加载条件下裂隙间相互作用对断续裂隙岩体变形的影响

裂隙岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙,同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。为此利用位错模型法、叠加原理和伪力的Lengdre 多项式展开研究了加载情况下裂隙间的相互作用问题。利用该方法可以计算弯折裂纹和平行排列的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹相互作用对应变的影响。给出了许多复杂的算例,对单一断裂和X 断裂问题,计算结果表明单一断裂比X 型断裂更不稳定;对平行排列的弯折裂纹,应变依赖于裂隙的几何形状、几何和物理参数。含单一断裂岩体的应力应变曲线和裂隙的几何和物理参数有关。     

含共面裂隙群砂岩强度与破裂特征的试验研究

节理岩体力学行为是地下工程稳定分析及支护设计的基础。采用岩石力学伺服试验机对含充填共面裂隙群砂岩试样进行单轴加载试验,分析了连通率和充填方式对砂岩强度及变形破裂特征的影响规律。试验结果表明:裂隙砂岩的力学性能较完整砂岩呈现出显著的劣化,且随着裂隙连通率的增大,峰值强度、峰值应变及弹性模量均逐渐减小;试样破裂过程中预制裂隙尖端先后出现Ⅰ类张拉裂纹和Ⅱ类剪切裂纹,但最终的失稳破裂面由II类裂纹扩展形成,Ⅰ类裂纹和Ⅱ类裂纹与预制裂隙的夹角随着裂隙连通率的增大逐渐增大;受充填方式的影响,裂隙砂岩的强度及变形特征均呈现出显著增大的趋势,而弹性模量提升幅度相对较小。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

基于DIC技术的沥青混合料断裂特性实验研究

开裂是钢桥面铺装层的主要破坏形式。为研究钢桥面沥青混合料断裂特性及裂纹扩展规律,通过小梁三点弯曲实验,应用数字图像相关方法(DIC)图像采集系统采集试件从加载到破坏的全过程图像。利用非接触式全场应变测量系统(VIC-2D)计算试件在加载过程中的位移场和应变场,并分析出裂缝萌生、发展的规律。结果表明:沥青混合料从相对较弱的胶浆区或胶浆-粗集料界面区开裂和发展;当胶浆-粗集料界面与裂纹发展方向垂直时,粗集料对裂纹的发展有阻断作用;胶浆裹覆细集料的运动轨迹与胶浆的运动轨迹一致。     

裂隙岩体的损伤本构模型探讨

从岩体合大量做裂隙的情况出发,考虑岩石的变形初始非线性及其破坏以前的变形特征,建立了类似于Leckie等人形式的损伤演变方程,并根据岩体所含孔隙度的不同提出了不同的模型。     

基于GDEM的交叉节理岩体破坏数值模拟研究

交叉节理是广泛存在于岩土工程中的一种不连续体,其受荷后裂隙扩展对岩土工程的安全性具有重大影响。该文对不同工况下的交叉节理试件在单轴压缩试验的断裂过程进行了模拟研究,分析了交叉节理岩体的破坏模式、裂纹扩展速率、峰值强度随节理角度的变化规律。研究结果表明：岩体起裂位置主要发生在主节理或次节理尖端,裂纹扩展方向与加压方向平行。当次节理为β=30°、β=60°时,主节理倾角改变对岩体的峰值强度影响规律相近,次节理为30°的试件达到峰值前的变化相近,达到峰值后表现出不同的软化特征。研究结果对深入认识交叉节理岩体破坏模式有一定意义。     

基于离散元法的脆性岩石细观蠕变失稳研究

为从细观角度探究脆性岩石的蠕变失稳过程及失稳机理,该文基于三维颗粒流程序（PFC3D）考虑岩石的时效变形损伤过程,引入岩石细观单元时效损伤的应力腐蚀模型,建立了基于离散元方法的岩石时效变形损伤破裂模型,并通过单轴压缩及单轴蠕变的室内实验和数值模拟对比验证了所建立的时效变形损伤破裂模型的合理性。数值模拟再现了岩石的初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段,同时模拟结果表明,在单级加载条件下,随着应力水平提高,稳态蠕变应变率显著增大,岩石蠕变失效时间逐渐缩短,初始轴向应变、初始侧向应变和初始体应变不断增大,且细观裂纹扩展形式与单轴压缩破坏形式基本相同,都是以拉伸裂纹为主,裂纹的增长速率随着时间增加而不断增大,尤其在第三蠕变阶段裂纹增长速率迅速增大;在分级加载试验过程中,模型的轴向应变、侧向应变和体应变以及裂纹最终扩展形态与单级加载基本相同;此外将三维蠕变模拟结果与二维模拟结果进行对比,结果显示三维模型拟合程度更高。     

基于离散元法的脆性岩石细观蠕变失稳研究EI北大核心CSCD

为从细观角度探究脆性岩石的蠕变失稳过程及失稳机理,该文基于三维颗粒流程序(PFC3D)考虑岩石的时效变形损伤过程,引入岩石细观单元时效损伤的应力腐蚀模型,建立了基于离散元方法的岩石时效变形损伤破裂模型,并通过单轴压缩及单轴蠕变的室内实验和数值模拟对比验证了所建立的时效变形损伤破裂模型的合理性。数值模拟再现了岩石的初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段,同时模拟结果表明,在单级加载条件下,随着应力水平提高,稳态蠕变应变率显著增大,岩石蠕变失效时间逐渐缩短,初始轴向应变、初始侧向应变和初始体应变不断增大,且细观裂纹扩展形式与单轴压缩破坏形式基本相同,都是以拉伸裂纹为主,裂纹的增长速率随着时间增加而不断增大,尤其在第三蠕变阶段裂纹增长速率迅速增大;在分级加载试验过程中,模型的轴向应变、侧向应变和体应变以及裂纹最终扩展形态与单级加载基本相同;此外将三维蠕变模拟结果与二维模拟结果进行对比,结果显示三维模型拟合程度更高。     

混凝土单轴压缩CT观测及三维变形场计算分析

利用微焦点工业CT对混凝土试件单轴压缩过程分阶段进行原位扫描,获得相应的系列CT图像。由数字体散斑法（Digital Volumetric Speckle Photography,DVSP）获得了试件内部三维位移场与应变场。混凝土内部非均匀细观结构可以作为散斑结构成为变形信息的载体用于试件内部变形的测量;通过位移场和应变场的分析,揭示了试件内部变形局部化区域的演化及破坏过程,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。根据试件的体积应变随轴向应力的变化曲线分别定义了小于CT尺度微裂隙和CT尺度裂隙的发育点,分别为峰值应力的54.7 %和82.0 %,这两点同时对应着试件扩容的起始点及塑性变形的起始点。结果表明,DVSP与CT技术相结合能够直观地揭示混凝土试件内部变形局部化产生及发展过程,为三维变形的精细测量及可视化提供了方法。     

基于VIC-3D技术的沥青混合料界面力学特性实验研究

为研究沥青混合料开裂及裂缝发展规律,通过SBS改性沥青混合料半圆试件三点弯曲实验,基于数字图像相关技术,利用VIC-3D(video image correlate,3D)采集系统对试件从加载到破坏全过程进行图像采集,并利用VIC-3D软件计算得到试件在受弯拉过程中三维位移场、应变场的变化及变化速率,分析并得出裂缝出现及发展规律;利用扫描电子显微镜对开裂试件断口进行观察,结合位移场、应变场及其变化速率揭示了试件开裂及裂缝发展的机理。结果表明,利用水平方向应变随时间变化规律可探究裂缝的发展轨迹;沥青混合料的开裂和裂缝发展沿沥青砂浆与粗集料的界面区发生,且趋向于表面情况相对差的集料的界面区;裂缝发展速率与界面区的厚度有关,可根据界面区厚度的代表值预测裂缝发展速率。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

裂纹面动摩擦作用对脆性材料动力破坏的影响EI北大核心CSCD

基于岩石类材料的I型裂纹模型,提出了一种考虑裂纹密度、裂纹相互作用以及裂纹面动摩擦作用的脆性材料动力模型。以正方形阵列分布的裂纹为例,定量分析了不同裂纹密度及不同摩擦行为对试件的裂纹扩展过程、试件受力和破坏的影响。数值计算结果表明:随着裂纹密度增大,裂纹间的相互作用增强,试件破坏时的加载应力降低,惯性效应引起试件轴向附加应力增大。裂纹面的滑动会降低裂纹面的动摩擦系数,促进裂纹发展,并降低试件的强度。相对于常数摩擦系数,考虑速度及状态依赖型摩擦模型对裂纹面的滑动过程更为合理。动强度因子对比结果显示出试件明显的应变率效应和尺寸效应。     

冲击荷载作用下非贯通节理岩体细观破坏模式研究

地应力作用下节理岩体的动态力学特性及对应力波传播规律的影响对深部地下工程的稳定性有着重要影响,采用颗粒流离散元软件(PFC2D)建立了含非贯通节理岩体的冲击作用数值模型,并通过与室内试验的对比验证了模型的有效性.通过对不同节理倾角、节理长度非贯通节理岩体的冲击压缩仿真试验,分析了岩体的变形特征、破坏模式及应力波传播规律.结果表明:随节理倾角从15°增加至75°,岩石强度呈现先减小后增大的近"V"字型变化规律,节理试件始终处于拉伸主导作用下,并在45°倾角时拉伸作用最为明显;随着节理长度的增大,岩体的初始损伤增大,动态抗压强度减小.15～25 mm"短"节理试件的贯通破坏由反翼裂纹主导,而30～35 mm"长"节理试件是在反翼裂纹和共面裂纹共同作用下断裂破坏.     

岩石类材料裂隙形成和扩展的相场方法模拟

相场方法通过定义一个连续分布函数来近似表示自由不连续裂纹,在此基础上建立最小能量变分框架,从而得到描述裂纹发展的控制方程。不需要提前设定裂纹的形状、尺寸和方向,相场方法就能很好地描述裂纹的形成和扩展,为利用数值方法模拟裂纹扩展提供了一个严谨准确的理论框架。该文首次将相场方法用于模拟岩石裂隙扩展问题,预测包含不同岩桥倾角的预制双裂隙岩石类材料在单轴压缩作用下的损伤和破坏过程,并与室内试验结果进行对比。结果表明相场方法非常适合模拟岩石类材料内部复杂裂隙的萌生、扩展和连接过程,在岩体工程稳定性分析领域具有广阔的应用前景。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。     

平行裂隙群岩体强度与破裂特征的试验研究

为考察含平行裂隙群岩体的强度特征及裂纹扩展规律,结合数字照相量测系统,对不同裂隙倾角下类岩石试样进行了单轴压缩试验。试验结果表明,受裂隙群的影响,试样的力学参数发生一定的劣化,峰值应力和弹性模量的劣化程度分别在10.84%~35.62%和9.79%~54.17%;随着裂隙倾角的逐渐增大,试样峰值应力呈现出先减小后增大的“U”型变化特征,θ为45°时达到最小值。试样破裂形式与裂隙倾角θ 密切相关,θ为15°和30°时,次生裂纹以倾斜裂纹和中部裂纹扩展为主,试样失稳破坏模式主要由倾斜裂纹主导;而θ为45°、60°和75°时,次生裂纹主要为翼裂纹和共面裂纹,且试样失稳破裂模式主要取决于共面裂纹。     

基于数字散斑相关法的紫外老化沥青混合料界面开裂特性

利用数字图像相关技术(DSCM)针对紫外光老化的沥青混合料(HMA)半圆试件弯拉试验中裂纹产生及扩展规律从细观角度进行表征,运用Vic-3D分析软件对沥青混合料半圆试件进行全场位移、应变计算,得到试件破坏过程的位移场、应变场。结果表明:通过对紫外光照的沥青胶浆、集料及界面水平方向应变场的对比分析,发现界面为沥青混合料最薄弱处,最易产生裂纹;进一步通过水平方向应变随载荷变化曲线的变化对HMA开裂时间进行分析,可以更好地将HMA微裂缝开裂时间与宏观裂缝开裂时间加以区分,且紫外老化后的HMA试样界面开裂时间明显缩短。同时,将相同的紫外老化前后的橡胶粉(CR)改性HMA试样与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性HMA试样的位移随载荷变化规律进行对比发现,经紫外老化后的CR改性HMA比紫外老化后SBS改性HMA具有更强的抗开裂能力及持荷能力。      

水分与冻融环境下岩石动态拉伸试验及细观分析

利用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率及冻融环境下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察(SEM),立足于细观尺度分析断口形貌特征,并对断口裂隙网络进行量化处理。试验结果表明:饱水、冻融循环处理均会削弱岩样的静动态拉伸强度,其中动态拉伸强度表现出显著的应变率增强效应;基于动态拉伸强度定义软化系数与抗冻系数,该软化系数随应变率的增长近似指数下降,而抗冻系数随应变率的增长近似指数上升;红砂岩破坏断口细观形貌特征主要有3类,分别对应不同的宏观力学性质。以裂隙网络的面积作为损伤变量,探究动态劈拉破坏中的水-应变率效应、冻融-应变率效应对岩石内部损伤扩展的影响,并基于此分析了不同状态下红砂岩的动态劈裂破坏机理,对寒区岩体工程的建设、后期维护具有一定指导意义。     

碳纤维编织复合材料弯曲损伤破坏声发射监测

为研究碳纤维编织复合材料的弯曲损伤与破坏行为,结合声发射(AE)与数字图像相关(DIC)方法互补实验技术,对复合材料在四点弯曲载荷作用下的失效过程进行监测,动态获取AE特征信号和对应的散斑图像,并根据DIC算法得到复合材料在加载过程中的全场变形和应变。结果表明:AE信号在碳纤维编织复合材料中近似呈指数衰减,与谐振式AE传感器相比,宽频带式AE传感器表现出更好的测量性能;复合材料弯曲加载前期,无明显损伤出现,AE信号较少,对应的位移场和应变场变化平稳;复合材料弯曲破坏对应较高持续时间、幅度和相对能量的AE信号。复合材料损伤演化过程的AE响应行为及对应位移场、应变场的变化反映复合材料的变形与损伤破坏过程,为碳纤维编织复合材料的无损评价、健康监测与失效分析提供借鉴。