岩石断裂力学测试与理论研究

综合介绍了近几年来，在国家自然科学基金资助下，作者在岩石断裂力学领域内所进行的研究和所取得的部分研究成果，其中包括：试件型式，ＫＩＣ软件系统，加工装置，试件尺寸效应，非线性修正，试件与试验机配匹，复合型断裂，岩石试件Ｋ１的三维边界元计算，岩石动态断裂，岩石断裂面形貌特征的分形理论研究等。

球面扁壳的比拟解法

在扁壳的工程实用理论中,除薄壳一般理论中所采用的基本假设外,还采用了下列两个假定:(1)曲面上线素的二次式ds^2=A^2dα~2+B^2dβ~2与高斯曲率无关;(2)壳体上的切向荷载可不予考虑.对于中曲面为部分球面而覆盖平面为圆形或环形的球面扁壳,引用上述假设,能满足工程实用上的要求。文中限于讨论这一类球面扁壳,并建议一个较为有效的实用解法——比拟法,因而,使问题的求解大为简化.

断裂力学在岩石中的探索

本文从能量平衡观点并通过坐标变换建立了岩石内裂纹的扩展条件;据此,导出了剪切断裂稳定性准则,其结果与文[1]相同。文中试用应变能密度因子理论分析与解释了岩石材料的单轴抗压强度远大于其单轴抗拉强度。并用复应力函数探讨了岩体内闭合裂纹端应力强度因子的表达式。最后,指出了当前岩石断裂力学中存在的主要问题。

岩石四弯裂纹试件动应力强度因子的数值计算

采用动态有限元与动态Ｊ（ｔ）积分相结合的数值方法，首次计算了岩石四弯裂纹试件的动应力强度因子ＫＩ（ｔ）与ＫＩ（ｔ），获得了各种复合比下ＫＩ（ｔ）／Ｋ０，ＫＩ（ｔ）／Ｋ０－ｔ的关系曲线。结果表明，本文方法具有较好的效果。

岩石断裂韧度的非线性修正

本文对Liebowitz非线性能量法进行了修正和改进,而且将作者的方法与由ISRM获得的岩石材料的非线性断裂韧度值以及其它方法进行了比较。结果表明,作者的方法和ISRM工作组的建议方法以及由Work方法所得值是基本相近的。

双轴压缩下闭合裂纹应力强度因子的解析与数值方法

采用"裂纹线应力场"分析方法,推导双轴压缩下有限岩板内闭合裂纹尖端应力强度因子的近似解析解,分析裂纹表面摩擦因数、侧压系数对裂尖应力强度因子的影响;运用有限元法对同一问题进行数值研究,并与解析解进行比较。研究结果表明:在岩体工程要求的精度之内,采用"裂纹线应力场"分析方法与有限元法这2种方法得出的结果基本吻合;裂纹长度a与岩板宽度W之比对裂纹尖端的应力强度因子有影响,按无限岩板情况计算裂纹尖端应力强度因子,其适用范围应有一定上限,即a/W≤0.2;当a/W>0.2时,应当考虑实际岩板的自由边界条件对裂纹尖端场的影响。

闭合裂纹断裂的有效剪应力准则

将闭合裂纹表面的有效剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了无限大板和有限宽板含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,建立了闭合裂纹断裂的有效剪应力准则:(1)岩板内闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力的和最小的方向扩展;(2)裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡC,裂纹将开始扩展。该准则成功预测了闭合裂纹的临界起裂角θc,与各种经典复合型断裂准则计算Ⅱ型裂纹起裂角比较,结果较为接近。将其应用于闭合裂纹的断裂判定是安全的。

岩石的复合型断裂实验及分析

当岩体内或边界上存在有Ⅰ－Ⅱ复合拉剪与压剪裂纹时（例如坝踵的裂纹），其临界载荷与初始开裂方向的确定是工程界十分关心的问题。本文用断裂力学理论，对大理岩进行了这方面较完整的实验与理论研究，且用四点弯试件实现了一定范围内的压剪断裂实验。研究结果表明，大理岩裂纹初始扩展所需的临界载荷值在很大程度上遵循最大拉应变ε＿（θｍａｘ）理论，而不是最大拉应力σ＿（θｍａｘ）理论，前者预示的载荷值远低于后者。两理论预示的初始开裂角相差不大，且与本文实验基本相符。

紧凑四点剪切砼Ⅱ型断裂实验研究与数值分析

有关Iosipescu四点剪切实验的争论很多,国内外的研究者提出了各种各样的结果。本文对紧凑四点剪切加载下砼Ⅱ型断裂破坏机理进行了大量的实验研究和数值分析。通过对实验中试件裂纹的扩展过程及开裂角cq等的分析,结合有限元法对裂尖应力场进行了研究。分析了加载点与裂纹面的距离对Ⅱ型断裂性能的影响。可以看出,虽然随着加载点与裂纹面距离的缩短,CKⅡ在逐渐增大,但纯剪加载下裂纹扩展并不是沿剪应力所在方向,即破坏并不是剪切破坏。

砼四点剪切(Ⅱ型)断裂的数值研究

有关Iosipescu 四点剪切实验的争论很多，国内外的研究者提出了各种各样的结果。本文用有限元的方法对大量的各种尺寸和加载方式的砼四点剪切试件进行了详细的分析。通过对裂尖及两裂尖之间韧带区域的应力场的分析,发现增加试件高度或缩短加载点与裂纹面的距离将更有利于四点剪切加载下砼的Ⅱ型破坏。但裂纹长度的增加的影响并不一定有益于砼试件的Ⅱ型破坏。

岩石断裂韧度的国际联合试验研究

采用三点弯曲和短棒拉伸测试方法，进行了岩石（日本、美国和瑞典寄来的三批岩芯）断裂韧度的国际联合试验。结果表明：中国小组提交的试验结果准确、可靠；中国小组是唯一采用开发ＩＳＲＭ－Ｋ（１Ｃ）系统进行全部试验控制与进行数据、图形处理的国家。

斜裂纹应力强度因子的有限元计算及分析

介绍和讨论了斜裂纹应力强度因子的有限元分析方法,分别计算了单轴、双轴压缩下有限大板中存在的中心贯穿斜裂纹的应力强度因子.通过对求得的应力强度因子值与解析解的比较,表明用有限元法计算应力强度因子具有相当高的精度.同时,通过对不同倾角的裂纹尖端应力强度因子的计算,分析得到了裂纹倾角对应力强度因子的影响,为斜裂纹在复杂载荷作用下的断裂判据的计算提供了有效的方法.

岩石Ⅱ型裂纹扩展的一般规律

对大理岩Ⅱ型裂纹的扩展规律进行了实验研究，认为岩石Ⅱ型裂纹的扩展具有机理完全不同的Ⅰ型、Ⅰ－Ⅱ复合型及Ⅱ型３种断裂形式，因而有３个不同的剪切断裂韧性及在纯剪断裂条件下，由此认为剪切裂纹的扩展应有３个不同的判据。

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.计算了此加载下硷的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.

混凝土缝端微裂缝区数学模型的研究

本文首先对一些最重要的混凝土断裂的数学模型进行了综合评价 ,然后 ,在此基础上 ,提出了一个新的混凝土缝端微裂缝区数学模型 ,研究表明 ,新模型具有良好的工程实用价值。

岩石动态断裂试验

对于ＩＮＳＴＲＯＮ试验机，开发了高速加载试验控制软件，并利用该软件进行岩石动态断裂韧度试验研究，试验表明：ＩＮＳＴＲＯＮ试验机和开发的软件结合，能对各种材料进行动态断裂试验，并能揭示岩石动态断裂韧度存在的某些特征，是在中等应变速率加载范围内进行高速加载试验的理想工具。

人工挖孔桩护壁设计及其工程应用

本文从建筑施工技术及经济的角度 ,探讨了人工挖孔桩在城市应用前景 ;同时 ,对人工挖孔桩护壁结构设计进行了一些研究 ,并在几个实际工程中加以应用 。

广义压电动态■积分的守恒性及其应用

在裂纹绝缘与应力自由的条件下,证明了考虑压电效应与惯性效应的广义压电动态■积分与围道Γ的选择无关,这一特性称为广义压电动态■积分的守恒性。若所有电场量为零,广义压电动态■积分变为断裂动力学中的■积分。在线弹性情况下,导出了压电动态■积分与KⅢ(t)的关系。以压电陶瓷(BaTiO3)板中央有限裂纹对入射反平面剪切谐波的散射为例,给出了规范化动应力强度因子K-Ⅲ(t)随规范化圆频率-ω的变化曲线。研究结果表明在该曲线上存在峰值与谷值;当ω-→1时,(K-Ⅲ)max=1.372,该峰值比其相应的静态值高27%,因此,惯性效应不能忽略;当-ω→3时,(K-Ⅲ)min=0.247;当ω-→0时,K-Ⅲ→1,即动应力强度因子趋近于相应的静态值。

机电冲击荷载下狭长压电板双共线反平面裂纹的瞬态响应

对机电组合冲击荷载下狭长压电板双共线反平面裂纹的动态响应问题进行了分析。采用积分变换方法将一个电弹性混合边值问题化为奇异积分方程组,进一步利用Gauss-Chebyshev求积公式将其化为一组代数方程,求解这些代数方程并完成拉普拉斯逆变换,获得了裂纹顶端动应力和动电位移强度因子。结合压电陶瓷材料BaTO3,对动应力强度因子进行了数值计算。结果表明:无量纲动应力强度因子随时间T由零迅速增大,很快达到一个峰值,然后缓慢衰减:当T较大时,在其对应的静态值附近作微小振荡。裂纹两端动应力强度因子的峰值随比值b／h增大而增大,且稍右移。本文方法较常用的Fredholm积分方程方法,推导简便、易于数值计算。

半解析权函数法求解巴西圆盘问题

提供了一个半解析权函数求解无量纲应力强度因子的方法,这对于求解诸如对径受压圆盘等一类应用问题有着重要的意义。计算了不同裂纹长度和不同裂纹倾角的巴西圆盘的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子,并将半解析权函数法计算结果与其它文献所提供的结果进行了比较,发现吻合较好。