低速冲击下纤维混凝土梁的动力学特征与断裂耗能研究

随着各类型短切纤维的生产成本的降低,纤维混凝土得到大规模发展且应用领域不断扩展,为保证纤维混凝土在复杂环境的服役安全,该研究分别对素混凝土(plain concrete,PC)梁与纤维长度为6~8 mm且体积掺量均为0.30%的碳纤维(carbon fiber,CF)、玻璃纤维(glass fiber,GF)和玄武岩纤维(basalt fiber,BF)混凝土梁进行低速冲击试验,研究了普通混凝土梁和纤维混凝土梁的抗弯失效机理及断裂耗能。通过高速摄像机记录各试件梁的断裂破坏过程,提取并分析对比了跨中竖向位移时程曲线、加速度时程曲线及拉压应变时程曲线。详细分析了锤头冲击力和惯性力,并得到等效变形力-位移曲线,计算出各纤维混凝土梁断裂耗能。结果表明,各试件梁的破坏形态均为典型的弯曲破坏,均形成一条竖向主裂缝。GFRC梁断裂消耗的能量最多,相比于PC梁提高了88%。CFRC梁和BFRC梁消耗的能量分别相对于PC梁提高了43%和18%。该研究对不同类型纤维混凝土受弯构件在低速冲击工况下的力学性能与能量消耗方面的定量化研究结果可为纤维混凝土的工程推广应用提供参考。

层理方位对页岩断裂性能与裂缝延展模式的影响

对层理与试样底面夹角θ为0°、30°、45°、60°、90°的四川盆地海相页岩SCB试样实施三点弯加载,获取试样在三点弯加载条件下载荷-位移关系和临界断裂荷载,并计算页岩断裂韧度K_(IC)和断裂功,结合页岩储层压裂实践,探讨了层理方位对压裂裂缝曲折度的影响模式。研究表明:(1)随θ增大,页岩试样断裂韧度呈递减趋势,K_(IC)均值由1.88降至0.43 MPa·m^(0.5),层理方位对页岩断裂性能具有显著控制;(2)三点弯加载下页岩试样载荷-位移曲线包括加载初期缺陷压缩、弹性压缩变形及破裂卸载阶段。载荷增大到临界断裂荷载后页岩试样瞬时破坏,反映研究区页岩脆性显著;(3)按断裂力学机制,本次试验页岩断裂形式包括张性断裂和剪切断裂2种,按裂缝曲折度分为平直裂缝与曲折裂缝,当θ<45°时,页岩裂缝延展受加载方向和层理综合影响,易形成复杂曲折裂缝网络,反之θ≥45°时,则形成沿层理方向的单一平直裂缝;(4)页岩断裂功与页岩断裂韧度间具有较好的线性相关性,表明页岩断裂性能能够影响裂缝的延展路径选择;(5)选择大角度相交层理方向实施射孔或预切缝,使压裂裂缝沿该方向开裂扩展,能够最大程度营造压裂裂缝网络,提升页岩储层压裂改造效率。

SCB试验测试固井水泥断裂力学性能

为了给深部煤层气井固井材料优化、井筒环空结构耐久性提升及封隔能力科学评价预测提供理论依据,利用半圆盘三点弯曲加载(SCB)试验对煤层气井用常规固井水泥(PC)与纤维固井水泥(FC)试样在干燥态、净水及矿化水浸泡条件下的断裂力学性质进行了分析。研究结果表明:①加载位移—载荷曲线与试样断裂速率显示,PC试样断裂形式为脆性断裂,而FC试样呈现类似金属的韧性断裂特征,同等条件下PC试样断裂速率约为FC试样的10倍;②干燥、净水及矿化水浸泡下,PC试样断裂韧度分别为0.53 MPa·m^(0.5)、0.36 MPa·m^(0.5)、0.40 MPa·m^(0.5),FC试样断裂韧度分别为0.49 MPa·m^(0.5)、0.35 MPa·m^(0.5)、0.39 MPa·m^(0.5);③材料断裂能量耗散计算结果显示,相同环境介质条件下FC受压断裂全程耗能为PC的20~30倍;④干燥状态下固井水泥试样优选矿物晶界部位开裂,因而试样断口粗糙或断裂路径曲折,而净水及矿化水浸泡环境下固井水泥试样多沿矿物溶蚀缺陷断裂从而易形成平直裂缝。结论认为,刚度效应与应力集中效应是导致PC断裂韧度略高于FC的关键机制,FC中的纤维通过拉拽和应变协调机制使试样均匀分担外部载荷,从而起到很好的能量分散和载荷缓冲效果,FC表现出的能量耗散性能值得深部煤层气井固井材料优化关注,水的软化作用对于固井水泥材料断裂力学性质的影响非常显著。

冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布的影响

为研究冲击速度对煤岩破碎能量、粒度分布的影响,根据断裂力学理论建立了煤岩冲击破碎断裂耗能的计算表达式,并建立了煤岩冲击破碎粒度的威布尔分布表达式,以此为基础,研究冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布规律的影响。利用冲击破碎实验台对不同冲击速度的煤岩进行破碎实验,结果表明:冲击速度对煤岩破碎粒度的分布规律影响较小,威布尔分布表达式可以很好的表征不同冲击速度情况下的煤岩破碎质量累积概率,但煤岩破碎特性指数和表征破碎程度的参数随冲击速度增大分别呈指函数上升和下降;煤岩冲击破碎断裂耗能和耗散能都随冲击速度的增大而上升,煤岩冲击破碎的能量利用率随冲击速度增大而减小,且它们之间呈指函数关系,能量耗散率与冲击速度也成指函数关系,但冲击速度越大耗散率越高。

岩石爆破破岩机理的损伤力学分析

岩石爆破破碎过程可分为冲击波及其产生的应力（应变）波的动作用和爆生气体的静压力作用两个阶段。由于岩石的不均质性，动作用将使岩石内部形成损伤，静作用阶段则在此基础上，使岩石碎化。本文引入损伤因子Ｄ来描述动作用的效果，使动静态两个阶段的力学描述得以统一，进一步揭示岩石爆破的力学本质。

锁式肌腱缝合的生物力学研究

目的 本实验通过比较 Ｓｔｒｉｃｋｌａｎｄ、Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｂｅｃｋｅｒ、Ｓａｖａｇｅ及 Ｔａｎｇ法四种锁式缝合的生物力学特性，以期指导临床肌腱修复。方法 将４０根新鲜成年猪后蹄Ⅱ区屈肌腱随机分成４组，分别用Ｓｔｒｉｃｋｌａｎｄ、Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｂｅｃｋｅｒ、Ｓａｖａｇｅ及Ｔａｎｇ法进行修复。用材料力学测定仪测定２－ｍｍ间隙形成负荷、最大负荷、弹性模量及断裂功耗，同时记录中心缝合的操作时间。结果Ｔａｎｇ法的２－ｍｍ间隙形成负荷、最大负荷、断裂功耗与Ｓａｖａｇｅ法相近，弹性模量为各组中最高，中心缝合的操作时间明显短于 Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｂｅｃｋｅｒ及 Ｓａｖａｇｅ法。结论Ｔａｎｇ法能提供较大的抗张强度、有效抵御间隙形成、操作简便，有利于肌腱早期活动。