在显著差异,SENDB试件是通过调整裂缝倾角实现复合加载,而SENB则是通过移动裂缝位置(无法实现纯II型加载)或四点弯曲试验(加载装置复杂)实现复合加载;(2)因可方便地加工系列尺寸(包括大尺寸)的试件,新构形相比圆盘类试件在尺寸效应研究方面略有优势;(3)与国外学者新近提出的ECT试件相比,SENDB试件可选择的量纲一的裂缝长度和量纲一的支座间距范围要更宽泛;(4)为了实现从纯I型到纯II型整个区间的复合断裂测试,对SENDB,SCB和ECT三种试件,均应使用较小的支座间距或较长的裂缝。     

两种混凝土断裂韧度的Bazant尺度律分析

选用两种不同性质混凝土的三点弯曲梁试验数据,用材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)推荐的方法,得到了材料有效断裂过程区长度和真实断裂韧度的值,从而确定了两种混凝土试件各自断裂韧度的Bazant尺度律公式.用公式分别预测了几何相似较大尺寸试件的断裂韧度值,与试验测试值相比,两种材料试件的误差均不超过5%.结果表明,Bazant尺度律公式揭示了混凝土类准脆性材料试件断裂韧度尺寸效应的规律,能很好地预测试件断裂韧度的测试值,并且预测精度几乎不受试件材料性质变化的影响.     

用直切槽巴西圆盘试样柔度法确定岩石的弹性模量

利用线弹性断裂力学的柔度法标定技术，建立了用直切槽巴西圆盘（ＣＳＴＢＤ）试样确定岩石拉伸弹性模量的方法。采用三维等参边界元法对ＣＳＴＢＤ试样几何进行标定，获得了仅依赖于试样几何的无量纲弹性柔度Ｅ′ＣｓＢ，其中Ｂ是已知试样厚度，Ｃｓ是弹性柔度，Ｅ′是待定的拉伸弹性模量，通过试验测得Ｃｓ就可确定出Ｅ′。对取自四川某地灰岩进行了两种不同尺寸ＣＳＴＢＤ试样的弹性柔度测试，进而计算出岩石弹性模量。结果表明，用建议方法计算出岩石弹性模量与按照ＡＳＴＭ标准进行单轴拉伸试验所获得的拉伸弹性模量比较，二者吻合较好。在试验中尺寸效应不明显。此方法还能够获得岩石断裂韧度ＫＩｃ。     

单调及循环加载下大理岩断裂特性研究

基于大理岩的室内基本力学试验,使用PFC~(3D)获取一组真实反映大理岩特性的细观参数。在此基础上对大理岩人字形切槽圆盘(CCNBD)模型分别进行单调和循环加载,研究不同荷载作用下大理岩的应力分布及断裂韧度、裂纹扩展规律。研究结果表明:逐级和等幅2种循环荷载作用下,大理岩的Ⅰ型断裂韧度均有不同程度降低,且峰后会产生明显的应变软化阶段,发生亚临界裂纹扩展;循环荷载作用下试样的裂纹扩展存在明显初期、稳定、加速3个阶段,微裂纹在加载初期增加明显,裂纹扩展速率稳定,在稳定阶段裂纹扩展速率逐渐降低,最后加速阶段裂纹扩展速率逐渐增大,裂纹数目快速增加直至破坏;拉力链分布相对于单调加载更集中在韧带两端和圆盘两边。     

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH

MODE II AND MIXED MODE I-II ROCK FRACTURE RESEARCH@于海勇$黑龙江科技学院!教授     

不同赋存深度岩石的动态断裂韧性与拉伸强度研究

按照国际岩石力学学会试验规范以及工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99),对不同赋存深度的玄武岩试件分别进行动态断裂韧性测试和单轴拉伸强度测试,得到动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在一定的关系;并从岩石破坏的力学机制角度,分析动态断裂韧性与拉伸强度之间存在联系的根本原因:两者均是由于岩石内部微裂纹受到拉应力作用而引起微裂纹的扩展、互相贯通,从而导致岩石的破坏。根据动态断裂韧性与拉伸强度之间可能存在的关系,可以由拉伸强度的测试结果推测试件的动态断裂韧性值,将大大简化动态断裂韧性测试的繁琐性。     

岩石Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ混合型断裂研究

For the mode I rock fracture toughness measurement, three standard methods have beenrecommended by the ISRM, but there has not been a standard method for the determination of mode II and mixedmode I-II rock fracture toughness. However mode II and mixed mode I-II fracturing of rock structures is morecommonly observed than mode I in various geological and structural engineering settings. So it is of greatimportant to thoroughly research these rock fracture problems and establish a standard method for determining themode II or mixed mode I-II fracture toughness for rock materials. Based on the progress made for mode I rock fracture research, the cracked chevron notched Brazilian disk(CCNBD) specimen was also introduced for mode II and mixed mode I-II rock fracture toughness measurement.When the crack is orientated at an angle with respect to the diametrical loading, the crack of the CCNBD specimenis exposed to the mode II or mixed mode I-II stress distribution conditions. The solutions for stress intensityfactors in the vicinity of the crack tip have been evaluated by the stepwise superimposition technique. In order tomake sure that the theoretical analysis is correct, numerical calculation method has been employed to calibrate thetheoretical results. It has been proved that the theoretical results yielded by the dislocation method are correct andreliable. According to the characteristic that the propagation of the crack in the CCNBD specimen is in its own planeand application of the energy superposition principle, the stress intensity factor of the mixed mode I-II has beendefined in dimensionless terms as Y≠mix = [(Y1*)2 + (Y*11)2]1/2. It was found that the curve of Y*mix was concave. Thereexists a lowest point which corresponds to the maximum external load and indicates the crack has reached itscritical state. Since the values of Y*mix, Y*1 and Y*II are only dependent on the specimen geometry(α0, α1, αB and θ), the critical values of Y*mix, Y1* and Y*II can be to known as long as the CCNBD specimen isprepared ready. It is only necessary to record the maximum load during the fracture tests. The fracture locus is very useful to know whether the crack in a rock structure has reached its criticalcondition. According to the amount of practical fracture testing data obtained, the rock fracturing locus was foundto be(K1/KIC)3/2+(Ku/kuc)3/2 =1 and the S-critical criterion was found to be more suitable for rock mixed mode I-IIfracturing assessment.     

用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究

根据国际岩石力学学会建议采用的岩石断裂韧度测定方法,用短棒试件在Instron 1342型电液伺服控制材料试验机上测定了无烟煤准静态I型断裂韧度,其断裂韧度值在位移速率较低时提高较大,但随位移速率的提高有逐渐趋于稳定的趋势。从载荷-COD曲线图中分析了无烟煤断裂时,载荷出现跳动的原因,根据载荷跳动情况可以确定三角形韧带开始起裂时间。根据计算结果得出:试件加工几何上的误差对无烟煤断裂韧度值影响不大,造成的误差最大只有2.4%;但对弹性模量值的影响较大,造成最大的误差达到13.3%,同时用图解法得到了无烟煤的非线性度大于0.4。     

用RILEM方法得到混凝土断裂韧度的尺度律

用两种不同配合比的混凝土制作了几何相似的直裂缝矩形截面三点弯曲梁,在MTS 815材料试验机上测试这两种混凝土的力学参数并记录了三点弯曲试件的荷载-加载点位移和荷载-裂缝端口张开位移的全过程曲线。用最大荷载和初始裂缝长度求得的断裂韧度KIC存在明显的尺寸效应,对此问题,用材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)推荐的方法分别得到两种混凝土材料的真实断裂韧度和有效断裂过程区长度,从而确定了混凝土断裂韧度的尺度律公式。从该公式能直接得到材料大尺寸试件的断裂韧度和断裂过程区长度,还能预测同材料的试验室尺寸下几何相似试件的断裂韧度测试值。     

Fracture toughness anisotropy in granitic rocks

Four relatively fine grained and homogeneous granitic rocks have been studied to investigate the relationship between their microstructural properties and fracture toughness behaviour. The apparently homogeneous rocks have been found to exhibit strong anisotropy in terms of microcrack distribution and their orientation. The fracture toughness values for these rocks, measured with the cracked chevron notch Brazilian disc method (CCNBD), varied from 0.71 to 1.89 MPa m^0.5, with similar variation observed within the same rock type depending on the specific fracture plane studied. The relationship between these variations and the corresponding microstructural properties along specified planes has been investigated in detail to show a strong correlation between the two. Further confirmation is provided by taking into account the seismic velocity anisotropy observed along the same specified directions. The nature of these variations and their effect on the resulting fracture path and surface are discussed. The results clearly show the difficulty in assigning a unique value of fracture toughness to rocks and rock-like materials without cognizance of their microstructural characteristics.     

Dynamic cracked chevron notched Brazilian disc method for measuring rock fracture parameters

The cracked chevron notch Brazilian disc (CCNBD) method is widely used in characterizing rock fracture toughness. We explore here the possibility of extending the CCNBD method to dynamic rock fracture testing. In dynamic rock fractures, relevant fracture parameters are the initiation fracture toughness, the fracture energy, the fracture propagation toughness, and the fracture velocity. The dynamic load is applied with a split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. A strain gauge is mounted on the sample surface near the notch tip to detect the fracture-induced strain release, and a laser gap gauge (LGG) is used to monitor the crack surface opening distance (CSOD) during the test. With dynamic force balance achieved in the tests, the stable–unstable transition of the crack propagation crack is observed and the initiation fracture toughness is obtained from the peak load. The dynamic fracture initiation toughness values obtained for the chosen rock (Laurentian granite) using this method are consistent with those measured using other methods. The dynamic fracture initiation toughness is in the range 2.5–4.6 MPa m^1/2 and the propagation fracture toughness is in the range 7.1–10.6 MPa m^1/2, which is consistently larger than the initiation toughness.     

Stanstead花岗岩动态断裂性能

 采用一种新的方法研究Stanstead花岗岩的动态断裂性能,包括起裂韧度、断裂能、传播韧度和裂纹传播速度。该方法采用分离式霍普金森压杆加载的带预制裂纹的半圆盘三点弯试样,同时采用激光位移计监测试样的裂纹面张开位移。在动态力平衡的条件下,起裂韧度由准静态公式计算得到。通过裂纹面张开位移数据推算出2个碎片的残余动能,从而计算出平均传播断裂能和传播韧度。裂纹传播平均速度由黏接在试样上的一系列裂缝计测量得到。试验结果表明,该花岗岩的起裂韧度和传播韧度都与加载速率有关,传播韧度大于起裂韧度,传播韧度随着裂纹传播速度的提高而提高。通过裂纹传播速度和传播韧度的关系拟合得到材料的止裂韧度及裂纹传播极限速度。得到的Stanstead花岗岩与Laurentian花岗岩结果对比表明,Stanstead花岗岩颗粒较大,起裂、止裂韧度较小;Laurentian花岗岩颗粒较小,传播韧度较小,裂纹传播极限速度较大,裂纹容易传播。     

碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则研究

通过多组不同削弱度的深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝、穿透裂缝三种形式的碾压混凝土试件单轴拉伸试验结果,建立深埋矩形裂缝碾压混凝土试件的应力强度因子的近似解析表达式,考虑尺寸效应得到碾压混凝土材料的断裂韧度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝构造特点,分别将矩形诱导缝简化为修正穿透裂缝模型和修正深埋椭圆裂缝模型,假定为I型开裂,考虑相邻裂缝的影响,采用虚拟裂缝模型和线弹性断裂力学相结合的方法建立裂缝失稳扩展时的亚临界扩展量和等效断裂韧度的解析表达式,应用双K断裂准则,建立碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则。并将此结果应用到三维非线性应力场仿真计算中,对沙牌碾压混凝土拱坝进行非线性开裂计算分析。