不同冲击速度下岩石破坏能量规律的实验研究

对砂岩试件进行了动态霍普金森杆冲击破坏实验和静态加压破坏实验。对于动态冲击实验,得到了不同冲击速度下岩石试件破坏时的总吸收能、总耗散能和相对应的损伤变量。对于静态加压实验,得到了破坏时的总吸收能。并对两种实验条件下的破坏总吸收能进行了对比分析。实验结果表明,对于砂岩试件,若在单轴压缩下和动态冲击下得到同等程度的破坏,前者会比后者消耗更多的能量。

岩桥贯通机理的断裂力学分析

多裂纹间的岩桥贯通破坏是导致岩体失稳的重要原因之一。在裂纹分布已知的条件下,预知裂纹相互贯通的模式、机理及相应的外载条件,是预测和制止这类岩体失稳的前提。利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的极值分布情况,可以从根本上解决这一问题。当岩桥周围2条裂纹尖端拉应力、拉应变及剪应力极值方向能基本对应起来时,必然会导致2条裂纹的贯通,从而导致岩桥的贯通失稳。因此,这2个极值的性质决定了贯通破坏的性质。

层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析

对某水电站左岸边坡层状泥岩进行了强度试验研究,同时对裂纹垂直于层面及平行于层面这两种基本情形也进行了断裂试验研究。由于此层状岩体在强度方面表现出明显的正交各向异性,导致其在裂纹扩展方面表现出明显的特殊性,如I型及I-II复合型裂纹的剪切起裂扩展,锯齿状的裂纹扩展路径等等。此外,通过断裂力学及有限元方法对破坏机制进行了论证分析。由计算所得的KI和KII数值解,得到了裂纹垂直于层面时此泥板岩的临界断裂曲线。通过试验及理论探讨,为裂纹与层面斜交这一工程普遍情形的分析提供了基础,所得相关结论及临界断裂曲线也可为层状岩体边坡工程的结构面相关参数取值提供依据。

双向加压下岩石能量规律的实验研究

在保持侧向压力基本稳定的条件下,对岩石试件进行了竖向反复加卸载直至破坏的双向压缩实验,得到了不同侧压及不同竖向压力下卸载的等效卸载弹性模量;对岩石试件还进行了双向同步加卸载直至破坏实验,得到了不同加载速度及不同双向压力下卸载的等效卸载弹性模量;两种实验都得到了破坏时的总吸收能、总耗散能和总可释放应变能。同时完成了方板中心圆孔岩石试件在不同加载速度下的双向压缩红外热成像实验。实验结果表明,加载速度越高,则试件表面平均温度越低;反之,亦然。

静动态加载下岩石结构破坏时的能量分析

设计了岩石孔洞结构试件,对其分别进行静态加载和动态冲击实验,对试件的破坏模式进行理论上的预估计,观察了破坏现象的差异.分别实测了结构的输入能与储存的可释放应变能,利用表面能的概念分析并计算了破坏过程中的耗散能;通过能量守恒原理对破碎后岩石颗粒的飞溅速度进行了初步估计,理论估计值与实验中通过高速摄像机所捕捉到的速度值基本吻合.

单压下类岩材料有序多裂纹体的宏观力学性能

用高强度白水泥及石膏等类岩材料有序多裂纹模型进行了大量单向加压实验，得出了单压时宏观等效强度σｅ，等效弹性模量Ｅｅ及泊松比μｅ随裂纹群倾角α的变化规律．在一定程度上考虑了裂纹密度对宏观力学性能的影响．综合实验结果与理论分析，给出了多裂纹体强度特征曲线σｅ－α．

三维表面裂纹扩展试验及理论分析

通过双轴压力作用下岩石三维表面裂纹断裂试验,利用数字散斑技术,观察裂纹的翼形扩展、反向扩展,得出对应的时间和荷载。试验发现,三维表面裂纹的翼形扩展一般都先于反向裂纹,反向裂纹最先在远离裂纹尖端区域出现,而后快速与原裂纹尖端汇合。通过有限元计算得到三维裂纹试件整体应力场和裂纹前缘各点应力强度因子。通过复合型断裂判据,对裂纹翼形扩展的三维形态进行分析,试验结果与最大周向拉应力σmax及最大周向拉应变εmax判据的理论预示结果吻合较好。对反向裂纹萌生区域进行强度破坏分析,反向裂纹的萌生与莫尔–库仑强度理论的预示结果基本相符。从试验及理论2个方面分析三维表面裂纹扩展直至破坏的全过程。

Ⅲ型裂纹断裂韧性测试及数值分析

设计测试岩石III型断裂韧性的试件及装置,测得比较稳定的花岗岩及大理石的III型断裂韧度。同时,也实测铸铁和低碳钢的III型断裂韧性,并对两类材料测试结果进行比较。通过断裂力学及有限元技术对试件III型裂纹应力场进行分析,得出裂纹尖端应力场第一主应力与剪应力的比值σ1/τzθ随裂纹深度δ的变化关系。从而揭示随裂纹深度δ的增加,III型裂纹破裂面将由螺旋面向直剪面变化的原因。

单向压缩下岩石表面温度与体积应变关系实验

在单向压缩条件下,通过远红外热像仪,测得了多种岩石试件表面温度随载荷的变化规律,通过贴于试件表面的应变片,同时实测了试件总体的体积应变值,据此寻找岩石试件在受压过程中,试件表面温度与体积应变之间的关系。研究结果表明,在岩石受压的大部分变形过程中,岩石红外辐射温度会随载荷的增加而增加,也随着压缩体积应变的增加而增加,后一结论比较符合热力学定理的预示。实验结果有助于将温度变化与应力或应变变化定量联系起来。

多裂纹类岩体的双压实验与正交各向异性本构关系

用类岩石材料白水泥多裂纹模型进行了双向加压实验。实验结果表明 ,在各种侧压σ2 下 ,宏观强度σc1基本上随α增加而变大 ,但在α=4 5 左右呈现最低值 ;随着侧压σ2 增加 ,宏观强度σc1明显提高。用εθmax及σθmax断裂判据对单个裂纹进行了分析 ,所给出的初始开裂角理论值与该多裂纹模型实验值非常相符 ,对初始开裂载荷 ,能给出多裂纹模型实验值的上限。以单向加压实验结果为基础 ,建立了便于工程应用且适用于多裂纹体的等效正交各向异性本构关系。由此本构关系所得的计算结果与双向加压实验结果符合良好。

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。

四弯试件K_Ⅰ与K_Ⅱ的简便计算方法

本文通过光弹实验以及统计现有的数值计算结果,提出了一种通过现有的三弯试件的K_Ⅰ与K_(Ⅱ)数值计算结果去推算一般的四弯试件的K_Ⅰ与K_(Ⅱ)值的近似方法。从而,在很多情况下都不必通过有限元、边界元以及边界配置等方法的计算,就可以比较方便、准确地计算出四弯试件的K_Ⅰ与K_(Ⅱ)。

复合型多裂纹体初始断裂破坏分析

将最大周向应变断裂判据用于多裂纹体的压剪复合初始断裂破坏分析，结合有限元数值计算，发现此理论预测的初始开裂角及初始开裂载荷与试验值及有限元计算值吻合较好。同时对多裂纹体与单裂纹体断裂破坏区的区别作了一定的分析。

对机械类理论力学教材改革的考虑

对机械类理论力学教材改革的考虑北京科技大学黎立云一、目前理论力学教材存在的问题理论力学是一门技术基础课，每个工科院校都有很多专业要开这门课，所以涉及的范围是很广的。随着科学技术的快速发展，在校学生学习的课程数目与以前相比，已呈不断上升之势，而学生在校...

岩体变形破坏过程的能量机制

叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙,导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移 2 种失稳破坏机制,运用分形和统计断裂力学方法探讨了 2 种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明,岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关,分形维数增大导致岩体强度非线性降低。

基于岩石破坏全过程能量特征改进的能量跌落系数

合理而准确地评价岩石的脆性是评估岩爆风险、油气储层可压裂性等工程实践的前提。针对表征脆性岩石破坏过程的能量跌落系数,详细分析了其适用性和局限性。为更加有效地评价岩石的脆性,基于岩石破坏全过程的应力-应变曲线,在能量跌落系数的基础上,进一步考虑峰前总能量中可释放弹性能的占比,提出一种改进的能量跌落系数,认为脆性是岩石内部可释放弹性能在峰前阶段大量储存并于峰后阶段快速释放的综合表现。通过对不同围压下大理岩和花岗岩试验数据进行分析和对比,结果表明改进后的能量跌落系数不仅能反映同种岩石不同围压下的脆-延转化行为,还能有效评价相同围压下不同岩石的脆性强弱。同时讨论了泊松比、损伤变量对岩石脆性评价的影响,发现随着泊松比增大,各围压下花岗岩的脆性强于大理岩的性质不改变;随着损伤变量增大,花岗岩的脆性由强于大理岩转变为弱于大理岩,且围压越高,现象越明显。试验结果验证了改进后能量跌落系数的可靠性,研究成果有望对岩石脆性评价提供参考。

岩爆问题中岩块弹射速度的数值计算与实验研究

发生岩爆时,弹射出的岩块携带着大量的动能。为计算破坏块体的弹射速度,首先建立了数值计算的平面模型,利用能量守恒原理和破坏前后模型的应变能差计算出能量释放量,进一步算出岩块的弹射速度;后通过单轴压缩实验,运用高速相机拍摄试件破坏的过程,根据2张照片的时间差和岩块移动的距离,得出岩块的弹射速度。经比较,实验与数值模拟的结果相近,验证了数值方法的合理性。这种较简单的数值方法可为计算岩爆问题中岩块的弹射速度和地下采场发生破坏时能量转移的定量计算提供参考。

扩展有限元法在岩石断裂力学中的应用

岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。