冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析

 寒区饱水裂隙岩体受反复冻融作用影响,沿裂隙端部出现裂纹萌生、延展、偏转、分叉等现象,造成裂隙端部局部化区域损伤,进而诱发端部断裂造成岩体整体失稳。现采用相似材料配制0°,30°,45°,60°,90°的单裂隙类砂岩试样,并对裂隙内部充分饱水,展开10,20,30,50次冻融循环试验,而后观测裂隙端部区域在不同裂隙倾角、冻融循环次数下局部化损伤效应差异规律。藉此,对裂隙岩体在冻融循环作用下的局部化损伤效应进行分析,并结合断裂力学应力叠加理论,验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律。结果表明：(1) 冻融循环作用下单裂隙岩体存在局部化损伤效应,按照局部区域宏观裂纹发育状况,可将裂隙端部划分为：断裂区、渐进损伤区、系统损伤区;(2) 随着裂隙倾角增大,冻融循环过程造成的局部化损伤效应越不显著,对应的声波波速值越大;(3) 冻融循环过程中,主要在30°,45°,60°斜裂隙岩体出现主裂纹分叉、偏转现象;(4) 裂隙角度愈缓,冻融循环作用造成的主裂纹偏转现象越早产生,偏转方向逐渐趋于水平,且沿初始裂隙走向的延展长度越短;(5) 冻融循环引起局部化损伤在上下端部存在差异,裂隙下端部较早发生宏观断裂,且倾角越大,差异现象越明显。研究将为冻融作用下裂隙岩体局部损伤及端部断裂演化规律提供技术参考。     

裂隙岩体锚固止裂的数值模拟研究

 压剪应力作用的裂隙岩体其裂纹尖端附近将产生较大的塑性屈服区，从应变角度出发研究裂纹的扩展路径，应用等效应变与降温法施加锚索的预应力，依据裂纹最短塑性区距离判据对不同倾角裂纹的锚固止裂机制进行有限元模拟，比较有无预应力锚固条件下不同倾角裂纹尖端的强度因子与应变变化及裂纹面上下中节点的位移错动规律。研究结果表明：当裂纹倾角为30°～60°时，预应力锚索对岩体的加固作用明显；裂纹倾角为45°时，预应力锚索锚固影响作用最明显，此时裂纹尖端的应力、应变集中现象得到削弱，裂纹尖端附近的塑性应变梯度减小；裂纹倾角为0°，90°时，裂纹尖端的最小塑性区距离值比相应的未锚固条件下的值大，裂隙岩体预应力锚索锚固时对岩体的压缩效应远大于其剪切效应。     

裂隙倾角及数目对岩体强度和破坏模式的影响

为研究不同裂隙倾角和数目下低强度岩体强度和变形破坏特征,对含不同预制裂隙的类岩石材料试件进行常规单轴压缩试验。结果表明:(1)低强度岩体峰值强度随裂隙数目增加而减小,随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角0°的三裂隙试件单轴压缩强度最低;(2)除90°裂隙试件外,随裂隙数量增加,试件弹性模量减小,而轴向峰值应变先增大后减小;(3)随裂隙倾角增大,试件弹性模量和轴向峰值应变总体呈“凹型”变化,最小值发生在30°裂隙试件,且大倾角裂隙试件(α>45°)的轴向峰值应变对裂隙倾角敏感程度大于小倾角裂隙试件(α<45°);(4)随裂隙数目增加,低强度岩体的破坏模式变化趋势:脆性破坏→塑性破坏→塑性流动变形破坏。     

塑料套管现浇混凝土桩倾斜对承载性能影响的模型试验研究

 通过模型试验研究竖直桩与倾斜角度为5°,8°,10°和15°倾斜桩的承载性能,分析倾斜对塑料套管现浇混凝土桩(以下简称TC桩)单桩承载力、桩顶沉降、桩身水平位移、桩身弯矩、桩身轴力及侧摩阻力和端阻比的影响。模型试验结果表明：(1) 当TC桩倾斜度不大于8°时,对承载力和桩顶沉降影响不明显,对于倾斜10°,15°的桩,承载力明显降低;(2) 倾斜桩桩身水平位移和弯矩主要发生于1/3桩长范围内,且均随着荷载和倾角的增加而增大;(3) 竖直桩及各倾斜桩的侧摩阻力随深度的增加呈先增大后减小的趋势,随着倾角的增大桩极限侧摩阻力的平均值略有增大,侧摩阻分担比较大;(4) 端阻力和端阻比基本随荷载的增加而增加,随倾角的增加而减小。采用Origin软件应用Sigmoidal函数拟合,得出模型桩极限承载力随桩体倾角的计算公式,并根据现场实测数据,给出现场应用时修正系数的取值范围。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

Auswirkung von monotoner und zyklischer Belastung auf die Undichtheit eines Tankbodenecks

Effect of monotonic and cyclic loading on the leaking of a shell to bottom attachment of a tank. The welded shell‐to‐bottom joint of a vertical liquid storage tank is one of the most endangered parts of a tank. Either filling as well as emptying or an earthquake excitation may lead to an uplift yielding high plastic strains near the welding seam of the shell to bottom attachment. Penetration notches near welding seams usually appear initiating a crack in the notch root. This crack may grow and cause leaking of the tank. A geometrically as well as materially non‐linear finite element model for two relevant geometrical settings (tall tank and broad tank) is developed and combined with the crack driving force (J‐integral) investigation for cracks in the root of notches with given depths. For monotonic loading the calculated J‐integrals are compared with experimentally found J‐integral‐crack elongation values to find out the critical notch and/or crack depths. Due to cyclic loading the Low Cycle Fatigue concept for a growing crack in the notch root is applied. In addition, a damage indicator analysis is performed. These results are combined to find out whether the junction suffers leakage due to intensive plastic deformation combined with crack propagation.     

预制裂隙类岩石材料的分步卸载试验研究

采用聚乳酸(PLA)树脂材料预先充填开挖卸载区域、预埋云母片的方法制作类岩石裂隙试件,利用聚乳酸的热熔特性进行了分步开挖卸载试验研究。结合微裂纹扩展过程、发育形态、破坏面受力特征以及卸载破坏的应力应变关系,分析了预制裂隙在分步卸载下的起裂、扩展及贯通破坏机制。研究结果表明,靠近开挖断面的预制裂隙尖端最初起裂有拉伸裂纹和剪切裂纹,且极易与开挖断面贯通,而远离开挖断面的尖端最初起裂均为拉伸型翼裂纹。法向应力较低时,裂纹扩展所需的卸载步较多,更易引起裂隙尖端拉伸裂纹的扩展;法向应力较高时,裂纹扩展所需的卸载步较少,更易引起剪切裂纹的萌生与扩展。翼裂纹拉伸贯通与次生倾斜裂纹拉剪复合贯通的速率较慢,表现出明显的塑性屈服特性,而次生共面裂纹的剪切贯通速率较快。     

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。     

基于DIC方法的地聚合物混凝土断裂过程分析

为了量化研究地聚合物混凝土断裂过程参数的演化过程,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法及夹持引伸计法对含初始缺口粉煤灰基地聚合物混凝土试样在三点弯曲加载过程中的裂缝口张开位移(CMOD)、裂尖张开位移(CTOD)及裂缝扩展长度进行测试与计算分析.结果表明:DIC测试的裂缝口张开位移与夹持引伸计测试值吻合较好,试样经历了起裂、裂缝的稳态和亚稳态扩展及失稳破坏阶段;基于DIC测试的裂尖张开位移与基于弹性等效的理论计算吻合较好,但基于DIC裂缝扩展长度的测试值与弹性等效裂缝扩展长度的计算值之间存在较大偏差,导致这一差别的主要原因是由于地聚合物混凝土与水泥混凝土一样存在断裂过程区.     

基于DIC技术和无网格法的裂尖应变场分析方法

针对数字图像相关(DIC)技术难以获得精准的裂纹尖端应变场问题,提出一种基于DIC技术和伽辽金无网格法(EFG)的混合方法来分析裂尖应变场.该方法基于DIC技术导出场节点建立无网格模型,采用EFG法结合衍射法表示裂纹不连续性,进而计算全场应变值.以Q235qE钢材制成的紧凑拉伸(CT)试样为例开展了准静态循环拉伸试验,...     

三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明:裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力 应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。     

埋地管道的裂纹扩展分析

该文采用有限元软件 ADINA,模拟具有初始裂纹等缺陷的管道破坏情况,同时建立管道的三维 Rupture模型,结合数值分析结果得出不同的结论,建立实体模型,在裂纹路径及初始缺陷都已知的情况下采用软件中的Frac-ture模块分析裂纹扩展问题。在已知初始裂纹的前提下,利用回路J 积分的动态守恒探讨二维模型的平面应变特性,通过实验结果证实了裂纹开裂以及扩展路径与理想的弹塑性材料破坏时比较吻合,也证明了理想弹塑性材料屈服理论符合实际工程需要。     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

低温下结构钢材裂纹尖端张开位移的变化规律

裂纹尖端张开位移 (CTOD)是材料断裂分析的重要判据指标。在GB T 2 35 8- 94金属材料裂纹尖端张开位移试验方法中 ,根据加载曲线的不同形式可以获得 5种不同的特征CTOD值。随着温度的降低 ,结构钢材的韧性降低 ,试验曲线的形状变化 ,可测得的特征CTOD值也不相同。本文在三种结构钢材低温下裂纹尖端张开位移试验的基础上 ,分析了各特征CTOD值随温度降低的变化规律     

海洋钢结构韧性问题与CTOD试验技术

论述海洋钢结构韧性问题的本质及重要性,介绍CTOD（裂纹尖端张开位移）概念、CTOD试验主要规范,海洋钢结构中若干与CTOD有关的规范,CTOD试验技术在海洋钢结构中的3种主要用途：控制质量、提高生产效率、降低建造成本。     

锚杆抑制临空结构面扩展的试验研究

通过试验研究受压作用下临空结构面的扩展特点以及锚杆的作用。试验中,模型材料为石膏,用钢板预制生成的裂纹来模拟结构面,采用铜丝、铝丝、保险丝来模拟不同刚度的锚杆。采用应变片来量测裂纹尖端的应力集中现象,利用电阻应变仪来读取应变与压力值。试验在压力机上完成。研究结果表明,随着压力的增大,临空结构面存在翼裂纹的张拉破坏与次生裂纹的剪裂纹破坏两种形式。结构面的倾角越大越容易产生翼裂纹的扩展;小倾角结构面更容易产生次生裂纹的剪切破坏方式;锚杆作用可增强结构体的力学性能,降低裂纹尖端的应力集中现象,提高裂纹尖端裂纹的起裂荷载;锚杆并不改变裂纹的起裂角度,但使翼裂纹扩展的方向向深部偏移,从而加大因翼裂纹而造成的剥离体的厚度,减缓翼裂纹的扩展速度。试验在一定程度上揭示了锚杆对监空结构面加固机制。     

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究

 岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其断裂面的细观形态变化,可以间接地反映岩石内部损伤演化进程,并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描,总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征,建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析,采用判断标准对其细观形貌判别,得到断裂面的拉剪应力分布权重,探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时,断裂面以拉应力为主,且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小,剪应力权重逐渐增大;当裂纹倾角大于45°时,其结论与前述结论相反;预制裂纹倾角为45°时,拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式,翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡,次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。     

结构钢材基于CTOD的裂纹扩展阻力曲线的低温试验研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是材料断裂分析的重要判据指标。在钢材韧性较好的时候,随着裂纹的扩展,构件的承载力也会有所提高,说明随着裂纹扩展,裂纹尖端的断裂韧度有所升高。裂尖断裂韧度与裂纹扩展量的关系曲线称为裂纹扩展阻力曲线。裂纹扩展阻力曲线反映了构件断裂过程与构件的断裂模式、承载力的有关系。本文根据结构钢材低温断裂试验的结果,分析了常用结构钢材的低温条件下基于CTOD指标的裂纹扩展阻力曲线,试验结果可为钢结构断裂设计提供依据。     

岩石闭合裂缝的压剪断裂形态

介绍了对含闭合裂缝岩石试件在达到峰值压剪荷载时卸荷的裂缝断裂形态观察结果。结果表明,原有闭合裂缝已张开;裂缝尖端区域岩石晶粒已破碎,并可见碎粒剪切错动与偏转;次生裂缝组的走向与微裂区的形状呈不对称的桑叶状,与张开裂缝（切口）尖端岩石断裂形态相似;岩石压剪主剪断面沿该破裂区上部边界扩展。     

Application of the expanded distinct element method for the study of crack growth in rock-like materials under uniaxial compression

The expanded distinct element method (EDEM) was used to investigate the crack growth in rock-like materials under uniaxial compression. The tensile-shear failure criterion and the Griffith failure criterion were implanted into the EDEM to determine the initiation and propagation of pre-existing cracks, respectively. Uniaxial compression experiments were also performed with the artificial rock-like samples to verify the validity of the EDEM. Simulation results indicated that the EDEM model with the tensile-shear failure criterion has strong capabilities for modeling the growth of pre-existing cracks, and model results have strong agreement with the failure and mechanical properties of experimental samples. The EDEM model with the Griffith failure criterion can only simulate the splitting failure of samples due to tensile stresses and is incapable of providing a comprehensive interpretation for the overall failure of rock masses. Research results demonstrated that sample failure primarily resulted from the growth of single cracks (in the form of tensile wing cracks and shear secondary cracks) and the coalescence of two cracks due to the growth of wing cracks in the rock bridge zone. Additionally, the inclination angle of the pre-existing crack clearly influences the final failure pattern of the samples.