不同化学溶液下砂岩I型断裂韧度及其强度参数相关性的试验研究

本文通过长期浸泡的方法,以陕西铜川新区龙潭水库典型的库岸边坡的砂岩为研究对象,研究了浸泡在不同化学溶液下砂岩的力学特性及其损伤劣化机制,分析了经不同化学溶液腐蚀后试样的物理力学特性随化学腐蚀时间的劣化规律。研究发现：化学腐蚀后砂岩的物理力学特性均发生不同程度的劣化,其随化学腐蚀时间的劣化规律基本一致;但不同化学溶液下试样物理力学特性的劣化程度有所差异,酸性溶液（pH=3.0）加剧了砂岩的劣化程度,中性化学溶液对其损伤劣化程度也有一定的影响,试验初期,强碱性溶液下砂岩的劣化程度最小,但随着化学腐蚀时间的加长,强碱性溶液下的劣化程度逐渐加剧,大于中性溶液下的,但仍小于酸性溶液。化学腐蚀后砂岩试样均呈现出明显的弱化趋势,其断裂韧度KIC、抗压强度和抗拉强度的劣化程度显著,但各力学特征的劣化程度存在明显的差异,其中抗压强度的劣化程度相对减小,而其KIC的劣化程度较大;同时,化学腐蚀后砂岩的断裂韧度与抗拉强度、抗压强度间的一致性比较明显,存在明显线性关系。可以利用不同化学溶液下砂岩的裂纹扩展半径r来间接说明其力学特征发生损伤劣化的程度。     

冻融循环和干湿循环作用下砂岩断裂韧度及其与强度特征相关性的试验研究

以三峡库区岸边坡消落带的典型砂岩为研究对象,针对其实际的赋存环境设计了干湿循环和冻融循环2种试验方案,分别研究了2种试验方案过程中砂岩试样的力学特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的砂岩试样经历不同循环次数后各力学参数的变化规律。试验结果表明：干湿循环和冻融循环作用下砂岩试样具有明显的“弱化”趋势,其断裂韧度、抗压强度和抗拉强度劣化趋势基本一致,但试样各力学参数劣化程度却存在差异。其中,断裂韧度KIC的劣化程度最大,抗拉强度次之,抗压强度最小。干湿循环和冻融循环作用过程中砂岩试样各力学参数的劣化程度均非常显著,该现象说明在模拟库岸边坡消落带岩体遭受化学溶液作用时,干湿循环和冻融循环作用均是不可能忽视的影响因素。但比较而言,在冻融循环作用下砂岩试样各力学参数劣化程度更加显著。不同的化学溶液对砂岩试样力学特征的损伤劣化程度的影响有所不同,酸性化学溶液加剧了砂岩的劣化程度,而SO42-离子对砂岩劣化的影响大于HCO3-离子的。     

高温和饱水条件下砂岩的抗剪强度与Ⅱ型断裂韧度的相关性

岩石的抗剪强度与断裂韧度会明显受到温度及湿度变化的影响,由于剪切破环和Ⅱ型断裂破环都与剪切相关,因此二者可能具有一定的相关性.基于此,对无处理、100℃加热、200℃加热以及饱水状态下的砂岩试样进行了直剪实验和巴西圆盘断裂实验,测定了在不同处理条件下试件的抗剪强度参数和Ⅱ型断裂韧度,并对二者的相关性进行了讨论.实验结果...     

一种岩石断裂韧度试样应力强度因子的三维边界元法标定

用三维边界元法(BEM)标定了一种岩石断裂韧度试样的柔度,求出了这种试样的平均无量纲应力强度因子(SIF),并得到了对应于最大载荷时的临界裂纹长度和平均无量纲SIF的最小值.     

变质砂板岩Ⅰ型断裂韧度各向异性初探

Ⅰ型断裂韧度是岩石的主要特征力学参数,且影响因素很多。目前,国内可查的细观层理对岩石Ⅰ型断裂韧度影响的相关研究较少。试验利用隧道开挖中的变质砂板岩,测试了横向、纵向和无细观层理砂板岩纵波波速,并采用三点弯曲圆梁方法研究了相应砂板岩试件的Ⅰ型断裂力学性质。试验表明KIC、断裂破坏挠度、细观层理和纵波波速间存在相关关系,根据试验成果提出各向异性系数Y的概念,利用各向异性系数Y计算的K’IC值与实测的相应试件KIC符合较好。     

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.     

岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。     

Ⅱ型断裂韧度测试功能开发与试验分析

断裂韧度作为岩石的重要力学指标,对认识压剪破坏规律具有重要意义。为解决现有设备缺乏围压冲剪试验(PTS/CP)测试功能的问题,本文基于Ⅱ型断裂韧度测试方法进行试验装置开发,在现有设备上实现了PTS/CP测试功能,并通过青砂岩的PTS/CP试验验证了开发装置的可靠性。青砂岩PTS/CP试验结果表明,在围压侧向约束条件下岩石试样可获得较理想的冲剪破坏面,且随着围压的增大,Ⅱ型断裂韧度K_ⅡC先增大后趋于稳定;通过PTS/CP试验所获得的青砂岩K_ⅡC与其单轴抗拉强度、I型断裂韧度指标之间的关系符合常规认识,说明了PTS/CP测试功能的合理性和装置的可操作性。PTS/CP测试功能的开发可为岩石及类似工程材料的相关教学和科研工作提供试验支撑。     

岩石压剪断裂核的试验研究

本文介绍了岩石压剪断裂试件切口端部微裂区的研究成果。通过白光散斑,光弹贴片测试及切片镜检,查明了该微裂区呈不对称的桑叶状,其内部岩石晶粒碎裂,形成多条裂纹,岩石压剪主破裂面沿微裂区边界面扩展。在上述结果基础上,提出了描述该微裂区的岩石压剪断裂核的形状方程。     

不同化学腐蚀下砂岩冻融力学特性劣化的试验研究

通过研究砂岩试样在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历冻融作用后的物理力学特征,分析了砂岩在不同化学溶液中腐蚀30d后及再经历不同冻融循环次数作用后其物理力学特征的变化规律,同时,借助于体视显微镜和SEM扫描电镜对试样微细观结构的损伤劣化进行了观察,并基于孔隙率的变化建立损伤变量来定量的描述试样的损伤劣化程度。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加,浸泡在不同化学溶液中砂岩试样的峰值强度及其弹性模量均呈现出指数函数的劣化趋势,而其峰值应变却按指数函数的趋势增加。不同化学溶液下砂岩试样的损伤程度随着冻融循环次数的增加而逐渐加剧,酸性溶液下试样的损伤程度大于中性溶液和碱性溶液下的损伤程度,碱性化学溶液下试样的冻融损伤程度最小。酸性溶液加剧了冻融作用下砂岩试样的损伤劣化程度,而中性至碱性溶液下起冻融损伤程度却得到一定的缓解。化学腐蚀作用与冻融循环作用相互促进、共同影响着砂岩试样的损伤劣化程度。     

冲击荷载下岩石动态断裂韧度测定的实验技术

本文介绍了一种研究岩石动态断裂特性的实验技术。该方法采用自行设计的杆式冲击试验机,在加载率K1106Nmm-3/2s-1条件下对三点弯曲试件进行冲击加载。实验中,通过一套光电转换装置测量试件切口张开位移随时间的变化。由双通道的瞬态波形存贮器记录荷载和切口张开位移,得到了冲击条件下的荷载-切口张开位移曲线,通过张开位移速率的转折点来确定起裂点并计算动态断裂韧性K1d。本中给出了长宽高为1804040mm的大理岩试件的典型荷载-切口张开位移曲线和示波照片。试验结果可由微型机直接进行处理。     

水岩化学作用对黑色页岩的化学损伤及力学劣化试验研究

为模拟黑色页岩化学风化中酸性水-页岩化学作用过程,本文对其进行氧化条件下的不同pH值H2SO4溶液的非平衡流动态腐蚀性试验,获得了黑色页岩化学腐蚀前后矿物变化、相对质量损失、次生孔隙率、纵波波速变化及微观结构特征的变化。通过单轴压缩试验,获得黑色页岩在不同浸泡时段的变形和强度特性规律,探讨了酸性水对黑色页岩化学作用的化学损伤和力学劣化的腐蚀效应及机制。研究表明,页岩试件在化学腐蚀后,易溶性矿物成分减小,黏土矿物增加,同时矿物胶结变得松散,矿物边缘变得模糊;页岩试件的相对质量损失与次生孔隙率随pH值减小和浸泡时间的增长而增大,而纵波波速则减小;其力学特性有从脆性破坏向延性破坏转化的趋势,单轴抗压强度和弹性模量有随pH值减小和浸泡时间的增长而减小的趋势。基于次生孔隙率,构建化学损伤变量来描述试件化学-力学损伤演化过程。分析酸性水-页岩化学作用的机理主要为:溶解作用、氧化作用、水解作用及离子交换吸附作用。     

基于微米力学实验的页岩I型断裂韧度表征

页岩断裂韧度($K_{IC})$是页岩气储层水力压裂设计的基础参数之一,由于组成的非均质性,常规宏观力学测量方法存在制样困难、力学解释参数不连续、精度偏低等问题. 如何及时获取页岩的断裂特性,确保安全高效的工程施工,是当前面临的一大问题. 因此,提出了基于微米力学实验的页岩Ⅰ型断裂韧度分析方法,可用于页岩微裂纹起裂、发育直至形成宏观裂纹的机理研究,进行页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测. 基于页岩多尺度组成分析,开展了维氏压头和玻氏压头的页岩微米力学实验,分析了页岩残余压痕与压头间的相似关系、有效测试载荷以及压头参数的优化与选择. 分析了不同压入载荷下的页岩细观断裂韧度分布特征,开展了宏观巴西圆盘实验,验证页岩微米力学测试方法的适用性. 研究结果表明,在有效载荷范围内的页岩细观Ⅰ型断裂韧度波动性较小,当压入载荷过大时,由于岩样压痕区域出现局部剥落导致断裂韧度测量值偏小. 与宏观实验的比对分析显示,微米力学实验的$K_{IC}$平均值为0.86 MPa$\cdot \sqrt{m}$,直槽切缝巴西圆盘实验得到的$K_{IC}$平均值为0.92 MPa$\cdot \sqrt{m}$,两类方法的统计平均值较为接近,页岩局部组成的非均质性使得微米力学测量结果较宏观测试更为分散. 研究结果可用于页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测,为有效解决页岩气储层水力压裂参数评价提供新的思路和方法.      

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态,而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂,也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度,应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果,通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验,发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同,Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现,利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的,如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸,利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

平面应变断裂韧度测试的有效性研究

针对平面应变断裂韧度测试厚度存在的问题,研究了几种材料测断裂韧度所需的实际厚度,拟合了平面应力到平面应变过渡状态下σz应力的分布,分析了过渡状态下的裂端应力场.通过分析不同材料特性和应力状态对断裂韧度KIC的影响,结合金属材料断裂的细观机理,认为平面应变断裂韧度KIC反映的是材料正断的性能,仅代表材料发生正断的指标.结果表明:对于某些高韧性材料,即使满足平面应变条件厚度要求,断裂以剪断为主,很难测出KIC;而对于偏脆性材料,即使不满足厚度要求,只要发生正断,也可测出KIC.结合已有试验结果,为平面应变断裂韧度KIC测定的厚度选择,提出一种合理的预测方法.借助三片模型的研究,给出平面应变断裂韧度的正断指标.     

预制裂缝宽度对HCFBD试件确定岩石断裂韧度的影响

为了考察人工预制裂缝宽度对确定岩石断裂韧度的影响,采用大理岩制作了含有不同预制裂缝宽度的中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(hole-cracked flattened Brazilian disc, HCFBD),在RMT150B试验机上进行试验,对不同预制裂缝宽度圆盘的应力强度因子进行有限元计算,并对测试方法进行了研究。结果表明,采用将预制裂缝宽度视作零宽度裂缝方法确定的断裂韧度值偏低,给出了一种采用最小载荷和最大无量纲应力强度因子确定岩石断裂韧度的新方法,该方法能够消除预制裂缝宽度对圆盘试件测定岩石断裂韧度的影响。     

C40自密实混凝土Ⅱ型断裂韧度的确定

自密实混凝土的Ⅱ型断裂韧度是个很重要的材料参数,而对其Ⅱ型断裂的研究,有助于我们建立复杂裂缝扩展准则并且探索构件断裂失效.为了解自密实混凝土Ⅱ型断裂破坏过程并确定其Ⅱ型断裂韧度,本文制备了7组21个不同缝高比以及不同切口方式的试件,利用半对称加载方式对自密实混凝土做了Ⅱ型断裂实验,并利用ABAQUS有限元建模,模拟计算...     

基于临界距离点法的混凝土Ⅰ型断裂韧度的预测

混凝土的断裂韧度是极为重要的断裂力学材料参数,本文利用临界距离理论(TCD)中的点法和混凝土标准断裂梁试样裂缝尖端应力场的近似解,提出了一种对混凝土断裂问题按临界距离的点法进行分析的方法.基于已有文献的试验材料及其实验结果,分析了这种断裂研究分析方法的可行性.将临界距离点法与双K断裂准则应用于几何相似的混凝土梁的断裂韧性和断裂过程区分析,验证了TCD点法的可靠性.实验表明:临界距离理论的点法能够获得比双K断裂准则相对安全的失稳断裂韧度,利用临界距离法还可得到相应断裂过程区长度的极限估算值.     

岩石断裂韧度试样CCNBD临界应力强度因子的全新数值标定

国际岩石力学学会（ISRM）提出的用人字型切槽巴西圆盘（Cracked Chevron Notched Brazilian Disc—CCNBD）测试岩石I型断裂韧度所必需的量纲为一的临界应力强度因子Y＊min的精度需要进一步改进。本文对CCNBD试样的Y＊min进行了系统的重新标定,CCNBD的几何参数有效范围为0.44≤αB≤1.04、0≤α0≤0.69、0.4≤α1≤0.8。采用有限单元法对CCNBD做三维数值分析,得到了435种CCNBD试样的Y＊min值标定结果;在此基础上全面修正了CCNBD试样Y＊min计算公式中u和v的取值表;给出了不用查表直接确定CCNBD试样Y＊min值的近似表达式,该表达式计算结果与标定结果的相对误差绝对值在1.87%以内。对于ISRM建议的CCNBD标准试样的Y＊min值：ISRM标定值0.84比本文结果0.957小12.2%;分片合成法标定值0.947比本文结果小1.0%;子模型法标定值0.943比本文结果小1.5%。本文特别强调了任何CCNBD试样Y＊min的取值必须在它对应的上限和下限所限定的范围内,这一要求对判断Y＊min标定值是否合理是很重要的。