岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。

考虑断裂过程区的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据研究

根据以前的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂实验资料,同时采用数值模拟实验的方法,基于双K断裂准则,分别计算了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试件失稳断裂破坏时,断裂过程区影响的临界有效裂缝长度ac及应力强度因子KⅠ、KⅡ。根据分析计算结果,建立了考虑断裂过程区的新的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂K判据,并与课题组以前的K判据作了分析比较。

重力坝模型的尺寸效应

利用两个不同比尺预制缝重力坝模型的试验成果,以有限元富集技术进行非线性断裂分析,建立了极限承载力和长度比尺的确定性尺寸效应公式。混凝土重力坝的断裂尺寸效应满足指数衰减关系,用三次指数衰减公式可以准确地预测原型的极限承载力。断裂过程区的相对长度是引起模型试验尺寸效应的主要原因。数值计算结果表明,断裂过程区相对长度不仅是与材料有关的参数,能否充分发展还取决于结构尺寸和几何形状;断裂过程区相对长度的尺寸效应不同于统计尺寸效应和断裂参数尺寸效应,具有尺寸范围效应。断裂过程区相对长度在小试件、大试件和相对无穷大试件的发展程度不同。

混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂试验研究

通过混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂试验设计及成果分析,基于双K断裂准则,分别计算了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂试件失稳断裂破坏时考虑断裂过程区影响的临界有效裂缝长度ac及其对应的应力强度因子KⅠ和KⅡ,建立了考虑断裂过程区影响的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂判据,并用二次抛物线拟合了其临界曲线.与不考虑断裂过程区影响的判据临界曲线相比,考虑断裂过程区的影响,可提高裂缝稳定性计算的安全度,降低材料抗裂性能的要求.

用损伤法计算混凝土断裂过程区的等效缝长

在混凝土结构宏观裂缝前缘存在一定范围的断裂过程区,若考虑其影响,则裂缝失稳扩展的临界缝长已不再是初始缝长a0,而是最大荷载对应的等效临界缝长ac,即ac=a0+Δae,其中Δae是断裂过程区的等效裂缝长度。损伤力学认为混凝土从开始受力到最终破坏的整个过程就是一个损伤产生、积累、发展的过程。在计算断裂过程区等效缝长时,应考虑混凝土初始损伤及σ-ε曲线上升段对计算结果的影响。本文运用灰色理论计算了楔入劈拉实验试件的初始损伤D0和损伤阈值Df,并基于虚拟裂缝模型原理,运用损伤力学理论,对初始裂缝为a0的混凝土楔入劈拉试件进行研究,推导得到了断裂过程区的等效缝长Δae及对应的损伤度。

确定混凝土强度尺寸效应律的小尺寸试件研究方法

混凝土力学参数的尺寸效应是一关键问题,而强度尺寸效应更为重要。本文从断裂力学出发,基于Bazant尺寸效应律,提出了通过小尺寸试件测试结果得出强度尺寸效应律的方法,同时得出与尺寸无关的断裂参数。方法简单易行,可在任何试验室实现,为确定大尺寸试件或实际结构的断裂参数提供了一可行的途径。

带缺陷流变性材料裂尖断裂过程区的热力学性和电磁性

带缺陷流变性材料破坏过程中显现出热致磁效应的实验结果表明：在材料破坏的过程中，由于内部温度梯度的存在，导致裂尖断裂过程区具有热致磁效应．可见，热传导方程应包括电磁场的贡献．这种情况意味着断裂过程区内的磁感应场变化，不是由磁通量守恒律的局部化剩余产生，而是本构关系的直接结果，它显示为非局部效应，并参与能量耗散，因此，材料的破坏过程不是纯粹的力学过程．本文应用线性算子谱论建立了条带型断裂过程区的流变场方程并讨论了其热力学关系．最后，以对于Galilei不变式是协变的Lorentz不变式方程分析了裂尖断裂过程区的电磁场特性．本文的成果将有利于金属基复合材料、导电聚合物、定向纳米材料等新型材料的设计和制造以及有关结构物的失效分析．

关于加气混凝土断裂过程区的研究

在对加气混凝土三点弯曲加载梁试件不同初始裂纹相对长度情况下,载荷-裂纹口张开位移-初始裂纹尖端张开位移-初始裂纹尖端韧带沿直线方向若干测点张开位移全曲线进行了系统研究。结果表明:在全曲线下降段沿初始裂纹及其韧带直线方向张开位移呈线性分布;平均裂纹张开角与裂纹口张开位移呈线性关系,且该关系不决定于初始裂纹相对长度;在载荷水平一定时,初始裂纹相对长度较小时,平均裂纹张开角较小,断裂过程区长度较大。

有限宽板中心裂纹断裂过程区的长度和位移公式

对岩石、混凝土和陶瓷等准脆性材料进行断裂分析 ,有必要研究裂纹前端的断裂过程区所起的作用以及各种因素对它的影响。本文提出分析有限宽中心裂纹板剪切断裂过程区的方法 ,此方法基于D -B模型的叠加原理 ,考虑了压剪断裂的摩擦阻力 ,并将有限板宽影响简化为载荷的修正 ,以非常简便的方法推导出计算断裂过程区长度和位移的公式 ,这些公式补充了现有文献只有“无限大”板的解的不足。利用这些公式 ,分析各种参数对断裂过程区长度和位移的影响变得非常方便。

基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究

岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。

混凝土Ⅰ型裂缝失稳扩展时临界有效缝长的数值研究

混凝土的失稳断裂韧度是进行带裂缝混凝土结构裂缝稳定性分析的重要参数,计算失稳断裂韧度需要准确的临界有效缝长.基于虚拟裂缝模型,应用断裂力学经典理论中的最大拉应变断裂判据,推导出混凝土Ⅰ型裂缝失稳扩展临界有效缝长的计算公式;基于Loland损伤模型,应用能量守恒定律,推导出考虑损伤和断裂过程区的混凝土Ⅰ型裂缝失稳扩展临界有效裂缝缝长的计算公式.采用数值模拟实验得到的结果和推导得到的临界有效裂缝缝长的计算公式,计算临界有效缝长,进一步计算得到断裂韧度,该结果与柔度改变法计算结果吻合.说明用本文方法得到的临界有效缝长计算公式的合理性,据此进行断裂韧度计算是有效的,且新方法对于工程实际具有重要的参考价值.

非充分采动导水裂缝带高度影响因素敏感性分析

为确定非充分采动导水裂缝带高度影响因素的敏感性,提出一种基于灰色关联分析和层次分析法的加权灰色关联分析模型。首先分析和确定非充分采动导水裂缝带高度主要影响因素,然后采用灰色关联分析确定各影响因素的关联度,并采用层次分析法确定各影响因素的权重,最后根据各影响因素的加权关联度确定各影响因素的敏感性。结果表明,非充分采动导水裂缝带高度影响因素的敏感性从大到小依次为工作面倾斜长度、开采厚度、覆岩结构特征、开采深度和煤层倾角,非充分采动工作面必须考虑工作面倾斜长度对导水裂缝带高度的影响。

基于随机骨料模型的EPS混凝土粒子尺寸效应分析

建立基于随机分布的EPS混凝土细观力学模型,对EPS混凝土的受压损伤破坏过程进行数值模拟,分析EPS混凝土的损伤破坏过程。研究表明,EPS混凝土的损伤破坏有两种形态,即延性破坏和脆性破坏。延性破坏与EPS颗粒的面积占有率、断裂过程区长度有关;脆性破坏与EPS颗粒的面积占有率、粒径大小以及颗粒间距有关。在EPS颗粒面积占有率较低的情况下,EPS混凝土的粒子尺寸效应对混凝土力学性能的影响较明显,在较高面积占有率的情况下,粒子尺寸效应对其影响较小。随着EPS颗粒面积占有率的增加,EPS混凝土损伤破坏由脆性破坏向延性破坏转变。建立基于损伤力学与断裂力学的粒子尺寸效应数学模型,用数值模拟进行验证,发现两者吻合较好。

混凝土断裂过程区长度计算方法研究

该文基于粘聚裂缝概念,以起裂韧度作为裂缝起裂和扩展的准则,提出了混凝土断裂过程区长度的计算方法。以Ⅰ型裂缝为例,计算了不同初始缝长和起裂韧度情况下的断裂过程区长度值,结合以往大体积混凝土的试验数据对其进行了验证。进而分析了断裂过程区长度的影响因素,结果表明:断裂过程区长度随初始缝长的增大而逐渐增大,随起裂韧度的增大而逐渐减小。

混凝土断裂过程区能量耗散值研究

深入了解混凝土断裂过程区的能量耗散,不但对全面理解混凝土的断裂破坏机理有重要的研究意义,而且对混凝土实际结构裂缝的稳定性检测与预测预报有重要的工程价值。基于此,本文根据Hillerborg提出的断裂能定义,给出了计算断裂过程中任意时刻单位长度裂缝扩展所需能量的通用表达式,并采用双线性软化本构关系,对通用式作了进一步的推导与简化,得到了计算断裂能的简单、实用而且精度高的数值解。最后,以10根不同缝高比的三点弯曲梁为例,给出了详细的计算步骤;计算结果与由σ-CMOD曲线所测得的断裂能进行比较,结果表明两者吻合较好。同时,根据试验结果讨论了缝高比对断裂能的影响,发现断裂能随缝高比的增大而减小。

岩石断裂过程区孕育规律与声发射特征实验研究

为研究岩石断裂过程区孕育规律及声发射特征,采用直裂缝圆盘砂岩试样在GCTS岩石测试系统上进行劈裂加载试验,借助数字图像相关方法(digital image correlation method,DICM)和声发射(acoustic emission,AE)仪进行实时监测,根据裂尖附近测线水平位移随载荷变化趋势和声发射定位点密集区域量化确定了试样断裂过程区长度;同时,考虑Williams级数展开式高阶项,基于修正的最大切向应力准则,确定了断裂过程区长度的理论值;最后探讨了试样的破坏形态。结果表明:DICM确定的试样断裂过程区长度均值为9.07mm,断裂过程区长度理论均值为5.19mm,其差异源于理论计算无法完全考虑岩石的微观特性及加载方式的影响;断裂过程区孕育程度达到最大时对应的载荷更接近塑性屈服点载荷,其载荷约为峰值载荷的92.19%~95.47%范围;声发射信号能够体现试样裂尖微裂纹随载荷孕育和发展过程,声发射定位点确定的试样断裂过程区长度与DICM有较好的一致性。有助于深入理解岩石断裂过程区的孕育规律。