钢桥面环氧沥青混凝土铺装层Ⅰ型裂缝的断裂判据

基于桥面铺装的裂缝特点及断裂力学理论,引入应力强度因子K和J积分对环氧沥青混凝土三点弯曲梁试验进行分析,研究了温度和初始缝高比对其断裂特性的影响。根据不同断裂特性,计算得到了环氧沥青混凝土断裂韧性KIC和J积分临界值JIC;并研究了初始缝高比对断裂参数的影响,建立了环氧沥青混凝土K-J双参数联合断裂判据。结果表明：环氧沥青混凝土在-15℃～5℃时发生脆性断裂;在5℃～25℃时发生弹塑性断裂;所建立的断裂判据可为桥面铺装的抗裂设计提供依据,并为铺装结构的裂缝修补时机研究提供参考。

井壁Ⅰ型裂缝尖端塑性区研究

探讨考虑中间主应力效应的井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布情况及影响因素。基于双剪统一强度理论,对井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布进行研究,建立了Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解表达式,并以泥页岩井壁为例,求解出泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解,进一步推导了考虑围压作用的泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区计算公式。同时讨论了不同b值、不同拉压强度比、不同强度准则下泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区的变化趋势。结果表明随着中间主应力发挥比例的不断增加,塑性区曲线不断平滑,塑性区裂缝尖端延长线上的裂缝扩展速率也相应降低。考虑中间主应力的积极作用可以使含张拉裂缝的井壁围岩充分发挥岩石自身强度,减小塑性区范围,同时降低裂缝在尖端延长线上的延展。

循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展模拟的接触算法

沿裂缝可能开展路径设置接触点对,把求解接触问题的有限元混合法进行扩展,以实现循环加载条件下混凝土I型裂缝扩展的数值模拟.根据荷载过程状态和缝面接触状态的不同,将循环荷载作用下的混凝土本构关系抽象为力学模型中的六种不同接触状态,不同的接触状态对应着不同的位移-应力曲线关系.以缝面张开位移和接触应力作为接触状态转变的判断参量,并给出了各状态的转变关系和数值判断条件,以接触算法实现了循环加载条件下混凝土I型断裂扩展的数值模拟.首先给出了有限元混合法求解接触问题的基本思路,然后引入循环荷载下的混凝土本构关系,再对I型裂缝扩展的数值实现方法进行了阐述,最后通过数值算例说明了数值实现方法的正确性和有效性.

Ⅰ型裂缝经弱界面钝化扩展实验研究

天然裂缝或层理等弱界面的剪切破坏是体积压裂裂缝网络形成的关键因素。利用数字散斑相关技术,通过三点弯曲构建了Ⅰ型裂缝经过弱界面时的扩展特性实验,获得了试件表面位移场和应变场的变化规律。实验结果表明:Ⅰ型裂缝扩展至弱界面层后,裂缝发生短暂停滞扩展,裂缝尖端张开位移迅速增加,Ⅰ型裂缝尖端钝化,弱界面剪切应变迅速增加,裂缝由Ⅰ型裂缝转变为Ⅰ--Ⅱ复合型裂缝并转向扩展。

Ⅰ型裂缝经层理岩石界面拐折扩展规律研究

依据非常规储层层状岩体的结构特点,根据相似原理制作不同材料、不同界面性质的层状岩体试件,通过三点弯曲试验发现裂缝经过异弹性材料界面后扩展转向,力学性能差异越大,界面强度越弱,裂缝转向角度越大。以试验参数为基础,建立了垂直裂缝扩展的平面应变模型,并获得了垂直裂缝经过砂/泥岩界面扩展过程中应力场,计算了裂缝尖端应力强度因子的变化规律,获得了裂缝偏转角度。通过计算发现:裂缝偏转是由界面的剪切应变增大而引起剪切应力强度因子增加,使得Ⅰ型裂缝经异弹界面而发展为Ⅰ—Ⅱ型复合裂缝引起的。

不同层理倾角页岩Ⅰ型裂缝断裂表现实验研究

不同层理倾角页岩的Ⅰ型裂缝的断裂表现具有明显差异,进而影响其水力压裂裂缝扩展效果。本文基于页岩层理特性,采用中心切槽三点弯曲半圆盘实验方法探讨页岩天然层理面与Ⅰ型裂缝的夹角θ对其断裂韧性及破坏模式的影响。结果表明:试样的断裂韧性与夹角θ有良好的二次相关性;同时位移-压力的变化曲线显示,夹角θ的差异对加载过程中的峰值压力、位移和断裂类型有较大影响,其中夹角θ为45°和60°的试样在峰后压降阶段表现出延性断裂,而其它角度的试样则表现为脆性断裂;其次,断裂应变能随层理倾角的递增呈线性增长;不同夹角试样裂缝的断裂模式差异性主要表现为具有向层理面倾斜并贯穿的趋势。因此,开展页岩天然层理面与Ⅰ型裂缝的夹角对页岩的断裂韧性及破坏模式影响的研究,对水力压裂实施过程中技术参数的选取具有一定的理论指导意义,从而提升其压裂改造储层的增产效率。

静水条件下超疏水性对混凝土Ⅰ型裂缝扩展的影响

高水压力随水流浸入作用于结构缺陷或裂缝缝面导致结构开裂或裂缝扩展的工程问题在国内外多座高坝中均有发生.超疏水混凝土表面对水分具有较强的排斥作用,水流浸入裂缝的范围小于普通混凝土,对于上述工程问题应具有抑制作用.为此,将裂缝受力扩展考虑为Boussinesq问题,并借鉴Westergaard应力函数,推导了集中荷载下的缝面位移函数和均布荷载下的缝面位移和裂缝延长线应力函数.根据应变能释放率理论,建立了水流入浸导致裂缝扩展的计算模型与迭代步骤,可以进行不同疏水性材料裂缝扩展的定量分析.算例分析表明,相对普通混凝土,超疏水混凝土对高水压下的裂缝扩展具有较好的抑制作用,而且超疏水混凝土裂缝尖端具有更好的应力状态.

混凝土Ⅰ型裂缝随机损伤断裂分析研究

基于并联弹簧随机损伤模型,结合随机损伤与断裂力学,推导了混凝土Ⅰ型裂缝尖端附近的随机损伤场。通过对损伤场分析,确定了完全损伤区的离散范围,计算了相应的损伤面面积及裂缝稳定扩展长度,将计算结果与现有试验结果进行了对比。结果表明:计算的随机损伤面与现有方法计算结果吻合良好,试验得到的裂缝扩展长度在计算得到的随机裂缝扩展长度范围内。

砼Ⅰ型裂缝体缝端损伤区边界方程式及损伤断裂判据

把损伤理论引入到砼的断裂分析中去，推导出了砼Ⅰ型裂缝在静、动力荷载下缝端损伤区的边界方程式，给出了允许损伤尺度的计算公式和损伤断裂判据，实现了损伤与断裂力学的有机结合。

泥页岩地层水力裂缝延伸方位研究

以非线性断裂力学理论为基础，通过应力叠加原理，推导出了ⅠⅡ型复合水力裂缝起裂角的解析模型。利用该模型计算了裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域范围，并将利用该模型计算出的起裂角与利用最大周向应力准则计算出的起裂角进行了对比。结果表明：裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域的范围分别是0～0.18，0～0.45，0～0.45和0～0.18倍半缝长；裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°时，裂缝的起裂角为180°；当裂缝与最大水平主应力方向夹角增大至90°时，起裂角降为0°；在裂缝与最大水平主应力方向夹角及缝内流体压力相同的情况下，利用该模型计算出的起裂角比利用最大周向应力准则计算出的大0°～20°；在裂缝与最大水平主应力方向夹角相同的情况下，缝内流体压力为55 M Pa时的起裂角比缝内流体压力为45 M Pa时的大0°～40°。研究表明，利用非线性断裂力学研究泥页岩地层起裂是可行的，研究结果可以为水平井分段压裂优化提供一定的理论指导。

脆性岩石多裂缝干扰扩展机理研究

海洋中赋存有丰富的页岩油,由于这类储层岩性致密,需要采用体积压裂技术提高产能,而研究体积压裂过程中岩体内多个天然裂缝的扩展规律及其影响因素对于裂缝网络的形成至关重要。在水力压裂主裂缝壁面上及主裂缝两侧脆性岩体的水平切面上,当存在多条同轴天然裂缝时,影响天然裂缝起裂方向及起裂条件的因素较多。因此需要在线弹性断裂力学理论的基础上,运用最大周向拉应变及平面应变理论,建立受远场地应力作用及裂缝面受水压力作用下的理论模型。根据模拟结果,在主裂缝壁面上,随着垂向应力差异系数增加,天然裂缝最小起裂净压力减小,起裂角度增加,因此天然裂缝的扩展与垂向应力的大小有重要关系,垂向压力越小则越利于形成缝网。与有一定倾斜角度的裂缝相比,垂向天然裂缝容易破裂扩展。当天然裂缝的条数增加,天然裂缝的最小起裂净压力降低,有利于形成主裂缝壁面上的裂缝网络,达到体积压裂的效果。在主裂缝两侧岩体的水平切面上,天然裂缝与最小主应力方向的夹角越大,则对应破裂压力越小,且不需要较大的缝内压力(小于最小主应力)即可破裂。存在多条裂缝时,目标裂缝张性破裂的缝内压力均降低。上述模型及应用模拟揭示了脆性岩石在水力压裂过程中,主裂缝壁面岩体中形成复杂裂缝网络的内在机理。

公路用橡胶混凝土断裂性能测试

路面使用橡胶混凝土能充分发挥其性能优势。然而,目前尚未明确橡胶粒径和掺量对橡胶混凝土断裂性能的影响,限制了橡胶混凝土的应用与发展。通过三点弯断裂试验,探究橡胶粒径和掺量对混凝土在Ⅰ型裂缝下断裂性能的影响。研究发现:掺加不同粒径的橡胶,橡胶掺量对混凝土断裂性能指标影响的变化规律不同。对于某一固定粒径的橡胶,存在最优掺量使橡胶混凝土达到与普通混凝土相近的断裂性能指标。在设计使用橡胶混凝土时,需要特别关注混凝土的失稳断裂韧度。