基于能量平衡法的原状冻土Ⅰ型非线性断裂韧度测试研究

基于能量平衡的原理,采用冻土弯曲断裂试验模型,根据不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律,严格控制试样制作及试验时的温度,对原状冻土进行了断裂韧度测试试验。得出Ⅰ型直裂纹试样的GC和GC*值,从而为原状冻土的非线性断裂破坏问题的研究进行了有意义的尝试,拓宽了思路。

冻土材料非线性断裂模型的试验研究

冻土是多相体复合材料,土体冻结过程中在内部形成空穴、裂隙等多种缺陷。把这些缺陷简化为冻土中的初始裂纹,应用断裂力学理论和试验方法,研究冻土的非线性断裂过程和特征。结果表明:冻土非线性断裂破坏过程由弹性阶段、微裂纹损伤区形成阶段和软化阶段组成,其中微裂纹损伤区形成阶断是冻土非线性破坏的主要表征。把微裂纹损伤区简化为假想裂纹处理,可称为虚拟裂纹,并考虑冻土中冰晶体胶结力作用,给出冻土非线性断裂破坏的胶结力裂纹模型;讨论胶结力的性质与分布,给出微裂纹损伤区长度确定的方法,为理论分析与数值计算提供依据。同时,还对胶结力裂纹模型涉及的非线性断裂韧度指标δC进行测试,给出相应测试方法和结果。

原状冻土非线性断裂韧度测试与修正

在以往原状冻土现场试验方法的基础上,针对原状冻土的非线性断裂力学特性进行了Ⅰ型和Ⅱ型断裂力学试验。在不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律下严格控制试样制作及试验时的温度,利用动态数据采集系统测出试样加力点处位移与力的关系曲线,并计算出相应的非线性参数。提出了利用非线性修正因子计算原状冻土断裂韧度的方法,并算出Ⅰ型、Ⅱ型直裂纹加卸载试样的非线性断裂韧度,将其与岩石断裂力学中的塑性修正因子方法的计算结果进行了对比,二者基本一致,说明该方法可以用来计算、修正原状冻土非线性断裂韧度,从而为冻土非线性理论的研究拓宽了思路。

非线性断裂模式下冻土复合型破坏的数值计算

冻土是多相复合材料,其内部含有很多孔洞、裂隙等缺隙,它的断裂破坏过程像岩石及混凝土等准脆性材料一样具有明显的非线性特征。本文提出了一种胶结力裂纹模型来模拟冻土的断裂破坏过程。这种模型基于在裂纹尖端插入非线性界面元来模拟微裂纹区的胶结力(使裂纹闭合的力),裂纹扩展判据采用最大应变能释放率准则,同时编制程序对冻土Ⅰ-Ⅱ复合型非线性断裂破坏的进行了数值模拟,采用了自适应网格及节点应力释放技术来保证计算结果的精确度。最后将数值模拟的结果与冻土Ⅰ-Ⅱ复合型实验测试数据进行了比较,两者基本符合。

冻土非线性断裂韧度的修正因子测试方法

考虑冻土的非线性断裂力学特征,基于现有J积分测试方法,提出了一种新的冻土非线性断裂韧度的测试方法——修正因子法。在传统方法中J积分可以写成如下表达:J=Je+Jp,其中Je为J积分的线弹性分量,Jp为J积分的塑性分量。Je的计算相对简单;但计算Jp相对困难,原因是其中的参数Up难于确定。为了使计算简单,可将塑性分量改写为Jp=qJe,J积分则改写为J=(1+q)Je,q称为塑性修正因子。该方法通过循环加、卸载试验得到非线性载荷-位移曲线(P-Δ曲线),并由载荷与位移的增量确定修正因子,在获得线弹性分量Je基础上,获得冻土非线性断裂韧度。采用该方法进行了冻土非线性断裂韧度测试,并将测试结果与相关文献结果进行比较,证明了该方法的合理性和有效性。

论非线性断裂力学的基本平衡定律（Ⅱ）──非局部理论（主要结果简介）

本文建立了非线性断裂力学基本平衡定律非局部理论的基础，给出了物体体内，物体原表面，特别是新断裂表面上的平衡方程．后者正是裂纹扩展过程中所应满足的一组必要条件，包括质量条件、动量条件、动量知条件、能量条件及熵条件等．结论是：断裂过程是一个部分诸体内量毁灭和部分诸表面量在新断裂表面上创生的过程．该结果在局部理论范围内是无法解释的．本文是前文［１～３］局部理论结果的继续和推广，本文把前文及非局部连续统理论［４］作为特殊情况包括在内．

压裂裂缝非线性断裂的声发射全波形多参量监测

压裂是油气、地热等流态矿产储层增渗改造以及井工矿围岩控制的重要手段,缝尖断裂过程区(微裂缝区)及裂缝面两侧微裂缝带的发育使压裂裂缝呈非线性断裂,因此,刻画压裂裂缝的非线性断裂是深化压裂理论与有效监测控制裂缝扩展的基础。以岩石中形成(微)裂缝会释放声发射(弹性波)的物理机制为切入点,自主开发了岩石非线性断裂的声发射全波形多参量监测分析程序,优化了高质量波形拾取、波形同步与起振时间计算以及定位算法等系列环节,较现有商业声发射定位程序,定位结果与缝面形态的一致性提升,声发射事件空间分布的离散性降低,进而可通过声发射特征参数的空间展布刻画压裂裂缝断裂过程区与微裂带内能量耗散、损伤程度、多尺寸破裂及拉-剪-压缩(塌陷)断裂机制等空间演化特征,丰富压裂裂缝非线性断裂特性的表征参量。选用四川白砂岩开展了声发射监测下的真三轴压裂物理模拟试验,通过声发射全波形多参量分析方法刻画了压裂裂缝的非线性断裂特征:①通过声发射能量空间分布识别了断裂过程区(31 mm长、12 mm宽)与水力微裂缝带,在压裂裂缝横截面呈条带状的断裂过程区具有非等向发育的特征,断裂过程区是压裂裂缝的优势扩展路径,宏观裂缝面在断裂过程区内部形成并近乎失稳扩展。耗散能在断裂过程区与微裂缝带宽度方向呈“中高两低”的对称分布,累积耗散能沿压裂裂缝扩展方向呈线性递减分布,线性相关系数达0.9。②声发射波速越低表明震源周围损伤程度越高,在断裂过程区与微裂缝带宽度与长度方向,波速均呈起裂点低外侧高的分布特征,表明微裂缝带内损伤程度由起裂点向外侧递减。③在压裂裂缝扩展不同阶段,断裂过程区与水力微裂缝带内的声发射频率呈高低频交错的随机分布特征,表明断裂过程区发育与宏观裂缝的扩展均服从微裂缝萌生与融合同时进行的演化规律。④声发射断裂机制揭示了平面水力裂缝起裂与扩展均以拉张微破裂为主(51.7%~65.3%)的断裂特征,随压裂裂缝扩展,拉张微破裂占比由65.3%降低至51.7%,而剪切微破裂占比由19.3%升高至23.4%,可推断裂缝扩展对裂缝周围岩石压剪效应增强,增渗性提高。

原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.

基于非线性断裂力学模型的混凝土坝闸墩裂缝成因分析

水工混凝土结构开裂是坝工领域最常见的问题。为研究某拱坝工程中孔闸墩常态混凝土开裂原因,采用基于非线性断裂力学的混凝土三维弥散裂缝模型,结合现场裂缝情况,通过三维有限单元法对可能开裂的不同工况进行了仿真计算,分析了闸墩混凝土施工运行期的温度场、应力场的时空变化规律。仿真计算结果表明,基于非线性断裂力学的混凝土三维弥散裂缝模型能有效模拟大体积混凝土结构的开裂现象,大坝正式蓄水发电第1年所遭遇的大寒潮是大坝中孔闸墩混凝土开裂的主要原因。研究结果对后续研究中孔裂缝对工程安全的影响、制定裂缝处理方案具有重要参考意义,同时可为同类型工程制定温控防裂措施提供一定的参考。

核工程石墨断裂力学研究进展

高温气冷堆和熔盐堆作为第四代核电反应堆的主要候选堆型,均采用核石墨作为中子慢化剂和堆芯结构材料。在核反应堆运行过程中,核石墨作为主要的堆芯结构材料将承受常见的机械载荷、不同运行工况下的热应力、辐照变形以及地震作用等,使得石墨构件处于复杂的应力作用下,材料内部的微观损伤不断累积,在键、槽及不连续处的局部应力集中甚至会导致宏观裂纹的出现,从而影响整个堆芯结构的尺寸完整性,威胁反应堆的安全。因此,对核石墨材料损伤和断裂力学特性进行研究很有必要,可提高堆芯结构完整性评估的可信度。本研究首先从材料的失效准则、断裂准则、R阻力曲线、非线性断裂力学模型及多尺度分析方法几个方面介绍了核石墨断裂力学的研究进展;接着归纳了确定核石墨断裂参数采用的标准试验方法,结合常用的试验方法回顾了目前的研究现状;最后,从服役环境的影响、断裂过程区表征和尺寸效应3个方面对核石墨断裂力学研究的未来发展趋势进行了展望。本研究可为核石墨断裂力学模型的提出及完善提供参考,对获取核石墨断裂参数的试验方法选择提供依据,为核石墨断裂力学研究提供思路。

海水海砂混凝土无尺寸效应拉伸强度与断裂韧度的确定

海水海砂混凝土(seawater sea sand,SSC)在岛礁和临海工程建设中有广阔的应用空间。海洋环境下,混凝土容易开裂,严重影响结构耐久性。为确保该新型混凝土在海洋环境下的安全服役,对SSC的断裂力学性能研究以及断裂参数的合理确定至关重要。然而采用传统方法,基于线弹性断裂理论确定的断裂参数,由于未考虑材料非均匀性的影响,不可避免存在尺寸效应。鉴于此,本文利用基于边界效应的非线性断裂理论,考虑材料的非连续性与非均匀性,确定SSC的真实断裂参数。配制最大骨料粒径d max为10和20 mm的海水海砂混凝土,分别进行高度为100和200 mm的三点弯曲梁试验,初始缝高比为0.1~0.7;并用淡水、河砂等质量替代海水、海砂配制普通混凝土(ordinary Portland cement,OPC)作为对照组进行试验。基于边界效应模型,通过引入混凝土平均骨料粒径,得到了SSC的真实无尺寸效应拉伸强度f_(t)及断裂韧度K_(IC),进而结合正态分布分析确定两断裂参数的均值以及具有95%保证率的上下限值,并利用得到的拉伸强度成功预测任意尺寸条件下SSC试件的极限荷载。结果表明:相同骨料级配下,与普通混凝土相比,海水海砂混凝土断裂截面上骨料断裂的比例更高,SSC的拉伸强度及断裂韧度高于OPC;随着最大骨料粒径的增大,SSC和OPC骨料断裂的比例均减小,其断裂韧度K_(IC)均增加,f_(t)降低。所提模型及相关结果可为海水海砂混凝土实际工程设计提供参考。

基于ALOS-PALSAR DEM的山体阴影图识别断裂线性——以西秦岭地区为例

在传统的断裂解译工作中,人们更重视高分辨率的光学影像和DEM,而对中分辨率DEM的重视程度较低。文中基于分辨率为12.5m的ALOS-PALSAR DEM和断裂线性解译标志,对断裂几何学研究薄弱的西秦岭“V”形断裂系进行了目视解译。所得结果包括:1)新发现了多条断裂线性带,例如位于礼县-罗家堡断裂和两当-江洛断裂之间的以NE向为主的断裂线性带;2)完善了已知活动断裂的几何展布图像;3)西秦岭的断裂线性呈“V”形,NW、NE 2组断裂的构造转换方式主要包括相互截切和弧形过渡。研究结果表明,ALOS-PALSAR DEM具有突出的断裂线性显示能力,是高分辨率光学遥感图像的有效补充。研究结果对于完善西秦岭“V”形断裂系的几何图像具有重要意义,也是进一步深入开展断裂几何学、运动学研究的基础。

混凝土断裂过程区的虚拟裂纹粘聚力奇异性

混凝土断裂过程区视为具有粘聚阻力作用的虚拟裂纹 ,其非线性断裂和尺寸效应特性是与该虚拟裂纹粘聚力分布规律密切相关的。通过得到的粘聚应力分布函数解析结果 ,对该粘聚力分布特征的分析得知 ,在基于断裂过程区之外用线弹性场的力学模型上 ,该粘聚力随距离虚拟裂纹尖点的靠近 ,仍具有平方根奇异性。从而本文提出一个能够反映裂纹发展状态的粘聚应力奇异性强度参数 ,它是无粘聚力的线弹性裂纹应力强度因子和表征裂纹张开位移分布多项式参数的函数 ;因此 ,该参数可以作为混凝土非线性断裂的一个参量。

ASME Ⅷ-1—2013防脆性断裂理论背景介绍

介绍了ASMEⅧ-1—2013中防脆性断裂的理论背景,并对冲击豁免曲线、冲击功合格值、低应力工况及加载速率等方面进行了分析讨论。

反应堆压力容器防断裂一体化有限元分析

压力容器在放射性等复杂的载荷下工作,容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展,进而导致灾难性的破坏。我们利用自主开发的一体化结构有限元分析软件ATLAS对防断裂问题进行分析。该软件根据结构有限元分析的应用特点,在特殊的数据结构基础上充分利用GPU的三维渲染能力,并做了大量的优化工作,能让CAE工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。我们首先分析微观孔洞大小及位置对应力分布的影响,然后以压力容器为例,针对其结构及受力状况建立模型及载荷约束,对其各部位受力及变形情况进行分析。在完成有限元求解后,我们对计算结果进行应力线性化,得到应力强度因子。我们依照ASME BPVC III D1附录G的标准进行防断裂分析校核,通过计算数值的比较得出是否满足防断裂要求的结论。基于ATLAS软件提出的压力容器防断裂一体化有限元分析方法可用于压力容器延寿等工程实践中。

青海大武煤田推覆构造遥感分析与含煤远景区预测

边远地区遥感找煤已经成为遥感应用的重要领域。青海大武煤田地处地体缝合带,构造十分复杂。通过遥感线性断裂构造解译及对比分析,发现并确定煤田内主要断裂构造—逆冲断裂。在逆冲推覆构造形成及其对煤系控制分析的基础上,圈定推覆体下远景含煤区3处,其中一处已被钻探验证。

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。

碱激发海砂再生骨料混凝土的制备及其拉伸强度的确定

水泥生产过程中排放大量的二氧化碳,严重污染环境;天然砂石资源日益紧缺;工业废料(如矿渣、粉煤灰)的大量排放以及大批老旧建筑物拆除产生的建筑垃圾均给生态环境带来了巨大的压力。鉴于此,利用矿粉和粉煤灰,通过碱激发技术激发其胶凝活性,完全替代水泥,同时将建筑垃圾破碎成骨料完全替代普通石子,并用海水和海砂拌和,通过确定合理配合比,制备一种新型碱激发海砂再生骨料混凝土。同时,考虑到该新型混凝土未来在海洋工程中的应用,对其抗拉性能的合理评估尤为关键。但由于材料的不均匀性和内部多缺陷等特征,采用传统方法无法得到其真实拉伸强度。因此,利用基于边界效应的非线性断裂理论,通过引入反映材料非均匀性与非连续性的参数,建立了极限荷载与真实拉伸强度之间的线性方程。利用该方程,只需试验中测得极限荷载,即可方便地确定混凝土真实无尺寸效应的拉伸强度和断裂韧度,进而结合正态分布分析确定了两断裂参数的均值以及具有95%保证率的上下限取值。此外,与普通混凝土不同,碱激发海砂再生骨料混凝土断裂面内80%以上的再生粗骨料被拉断。因此,该新型混凝土抗拉性能主要取决于碱激发浆体与再生粗骨料的拉伸强度。

拱坝表面温度裂缝的成因及稳定性分析

结合混凝土材料特性 ,分析了拱坝表面温度裂缝的成因 ,对其混凝土温度过程、温度应力过程进行了分析计算。在此基础上 ,应用线性断裂力学的方法对表面温度裂缝的稳定性进行了分析 。