岩石裂纹亚临界扩展实验与压剪流变断裂模型

采用双扭试件的常位移松弛法对金川三矿区的大理岩、二辉橄榄岩和混合岩进行双扭试验,获得其裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系及岩石断裂韧度,确定岩石亚临界门槛值K0。结合岩石压剪断裂理论和岩石亚临界裂纹扩展试验,建立压剪岩石裂纹翼形流变断裂扩展理论模型,提出翼形裂纹最终扩展长度由瞬时扩展长度和流变扩展长度组成。采用ANSYS断裂力学模块实现翼形裂纹尖端关键点随翼形裂纹扩展的自动生成,建立翼形裂纹流变扩展的数值分析模型。研究结果表明：采用常位移松弛法所测岩石的lg KI-lg v关系有很好的线性规律,3种岩石的K0/KIC在0.6-0.9之间;通过对算例进行理论分析和数值模拟,发现翼形裂纹流变断裂理论模型与数值分析结果很吻合。提出的岩石裂纹流变断裂理论为研究岩石裂纹流变扩展细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新的研究手段。

混凝土断裂及亚临界扩展的细观机制

通过模型和三点弯曲断裂SEM试验,详细研究了混凝土断裂全过程及亚临界扩展的细观机理。结果表明:混凝土断裂是一个复杂的不规则过程,存在明显的亚临界扩展现象。混凝土亚临界扩展路径是曲折的,并非经典断裂力学假定的平直路径,混凝土亚临界扩展和临界失稳扩展呈现分形特征。用起裂断裂韧性iICK和分形等效断裂韧性feICK,来描述混凝土抵抗初裂和临界失稳扩展的能力。给出了考虑亚临界扩展弯折效应的混凝土亚临界扩展长度、混凝土起裂断裂韧性iICK和分形等效断裂韧性feICK,的计算表达式。计算表明:混凝土失稳断裂时的分形等效断裂韧性feICK ,与混凝土亚临界扩展的分维数D成正比。

脉冲放电截止热疲劳裂纹的亚临界扩展

对３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ模具热疲劳裂纹进行脉冲放电，裂纹尖端熔化形成焊点，使裂尖钝化，阻止了热疲劳裂纹的亚临界扩展。脉冲放电能使裂尖处的组织和性能发生有利的变化，显著地 提高裂尖处裂纹萌生所需的能量和扩展功，截止了亚临界裂纹的继续扩展。

混凝土轴拉试件裂缝亚临界扩展量简化计算方法

目前,轴拉试件断裂参数存在计算繁琐的问题。针对轴拉试件断裂研究,结合已有的试验数据,提出了计算轴拉试件裂缝亚临界扩展量Δa简化计算公式,免去了计算中反复迭代过程,从而大大简化裂缝亚临界扩展量Δa计算过程。对于轴拉试件可以较方便的计算双K参数,具有较高的精度。因此,简化方法在轴拉试件缝高比α=0.1～0.4范围内满足手算要求。

岩石裂纹亚临界扩展机制及试验研究

本文首先分析了岩石裂纹亚临界扩展的机制，研究了环境因素对裂纹亚临界扩展的影响；然后，介绍了岩石裂纹亚临界扩展的试验方法及原理：最后应用双扭试验件试验研究了三峡船闸花岗岩裂纹亚临界扩展，得到了岩石的断裂力学参数。

复合型裂纹临界扩展研究

将弹性变形能沿包含裂纹尖端塑性区圆形围线上的积分作为裂纹扩展驱动力,建立了一种新型的复合断裂判据。较之仅着眼于纹尖场某一点的最小应变能密度因子理论,新判据更多地顾及到了尖端场的全局。实验结果证明,本文所提出的复合型断裂判据是简便可行的。

裂纹几何对平面应力条件下裂纹亚临界扩展的影响

本文用基于增量理论和等向强化模型的非线性有限元法,分析了一个平面应力条件下具有中心穿透裂纹在外载荷缓慢增加时,裂纹开始起裂至快速断裂过程。给出了不同裂纹长度对亚临界扩展过程中某些断裂力学参数诸如裂纹尖端应力,塑性能以及J 积分等变化的影响。

水岩作用下岩体裂纹亚临界扩展

亚临界裂纹扩展是岩体工程时间相依性的主要原因之一,利用Inston1342型电液伺服材料试验机,采用常位移松弛法分别进行自然状态以及饱水状态下岩块的亚临界裂纹扩展实验,获得了两种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系及亚临界裂纹扩展参数,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响,并对两种环境下亚临界裂纹扩展参数进行了对比分析。结果表明:两种环境下岩石的lgKI-lgv有较好的线性规律,岩石的亚临界裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子服从幂函数关系;在双对数坐标空间中,含饱和水试件的lgKI-lgv曲线位于空气中试件lgKI-lgv曲线的左上角,含饱和水试件的曲线斜率较空气中试件的减小,而截距增加。在同一应力强度因子水平上,含饱和水试件的裂纹扩展速度大,表明水加速了岩体亚临界裂纹扩展。该实验结果可为水化学作用下复杂岩体的稳定性分析提供可靠依据。

损伤岩体中的裂纹亚临界扩展区半径

根据断裂力学理论,通过对Ⅰ型、Ⅱ型裂纹尖端应力进行叠加,得出拉剪裂纹缝端的应力表达式.然后选定最大剪应力判据为裂纹的开展判据,在此基础上代入一改进的损伤岩体强度公式,推导出一新的裂纹亚临界扩展区,并图示该区域的范围.将此裂纹亚临界扩展区与Mises屈服准则的推导结果作比较,并得出一些结论.

裂隙岩体冻胀力演化解析模型与裂纹亚临界扩展分析

为揭示寒区边坡岩体裂隙扩展后冻胀力的演化机制与规律,开展裂隙岩体冻胀力演化解析模型研究具有重要意义。结合弹性力学、复变函数、弹塑性断裂力学理论推导裂隙岩体冻胀力演化解析模型。分析裂隙尺寸、冻结速率、水分迁移率等因素对失稳断裂前冻胀力演化过程的影响,在对失稳断裂后冻胀力进行估算的基础上研究冻胀力演化机制与全过程特征,并将解析计算结果与试验测试结果进行对比分析。结果表明:(1)所提出的冻胀力解析模型可以计算裂隙扩展后的冻胀力演化过程,合理解释冻胀力波动性变化机制,在一定程度上可为裂隙抗冻性评价提供依据;(2)断裂失稳前,最大冻胀力随裂隙长度的增加而减小,达到最大冻胀力所需时间随裂隙宽度增加而增加;冻结速率增加时会出现最大冻胀力减小;水分迁移率增加时,断裂失稳前的最大冻胀力增加,达到最大冻胀力所需时间也增加;(3)裂纹亚临界扩展与断裂失稳会引起冻胀力变化,裂隙冻胀力演化过程具有波动性变化特征;当冻结过程不发生失稳断裂时,冻胀力呈现波动上升的特征;当冻结过程中存在断裂失稳时,冻胀力呈现先增加后减小的特征。

力学化学耦合的硬脆性泥页岩微裂纹扩展机理研究进展与思考

储层岩石微裂纹等缺陷在化学力学环境中的时序演变,是造成岩石强度劣化乃至宏观断裂失稳的关键原因。探究微裂纹扩展诱导损伤演化、损伤积累诱发失稳破坏这一跨尺度行为的发展过程,对保障井壁围岩稳定性、高效地勘探开发油气资源具有重要意义。首先介绍了岩石中微裂纹扩展的3类基本行为与特征,并提出页岩的水化过程即为内部微裂纹不断发生更加活跃地亚临界扩展这一机制,井壁围岩的垮塌失稳更多地表现为微裂纹从亚临界扩展到动态断裂的时序损伤演化。基于这一认识,在井壁稳定研究中,为揭示岩石内部微裂纹在化学力学耦合下的亚临界断裂机理,定量表征损伤演化过程和失稳突变行为,团队提出了“化学断裂”这一力学概念,内容聚焦于化学力学环境中微裂纹扩展的断裂力学理论,以及岩石力学参数对结构损伤演化特征的响应规律。然后分别从理论模型和试验测试2个角度,对岩石化学力学耦合的微裂纹亚临界断裂机理的研究现状进行了梳理与总结。最后列出了当前研究工作中所面临的几个具体问题与挑战,并阐述了化学力学环境中脆性岩石微裂纹扩展演化和断裂机制的新思考与展望。

水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律

采用双扭试件,利用常位移松弛法,分别进行自然状态以及水岩作用下大理岩和混合岩的亚临界裂纹扩展实验,获得2种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系,并计算得到亚临界裂纹扩展参数A和n。通过对比,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:对于大理岩,其A为自然状态下的8.07×1016倍,n由自然状态下的48.33下降到8.28;对于混合岩,其A为自然状态下的5.45×109倍,n则由自然状态下的60.20下降到21.86,说明对应于同一应力强度因子水平,水作用下的岩石亚临界裂纹扩展速度要快;水的存在使得岩石的断裂韧度KIC明显降低,对于大理岩,自然状态下的KIC为3.0316MN/m3/2,水岩作用后KIC为2.2070MN/m3/2,下降27.19%;对于混合岩,2种状态下的KIC分别为2.0877和1.9398MN/m3/2,下降7.08%。该实验结果可为复杂矿岩的稳定性分析提供可靠依据。

三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究

采用双扭试件和自行研制的加载装置，对三峡船闸花岗岩进行了亚临界裂纹扩展试验研究。采用ＵＣＡＭ５Ｂ自动巡回监测仪量测加载过程中试件的位移和应变。根据试验结果，得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系和花岗岩的断裂韧度。由于试验方案设计合理。

水对岩石亚临界裂纹扩展及门槛值的影响研究

亚临界裂纹扩展是岩体工程时间相依性的主要原因之一。采用常位移松弛法,对饱水和干燥两种状态下的大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了两种岩石在两种状态下的亚临界裂纹扩展速率V与应力强度因子KΙ的关系,分析了两种岩石在两种状态下亚临界裂纹扩展的规律,并确定了两种岩石在两种状态下的门槛值(干燥状态):大理岩0K为1.365,花岗岩0K为2.305;(饱水状态):大理岩0K为1.118,花岗岩0K为1.490。研究表明,两种岩石的IlgK与lgV关系有较好的线性规律,但由于岩石本身矿物成分等的不均匀性,同种岩石的IlgK与lgV关系离散性较大,饱水状态下离散性更大;水能加速岩石亚临界裂纹的扩展,且对不同的岩石,其影响程度也不一样;水可以使岩石亚临界裂纹扩展的门槛值有较大幅度降低,不同岩石其降低的程度也不一样。

混凝土亚临界裂纹扩展的分形效应

通过三点弯曲断裂SEM试验,获得了混凝土断裂全过程的扫描电镜图像.采用分形几何方法对裂纹扩展路径进行了考查,并对获得的数据点进行了回归分析和回归结果的相关性检验,论证了裂纹亚临界扩展的分形性质,得到了细观裂纹路径的分形维数D.此外,还探讨了分维D与断裂能GF之间的关系.

金川矿岩亚临界裂纹扩展试验研究

采用双扭试件常位移松弛法,对金川软弱复杂矿岩进行亚临界裂纹扩展试验研究。得出采场矿岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系,矿岩断裂韧度为(1.508 4±0.114 3)MN.m-3/2;试验相关系数为0.925 4,表明lgK-Ilgv关系曲线呈直线,数据离散性大是岩石本身的矿物成分、颗粒大小、力学性质的不均匀所致。该试验结果为预测金川Ⅲ矿软弱复杂矿岩自然崩落速度提供了可靠依据。

岩石亚临界裂纹扩展试验及门槛值研究

利用Instron1342型电液伺服材料试验机,采用常位移松弛法对大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了其裂纹扩展速率V与应力强度因子KI的关系(KI—V曲线)及I型断裂韧度,分析了不同岩石中裂纹亚临界扩展的规律,确定了岩石亚临界裂纹扩展的停滞速度和门槛值K0。研究表明:采用常位移松弛法所测岩石的lgKI-lgV关系都有很好的线性规律,即岩石的亚临界裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子服从幂函数关系,这与Charles理论相符。二种岩石的K0/KIC值的变化在0.706～0.870之间。所测数据为岩土工程稳定的时间相依性研究提供了基本数据。

2种牙科氧化锆陶瓷材料的弯曲强度可靠性和亚临界裂纹扩展研究

目的:研究口腔临床修复中WL和HT氧化锆陶瓷的弯曲强度可靠性和循环载荷下亚临界裂纹扩展(SCG)情况。方法:采用Weibull分布分析由三点弯曲强度实验获得的2组样本(n=15)的弯曲强度数据和由循环疲劳实验获得的2组样本(n=15)的循环疲劳断裂次数数据;通过帕里斯定律(Pairs Law)分析试样在循环载荷下的亚临界裂纹扩展情况,SCG行为通过疲劳裂纹扩展速率(da/d N)和最大应力强度因子(KImax)的函数关系来表述。结果:WL和HT的三点弯曲强度Weibull模数分别为10.64和12.04;应力腐蚀指数n分别为23.71和32.87;亚临界裂纹扩展(SCG)导致其失效的概率分别为90%和76.7%;发生亚临界裂纹扩展时的亚临界应力强度因子KImax仅相当于其临界应力强度因子的49.6%和50.9%。结论:WL和HT在循环载荷下存都在亚临界裂纹扩展,HT陶瓷的亚临界裂纹扩展的最低速率低于WL陶瓷(νHT<νWL)。

岩石亚临界裂纹扩展应力强度因子Williams级数计算及数值模拟

引入Williams级数,提出一种计算双扭试验中应力强度因子的新方法,并运用ANSYS数值模拟软件,对双扭试验进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟2种方法,分别计算大理岩和花岗岩在亚临界裂纹扩展中的应力强度因子IK?和IK?。同时,将理论分析和数值模拟所得的应力强度因子IK?和IK?与试验所得的应力强度因子IK进行比较。研究结果表明:理论分析、数值模拟与试验这3种方法所得的应力强度因子均随裂纹的扩展而减小,与断裂力学理论相符;对于同一种岩石试样,理论分析所得的IK?与试验所得的IK的拟合曲线相比斜率偏小,但偏差较小;模拟所得的IK?与试验所得的IK的拟合曲线斜率基本一致,说明理论分析、数值模拟与试验过程中应力强度因子减小规律相同,能反映试验的基本过程,可见理论分析与数值模拟结果可靠,能为岩土工程稳定与时间的相关性研究提供依据。

水对亚临界裂纹扩展的影响

利用Instron1342型电液伺服材料试验机,采用双扭常位移松弛法对花岗岩试件在空气中及饱和水两种条件下进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了相应的裂纹扩展速率V与应力强度因子KI的关系(KI-V曲线)及亚临界裂纹扩展参数,讨论了两种环境下裂纹亚临界扩展的规律,并对两种环境下亚临界裂纹扩展参数进行了对比分析。研究表明:采用常位移松弛法所测试的两种条件下的lgKI-lgV关系都有很好的线性规律。在双对数坐标空间中,含饱和水试件的lgKI-lgV曲线位于空气中试件lgKI-lgV曲线的左上角,曲线斜率减小,而截距增加。在同一应力强度因子水平上,含饱和水试件的裂纹扩展速度大,说明水能加速亚临界裂纹扩展,与实际相一致。