岩石类材料直接拉伸破坏的FDEM数值模拟

有限元-离散元耦合算法(FDEM)在岩石裂纹扩展模拟中广泛应用,尤其在直接拉伸模拟中用于参数校核。然而,模拟结果通常受到拉伸速率和网格尺寸的影响。本文首先阐述FDEM基本原理;然后,建立直接拉伸数值计算模型,探究拉伸速率、网格尺寸及高径比对破坏模式和力学参数的影响;最后,给出直接拉伸模拟中建议采用的拉伸速率和网格尺寸。研究结果表明:随着拉伸速率增加,试样抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增加,而平均弹性模量减小;在较低拉伸速率下(v≤0.01 m/s),试样仅产生1条主拉伸裂缝;当拉伸速率较高时,有分支裂缝出现在主拉伸裂缝上侧。网格尺寸对抗拉强度、峰值应变率和平均弹性模量的影响较小,但对破坏模式和破坏程度的影响较显著。随着高径比增加,试样的抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增大,但平均弹性模量呈相反趋势,并且高径比对破坏程度的影响较为显著。建议在直接拉伸模拟中使用0.01 m/s的拉伸速率,并将网格尺寸限制在1.5 mm以内。

顶板砂岩直接拉伸破坏声发射特征及损伤本构模型

深部煤炭资源开采常面临复杂的赋存及采动力学环境,冒顶等灾害事故风险激增。顶板拉破坏是其中一个重要诱因,故亟需深入探究顶板岩石拉伸破坏力学特性及损伤演化规律。通过开展顶板砂岩单轴直接拉伸试验和全过程同步声发射测试,探究了砂岩的直接拉伸力学特性和声发射时空演化特征,对比分析了顶板砂岩与煤的直接拉伸破坏差异性过程规律,同时发展并对比验证了煤岩拉伸全应力应变损伤本构模型。结果表明:1)顶板砂岩平均直接抗拉强度为5.01MPa,约为煤体直接抗拉强度的7.6倍;顶板砂岩直接拉伸力学参数变异性强,反映出砂岩易产生破坏局部化而导致顶板拉破坏。2)砂岩在直接拉伸峰后的弹性能释放速率显著高于煤体,表现出明显的脆性特征。3)声发射空间定位演化分析揭示了顶板砂岩不同拉伸加载阶段的微裂纹扩展与空间集聚成核过程机制,同时发现峰值应力前仅有少量随机分布的微裂纹产生,主要发生基质的弹性变形;峰值后应力下降20%时,微裂纹局部化,此后宏观裂纹出现并快速扩展,直至破坏。4)构建了基于声发射特征参数的煤岩拉伸损伤本构模型,砂岩和煤的直接拉伸和声发射试验数据的验证显示其具有良好的拟合效果,可较好地表征岩石在直接拉伸作用下的峰后应变软化特征。研究成果对巷道支护结构设计优化,以及煤矿灾害防治具有重要指导意义。

基于直接拉伸试验的沥青胶浆低温性能研究

文中设计直接拉伸试验对拉伸曲线进行形态分析,并提出延伸量、拉伸柔量、残余延伸量比,以及黏韧性等评价指标.通过灌浆成型制备沥青混合料基于展小梁弯曲试验评价其低温变形性能.在此基础上,通过胶浆低温性能指标与混合料最大弯拉应变相关性分析验证基于直接拉伸试验的胶浆低温性能指标的合理性.结果表明:粉胶比对沥青胶浆的低温变形性能有显著影响,粉胶比越大胶浆的脆性特征越明显,其低温性能越差;为保证胶浆的低温变形性能,建议粉胶比不大于1.5;基于直接拉伸试验得到的胶浆低温性能评价指标随粉胶比变化的趋势不受沥青类型的影响,用于评价胶浆低温性能合理可行;相关性分析表明0℃条件下的延伸量、黏韧性,以及韧性比是胶浆低温性能评价的最佳指标.

干湿循环脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型

针对三峡库区消落带等长期处于干湿循环条件下导致岩石损伤破坏的工程问题,探究在干湿循环和直接拉伸荷载共同作用下,脆性岩石的宏细观断裂力学特性这个难点问题。由于干湿循环条件下的直接拉伸试验较难实现,考虑干湿循环与直接拉伸荷载作用的宏细观力学关系模型非常欠缺。基于断裂力学理论方法,结合干湿循环试验研究方法,提出了一种干湿循环条件下脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型。该模型是在考虑了干湿循环次数n与含水率ω对断裂韧度K_(IC)和初始损伤因子D_(0)综合影响的基础上,结合岩石初始细观裂纹损伤与裂纹断裂韧度的直接拉伸细观裂纹扩展力学模型建立的。对比分析抗拉强度、裂纹扩展极限长度l_(lim)、弹性模量、岩石劣化损伤的理论与试验结果,验证了模型的合理性。讨论了初始裂纹倾角φ、材料常数β等参数影响下,裂纹启裂应力及峰值应力随干湿循环次数n的变化规律。对比分析了干湿循环和单独含水条件对岩石劣化度力学特性的影响。

新型岩石直接拉伸试验对中装置研制及应用

岩石直接拉伸试验中普遍存在受拉偏心的问题,使得试验的成功率较低。该文研制了一套岩石直接拉伸试验对中装置,包括黏接对中装置和动态拉伸对中装置两部分,可直接匹配万能试验机和标准岩石试件使用。为验证该装置的可靠性,对8种不同类型的岩样开展了直接拉伸试验,准确获得了岩石抗拉强度、拉伸弹性模量等拉伸力学参数,以及岩石拉伸全应力-应变曲线,证明装置能够有效解决直接拉伸试验中岩石试件偏心受力的问题,也为工程提供了重要的直接拉伸力学参数。

饱和硬岩直接拉伸强度的估算与验证

因试样制备、试验操作等限制,获得饱和岩石的直接拉伸强度较为困难。为对饱和硬岩的直接拉伸强度进行合理估算并验证其可靠性,同时分析水对估算误差的影响,设计完成了干燥、饱和状态下两种硬岩的单轴压缩和直接拉伸声发射试验。基于Griffith理论和Hoek-Brown(H-B)强度准则,通过裂纹体积应变法确定岩石起裂应力,估算饱和硬岩的直接拉伸强度和H-B强度参数m_(i)。结合声发射波形信号频谱特性,分析两者估算结果的准确性。结果表明,基于Griffith准则并采用起裂应力估算饱和硬岩的直接拉伸强度是一种较可靠的方法。对于干燥硬岩,该方法确定的直接拉伸强度估算值比试验值偏小。饱和硬岩直接拉伸强度估算值与试验值基本接近,这是因为硬岩饱和后,延性和蠕变趋向增强,并发生更多的微观拉破裂。饱和硬岩的m_(i)值增大与增多的微观拉破裂有关,m_(i)值变化可用于描述饱和硬岩的软化程度。基于Griffith准则并采用起裂应力估算的岩石直接拉伸强度和H-B强度参数m i可用于岩体工程的早期设计。

岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究

由于岩石抗拉能力低 ,在很多情况下 ,岩体工程的破坏是从岩石局部受拉破坏开始。采用直接拉伸法和劈裂法 ,在INSTRON - 1 345液压伺服刚性材料试验机和CSS - 44 0 0 0电子万能试验机上 ,分别对花岗岩、砂岩和泥岩进行了抗拉强度试验。试验证实了直接拉伸法较劈裂法优越 。

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置,对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。试验结果表明,2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下,加载早期的声发射活动较为活跃,随着荷载的增加,许多试样的声发射率较加载初期有所下降,这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致,所不同的是:在劈裂试验条件下,声发射活动在整个加载过程中持续不断,直至临近破坏时,声发射活动大量增加,即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象,也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时,声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下,试样的声发射活动又有很大不同,在破坏发生前的整个加载过程中,观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到。

岩石直接拉伸与压缩变形的循环加载实验与双模量本构模型

采用一种可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸试验的岩石试样试验装置,对5种岩石进行了压缩和拉伸循环加载试验。结果表明,对于其中压缩平均变形模量ECA较拉伸平均模量ETA大得多的3种岩石(ECA/ETA分别等于2,2.5和6),拉伸下的卸载平均模量ETAUN远大于ETA,且ETAUN约等于ECA。因此,虽然这几种岩石压缩下的变形可近似视为弹性的,拉伸下的变形却是非弹性或塑性的。一些研究者对ET<<EC的岩石引用了压缩和拉伸下均为线弹性但ET≠EC的双线弹性本构模型。本文的结果则表明,已知一种岩石的ET≠EC,不等于双线弹性模型能适用于该种岩石。对于这类拉伸变形为塑性的岩石,必须发展更复杂的本构模型。

岩石直接拉伸与压缩变形的试验研究

采用自行研制的可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸的试验装置,对3种岩石进行了压缩和直接拉伸试验。结果表明,这3种岩石的压缩弹性模量均大于拉伸弹性模量,压缩与拉伸弹性模量之比分别为1.1,1.4,2.5。压缩泊松比也大于拉伸泊松比。研究表明:直接拉伸下切线泊松比随荷载的增加而减小,与压缩下泊松比的变化相反。

土工直接拉伸试验装置的研制及应用

针对现有土工直接拉伸试验装置的不足,研制了一套卧式直接拉伸试验装置;装置由拉伸加载系统、数字液压伺服控制系统、数据采集分析系统3部分组成。试验装置可开展多种易成型材料的直接拉伸试验,能精确测试材料的抗拉强度并能给出拉应力–应变曲线;巧妙设计了加载夹具解决了试验材料与拉伸装置的连接难题;能精确连续控制试验拉力,并能获得材料抗拉强度峰后段的拉应力–应变曲线。使用新研制的试验装置开展了黏土、铁晶砂相似材料和水泥砂浆的直接拉伸试验,试验结果表明:在黏土直接拉伸试验所涉及的含水率范围内,当干密度保持不变时,黏土的抗拉强度随含水率的增加逐渐降低,而峰值拉应变则随含水率的增加逐渐增加;黏土达到峰值强度后,并不会突然断裂而是存在一个软化段,此时土体仍然具有一定的承载能力;铁晶砂相似材料的抗拉强度随着松香酒精溶液浓度的增加而提高;随灰砂比的提高,水泥砂浆的抗拉强度和拉伸弹性模量均相应提高。

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明:因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。

砂岩直接拉伸蠕变特性及Burgers模型的改进与应用

应用自行研制的岩石直接拉伸装置对红砂岩进行了单轴直接拉伸蠕变试验,试验结果表明,在低应力状态下砂岩的直接拉伸蠕变由衰减蠕变和稳态蠕变组成,高应力状态下砂岩直接拉伸出现历时较短的加速蠕变阶段。在对蠕变特性分析的基础上对Burgers蠕变模型进行了改进,引入了一个非线性黏塑性体,并基于BFGS算法对拉伸作用下蠕变试验结果进行直接拟合。结果表明,基于BFGS算法的改进Burgers蠕变模型理论曲线与试验曲线吻合效果较好,引入模型的非线性黏塑性体其黏性系数ηN的初始值较大(1019以上),该非线性黏塑性体在砂岩的加速蠕变阶段起到主导作用;改进Burgers模型不仅可以描述砂岩直接拉伸状态下的衰减蠕变和稳态蠕变阶段,而且可很好地描述砂岩加速蠕变过程。

岩石直接拉伸破坏过程及其分形特征的三维数值模拟研究

通过建立带有残余强度的弹脆性拉伸损伤细观力学模型,运用并行有限元计算手段,模拟不同均匀程度的岩石试样在直接拉伸应力作用下的破坏演化过程,得到拉伸断裂位移–应力全过程曲线,并进行理论和试验对比分析验证。通过分析非均匀性对拉伸过程中非线性力学行为及断裂破坏形态,最后讨论了拉伸断裂破坏的分形特征。数值试验结果表明,非均匀程度对岩石直接拉伸破坏过程中的非线性行为有很重要的影响。岩石细观非均匀程度越高,宏观表现出的直接拉伸强度和初始弹性模量越高,破坏的脆性程度越强,但是残余变形能力和残余强度越低,断口表现出更为光滑的形态。三维空间的破坏分形分析表明,分形维数随着拉伸的进行而逐渐增加,当岩石完全拉伸断裂之后分形维数增加到一个恒定的最大值,而分形维数的变化情况同样反映了岩石的非均匀程度和脆性拉伸破坏程度。

PBX巴西试验与直接拉伸试验的比较

为了研究用巴西试验测量PBX炸药间接拉伸强度的有效性,对PBX炸药进行了巴西试验和直接拉伸试验。结果表明,巴西试验测得的间接拉伸强度为3.60 MPa,直接拉伸强度为5.50 MPa,间接拉伸强度约为直接拉伸强度的65%。裂纹分析表明,巴西试验后PBX样品端面的初始开裂发生在中心点外,如偏心破坏,或者应力集中区的破坏,不满足巴西试验条件之一—中心起裂,认为巴西试验不能准确地表征PBX的拉伸强度。

重庆红砂岩单轴直接拉伸蠕变特性试验研究

以重庆市典型的红砂岩为研究对象,应用自行设计加工的岩石单轴直接拉伸装置进行该红砂岩的单轴直接拉伸蠕变试验。基于试验结果,研究红砂岩在单轴直接拉伸作用下的轴向蠕变、侧向蠕变以及卸荷蠕变规律,并探讨红砂岩蠕变断裂特征。最后,应用改进的非线性西原蠕变模型分别对该红砂岩的轴向、侧向蠕变试验曲线进行辨识,基于Levenberg-Marquardt(LM)优化算法的Matlab编程获得改进西原模型的材料参数。蠕变模型与试验结果比较,显示蠕变模型在该红砂岩直接拉伸蠕变中的适用性。研究成果丰富了重庆市红砂岩蠕变资料,对该地区进行大型岩土工程具有积极的指导意义。

水工沥青混凝土直接拉伸力学性能试验研究

水工沥青混凝土的拉伸力学性能对深入研究高土石坝防渗体结构拉裂破坏等问题至关重要。针对现有水工沥青混凝土直接拉伸试验存在的问题,本文研发了可温控的直接拉伸试验装置,在-30~15℃环境中开展了直接拉伸力学性能试验研究;基于Mohr-Coulomb准则,分析了黏聚力和内摩擦角随温度变化的规律。试验结果表明:当温度小于0℃时,拉应力与应变大致呈线性关系,试件达到峰值应力随即断裂;当温度大于0℃时,试件达到峰值应力后经历了一定程度的塑性变形而后断裂,并随着温度的升高,塑性变形的范围越大。当温度由-30℃升高至15℃时,拉伸强度和黏聚力随温度的升高先增大后减小,温度为-20℃时,拉伸强度和黏聚力最大;拉伸模量随温度的升高而降低;峰值应变随温度的升高而增大;内摩擦角随温度的升高先减小后增大,温度为0℃时,内摩擦角最小;在拉伸荷载作用下,试件断裂面中骨料断裂的比例随温度的升高而减小。此外,本文提出的经验公式较好反映了拉伸强度、拉伸模量、峰值应变、黏聚力及内摩擦角随温度变化的规律,与试验结果吻合较好。

不同环境下混凝土动态直接拉伸特性研究

在MTS810电液伺服万能试验机上对47个哑铃形混凝土试件进行了不同应变速率(10-5～10-0.3s-1)下的直接拉伸试验,系统研究了两种湿度、两种温度混凝土在不同加载速率下抗拉强度、初始弹性模量、泊松比、临界应变,以及吸能能力与应变速率之间的关系.试验结果表明,混凝土速率敏感性是由混凝土中自由水产生的粘滞性以及破裂形式的改变引起的;随着含水量的增加,混凝土的拟静态强度有降低的趋势,对应变速率的敏感性有所提高;在低温条件下混凝土的拟静态强度较室温条件下有所提高,对应变速率的敏感性却有所降低.

超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究

对已有应变硬化水泥基复合材料薄板型试件的直接拉伸试验方法进行改进,并利用改进后的测试方法研究超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composite,简称UHTCC)的受拉性能,通过试验系统地给出利用国产基体原材料配制的超高韧性水泥基复合材料的直接拉伸特性,具体包括直接拉伸应力-应变曲线和极限裂缝宽度等特征指标。试验结果表明,所研制的超高韧性水泥基复合材料的极限拉应变可以稳定地达到3%以上,并具有良好的裂缝宽度控制能力,在荷载达到峰值的情况下对应的裂缝宽度可以有效地控制在100μm以内,有些甚至在50μm以内,可称为"无缝混凝土"。还利用该方法对具有不同初始缝高比的双边对称开口薄板试件进行系统地研究,试验表明超高韧性水泥基复合材料对缺口不敏感,即使在初始缝高比达到0.5的情况下,超高韧性水泥基复合材料仍具有显著的应变硬化性能及良好的裂缝无害化分散能力。超高韧性水泥基复合材料这些优异的性能将使其在结构防裂、防水、抗震、耐久性修补与防护等方面发挥显著作用。

再生混凝土动态直接拉伸的试验研究

利用大直径（75mm）分离式霍普金森拉杆（SHTB）,对再生粗骨料取代率分别为0%、25%、50%、75%和100%的5组圆柱体再生混凝土试样进行应变率范围为10^0-10^2 s^-1的动态直接拉伸实验,研究再生混凝土的动态直接拉伸力学性能及其破坏形态。试验结果表明,再生混凝土的抗拉强度随平均应变率的增加而增大,而再生混凝土的破坏形态与平均应变率有关,这表明再生混凝土具有明显的率敏感性。在相同水灰比下,再生混凝土准静态拉伸强度比普通混凝土低1.3%-15.9%,动态拉伸强度比普通混凝土低1.7%-29%,此研究为再生混凝土的工程应用提供一定的理论依据。