用人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)确定岩石断裂韧度及其尺度律

国际岩石力学学会(ISRM)于1988年和1995年先后颁布了两种测试岩石断裂韧度的建议方法，其中1995年建议方法推荐的人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)尚不够完善。有鉴于此，用两种大理岩制作成CCNBD和ISRM1988年建议方法推荐的人字形切槽三点弯曲圆棒(CB)试样，分别在MTS810型材料试验机进行试验。结果发现，CCNBD试样测出的断裂韧度值比CB试样测出的断裂韧度值小，而重新标定关于CCNBD计算公式中的关键系数Ymin*后得出的断裂韧度值有一定改善。此外，基于内聚裂纹模型，对CCNBD试样用于岩石断裂韧度测试的尺寸效应问题进行了初步探讨，提出CCNBD试样的几何形状函数gαm，很好地解决了Bazant的尺度律用于CCNBD试样结构的非相似性问题，从而减小了试样尺寸对材料断裂韧度的影响。     

砂岩孔道试样压拉应力下强度和破坏的研究

 为研究岩石压拉应力下的强度和破坏,对外径50 mm、孔道6～25 mm的孔道圆柱试样进行不同轴压下的内压致裂试验,对外径50 mm、孔道4.6～20.0 mm的圆环进行巴西劈裂试验。试验结果表明：轴向应力低于单轴压缩强度80%时孔道试样在内压下拉伸破裂,压力与轴向应力没有明显关系;试样承载的孔道内压随孔道直径的增加而减小,孔壁的最大拉应力也随孔道直径的增加而略有减小,试样承载的平均切向应力随孔道直径明显增加;孔道试样能够承受的拉应力远大于巴西劈裂强度,如内孔直径25 mm 的试样可以承载10 MPa的内压,切向拉应力在内壁为17 MPa左右、外侧面为7 MPa左右,而6个完整圆盘的巴西劈裂强度最大值仅为6.17 MPa。内孔直径小于20 mm 的试样,因内压增大孔壁处岩石拉伸变形增大到极限、引起裂纹扩展,最终破裂成2块;而内孔直径25 mm 的试样,在内孔压力达到破裂压力时,孔壁处材料没有达到断裂所需要的变形,因而只有试样外侧也达到屈服应力才能整体断裂。承载非均匀应力的岩石结构需要考虑载荷和变形2个破坏指标。     

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。     

不同截面形状砂岩试样的力学特性试验研究

人们通常采用实心圆柱试样进行静态及动态加载试验分析岩石的力学特性,然而实际工程岩体中方形和空心圆柱体试样也很常见。为了研究不同横截面形状对岩石力学特征的影响,本文对相同高度和横截面面积的完整圆柱试样、方形试样和厚壁圆筒试样进行单轴压缩试验和声发射检测。试验结果表明,方形截面菱角、厚壁圆筒试样孔道自由面有利于岩石的局部变形,方形试样强度比实心圆柱体试样偏低6.2%而比厚壁圆筒试样偏高10.0%,方形试样弹性模量分别比实心圆柱体试样和厚壁圆筒试样偏低4.7%、2.8%。实心圆柱试样和厚壁圆筒试样在单轴压缩过程中峰值强度之前可释放弹性能占吸收总能量比值比方形试样大,耗散能所占比值比其小。实心圆柱试样和厚壁圆筒试样破坏以张拉复合破坏为主,方形试样出现了“沙漏”状的破坏形式,试样菱角处都出现明显的剪切面。研究结果为理解岩石的失稳破坏提供了参考。     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的实验研究

为了获得岩石在高加载速率作用下的动态断裂韧度值并分析加载速率的影响,由分离式霍普金森压杆入射杆杆端附加劈尖及其基座对边切槽圆盘试样施加动态劈裂载荷。把应变片粘贴在裂纹尖端附近获得裂纹扩展时间;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元计算模型,获得试样的起裂动态断裂韧度值。结果表明,在加载速率18.85×104MPa.m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度值随着加载速率的增大而上升,但上升趋势逐渐减弱。断裂韧度数值在高加载速率下呈现出明显的离散性。     

水作用下砂岩断裂力学效应试验研究

 消落带是库岸边坡稳定的敏感地带,在库水位反复升降作用下,岩石的断裂韧度变化规律对库岸边坡的稳定性十分关键。以三峡库区典型库岸边坡砂岩为研究对象,针对库岸边坡消落带的实际赋存环境,设计长期浸泡和浸泡–风干循环作用2种试验方案。试验结果表明：(1) 长期浸泡和浸泡–风干循环作用下砂岩试样有明显“变软”的趋势,其断裂韧度、抗拉强度和抗压强度劣化趋势基本一致,劣化幅度在试验初期较为明显,后期逐渐趋于平缓;(2) 各力学参数劣化的幅度差别较大,其中,断裂韧度劣化最快,抗拉强度次之,抗压强度劣化相对较慢;(3) 比较而言,在浸泡–风干循环作用下,砂岩的各力学参数劣化趋势更加明显,说明在模拟库岸边坡消落带水–岩作用时,浸泡–风干循环作用是不可忽略的因素。研究成果对大量存在的库岸边坡稳定性分析具有重要参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

洞室围岩三种破坏形式的试验研究

 为探讨洞室围岩的破坏过程和机制,进行拉断裂和远场断裂破坏、V型坑破坏及分区破裂化3种破坏形式的试验研究。试验中采用平面和空间加载方式对预制洞室模型进行加载,通过白光散斑数字相关方法和声发射对模型洞室围岩的破坏过程进行监测,进而对3种破坏形式的形成机制进行分析。拉断裂和远场断裂破坏试验表明：远场断裂产生的力学机制主要是以拉应变集中,即拉断裂为主,拉压联合作用的结果;V型坑破坏试验表明：洞室围岩从局部破坏发展形成V型断裂区,后续断裂从V型断裂区尖端形成,向洞室围岩深部扩展;分区破裂化试验表明：洞室围岩深部的环向断裂是从洞室边界的局部破坏区尖端开始,向洞室围岩深部扩展,并在洞室边界与围岩深部环向断裂之间形成完整的没有破坏的区域。     

基于机器学习的含充填裂隙岩样断裂行为预测方法

含不连续面的岩样断裂行为难以量化表征和有效精准预测。采用机器学习方法建立预测含胶结充填裂隙岩样I型断裂韧度和裂纹扩展模式的数据驱动模型。首先，通过含充填裂隙半圆盘直切口试件的三点弯试验和离散元数值模拟结果，对比验证批量模拟的可行性，再进行批量随机数值模拟，构建数据集并过滤异常算例。对数据集进行归一化、随机打乱、随机欠采样等预处理，建立4个经典机器学习模型，采用网格搜索与五折交叉验证算法搜索最优超参数，并采用多个建立在总体上的评估指标和反映误差分布的数据图对模型性能进行综合评估，得出多层感知机模型为预测精度最高的机器学习模型；对模型进行敏感性分析，并应用于试验数据的预测，结果表明多层感知机模型的稳定性和预测效果较好。此外，该研究还开发了用户界面程序用于含充填裂隙岩样断裂行为的批量预测，避免传统试验和数值模拟高昂的时间成本，为解决传统岩石力学问题提供新的方法和思路。     

石灰岩孔道试样孔内卸压条件下破坏特征的研究

 为了研究复杂应力环境下岩体工程开挖的影响,设计内压加卸载试验装置,利用内径20 mm、外径49.84 mm的厚壁圆筒石灰岩试样,在RMT–150C岩石力学试验系统进行不同内压条件下的加卸载试验,重点分析了孔内卸压条件下试样的破坏形式产生机制。结果表明：(1) 固定孔压加载时,由于试样孔道内外存在应力差,不能进入延性变形阶段,高围压时有孔压试样的强度明显高于无孔压试样的强度;(2) 孔压卸载对试样造成的损伤较大,卸载孔压后重新加载的试样,其强度低于常规三轴压缩时的孔道试样;卸载破坏时试样内外压差越大,其强度越小,表明围岩发生破坏的根源在于巷道开挖卸载后引起应力差的增加;(3) 固定孔压时,试样多呈现单一的剪切面滑移破坏,而卸载孔压时试样破坏形式都为张拉破坏或者压拉组合破坏,应力路径对孔道试样破坏形式影响较大。研究结果为揭示深埋巷道围岩破坏失稳现象的产生机制提供参考。     

大理岩I–II复合型动态断裂的实验研究

 利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(f50 mm,f130 mm,f200 mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验–数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf))。在100 μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响：对于静态情况为I–II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,f50 mm尺寸试样仍处于复合型加载,而f130 mm,f200 mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动。岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释。考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响。     

Investigations on fracture characteristics of geosynthetic reinforced asphalt concrete beams using single edge notch beam tests

Reflective cracking is a major cause for premature deterioration of asphalt pavements. Different varieties of geosynthetics are used at the interfaces of surface layers to control the reflective cracks. The significant factors influencing their efficiency are the flexural strength and interfacial bonding. Fracture energy that leads to development of cracks and their propagation can be investigated by single-edge notched beam (SENB) tests with sufficient accuracy. Double layered asphalt samples were extracted from pavement sections purposely built as part of this investigation for conducting quasi-static SENB tests. The goal of this paper is two-fold (a) to present a methodology for conducting SENB tests to measure the fracture properties of geosynthetic reinforced samples at temperatures of 10 °C, 20 °C and 30 °C and (b) evaluation of the flexural and the fracture characteristics of unreinforced and geosynthetic reinforced samples. The geosynthetic reinforcement did not show much improvement of the Asphalt Concrete (AC) in the pre-cracking phase but slowed down the crack propagation. The failure pattern of reinforced specimens has changed from quasi-brittle to ductile. An equation is proposed to predict the crack initiation force of SENB sample knowing the bond strength of the corresponding reinforced AC layers at their respective temperature.     

不同预静载硬岩在动力扰动下断裂特性的试验研究

 为了研究不同预静载水平下硬岩受不同扰动频率载荷的断裂特性变化规律,采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样(Semi-Circular Bend,SCB),利用MTS Landmark电液伺服试验机,开展“不同预静载+动力扰动”下砂岩的断裂韧度测试试验。以岩石静载断裂载荷为基础,选取4个预静载水平(60%,70%,80%和90%的静载断裂载荷)作为初始静载状态,之后分别施加扰动载荷直至试样断裂。扰动加载方式采用正弦波载荷,加载波幅值依次为静载断裂载荷的40%,30%,20%和10%,设置扰动频率分别为1,10,20,30,40和50 Hz。研究结果表明,不同预静载水平下岩石的断裂韧度值较常规加载下都有不同幅度的减小,并且随着扰动频率的增加,岩石断裂韧度呈线性减小的趋势。但不同预静载水平之间的减韧效应存在差异性,预静载水平越高,减韧幅度越大。与常规加载条件下相比,预静载水平下的断裂位移整体具有减小的趋势。岩石扰动断裂点的分布区段具有明显的集中性,当预静载水平低于90%时,断裂点位于预应力水平之上的加载段,而当预静载水平为90%时,断裂点多数位于预应力水平之上的卸载段,并且基本上没有断裂破坏发生在预应力水平之下。断裂疲劳寿命随扰动频率的增加出现先增大后减小再增大的趋势,整体呈增加趋势。断裂破坏时间跟预静载水平、扰动频率之间的相关性不明显。综合考虑认为,扰动频率为10 Hz时达到相对最优的致裂效果。     

使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷过程的试验系统

 为了实现在实验室进行巷道(隧道)开挖卸荷过程的模拟,获得对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由3个独立的子系统组成：(1) 系统I：SAM–3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2) 系统II：小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3) 系统III：声波–声发射一体化测试系统。通过对3个子系统进行软、硬件集成与调试,获得了小型巷道围岩试件级别(高290 mm,外径200 mm,内径100～150 mm)的开挖卸荷过程的室内模拟与再现。使用小型巷道围岩试件进行了初步的开挖卸荷试验研究,结果表明,所构建的试验系统可以有效地模拟：巷道围岩的开挖卸荷条件;巷道围岩在开挖卸荷条件下的变形规律、应力分布特征和破坏机制等。     

Analysis of composite ENF specimen using higher order beam theories

Mathematical modelling, for the stress analysis of symmetric composite end notch flexure (ENF) specimen, has been presented using classical beam theory, first, second, and third order shear deformation beam theories to determine the strain energy release rate (SERR) for symmetric composites under mode II interlaminar fracture. In the present formulation, appropriate matching conditions have been applied at the crack tip and these matching conditions at the crack tip have been derived by enforcing the displacement continuity at the crack tip in conjunction with the variational equation. Compliance method has been used to calculate the SERR. Beam models under plane stress and plane strain conditions agree with each other with good performance to analyze the unidirectional and cross-ply composite ENF specimens, whereas for multidirectional composite ENF specimen, only the beam model under plane strain condition appears to be applicable with moderate performance. Third order shear deformation beam model of ENF specimen has been found to be better than other beam models in determining the SERR for unidirectional, cross-ply and multidirectional composites under mode II interlaminar fracture.     

采用中心圆孔裂缝平台圆盘确定岩石的动态断裂韧度

由于带有预制裂缝岩石试件的难于制作以及动态研究的复杂性,岩石动态断裂韧度在研究方法上一直也没有统一的标准,有必要对其测试方法进行研究。采用大理岩制作了一种含有中心圆孔预制裂缝宽度小于1mm的平台圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行了动态冲击试验,并采用实验-数值方法,确定其动态断裂韧度。该方法基于一维应力波理论,采用Hopkinson弹性压杆上应变片获得作用在试件两端面的动态载荷P(t),输入此载荷,利用动态有限元法求得试样内动态应力强度因子KI(t)随时间的变化历程,对应于试件上应变片测得的起裂时间tf的动态应力强度因子KI(tf)即为材料的动态起裂断裂韧度KId。     

冲击荷载作用下的I/II复合型裂纹扩展规律研究

 为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

非标准混凝土三点弯曲梁双K断裂韧度试验研究

采用跨度和初始缝高比恒定的非标准混凝土三点弯曲梁试件,以双K断裂理论为基础,根据改进的断裂韧度计算方法,通过试验实测试件的荷载与裂缝张口位移全过程曲线,计算不同初始裂缝长度和不同试件截面高度的非标准混凝土三点弯曲梁试件的有效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度k ⁱⁿⁱ _IC和失稳断裂韧度K ^un _IC。试验结果表明：非标准混凝土三点弯曲梁试件的起裂荷载F_ini 、最大荷载F_un以及有效裂缝长度a_c均随跨高比的减小而增大;裂缝亚临界扩展量Δa_c、起裂断裂韧度k ⁱⁿⁱ _IC和失稳断裂韧度K ^un _IC均与跨高比无关,在试验设计的试件截面高度下为一个常数。     

砂砾岩储层水力裂缝扩展规律试验研究

由于砂砾岩储层中砾石的存在,导致压裂工程中水力裂缝扩展形态复杂,施工难度大。为了研究砂砾岩储层水力裂缝扩展规律,采用真三轴压裂模拟试验系统对天然砂砾岩露头岩样开展试验研究,分析水平应力差、砾石粒径和分布规律以及压裂液黏度和排量对水力裂缝扩展形态的影响。研究表明:砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定。以小粒径砾石为主的岩样中,砾石对裂缝扩展形态的影响较小,形成单一主裂缝,裂缝面平直;大粒径砾石为主的岩样中,水力裂缝沿着砾石界面偏转并形成分支裂缝,裂缝面扭曲。水平应力差较低、砾石无规则杂乱排布的情况下,分支裂缝的偏转更加明显,裂缝形态更加复杂。同时,水力裂缝由砾石内部起裂时的破裂压力更高。分支裂缝的产生以及裂缝的转向扩展导致裂缝宽度变窄;采用高黏度的胍胶压裂液能够有效增加裂缝宽度,有助于加砂和避免砂堵。     

关于加气混凝土断裂行为的研究

在本研究中对加气混凝土梁在不同初始裂纹相对长度、不同高度以及不同体积比例等情况下的断裂韧性、断裂能以及载荷-裂纹口张开位移-裂纹尖端张开位移-裂纹尖端前沿区若干测点张开位移全曲线进行了系统研究。结果表明，加气混凝土是断裂敏感的，断裂韧性值不决定干初始裂纹长度，对于大尺寸试件，所测断裂能和断裂韧性值符合方程KIC^2=EGF，已成为有效值。