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。     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值.该研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测.首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率.随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律.最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,该研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性.该研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据.     

混凝土平面应变断裂韧度测试初探

本文对混凝土三点弯曲试验资料分析研究,通过详细数据计算得到混凝土平面应变断裂韧度(仅制备预制裂纹)的初步数值.并对混凝土平面应变断裂韧度的测试结果做了深入讨论.     

混凝土断裂尺寸效应的研究进展

混凝土结构断裂破坏的尺寸效应问题是近几十年来一个十分重要的研究领域．本文分析了混凝土断裂参数产生尺寸效应的原因,讨论了断裂过程区的测试方法,对国内外提出的一些尺寸效应的分析方法进行了评述．在此基础上对混凝土断裂尺寸效应的研究提出了自己的看法      

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.     

岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟

采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程。试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程。单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂。分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系。随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律。最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应。     

岩石三轴力学教学实验装置研制及教学应用

随着构思—设计—实现—运作教学理念在国内高校的推广,实验教学对学生学习越来越重要,但传统的常规三轴力学实验装置造价高且实验过程具有一定的危险性。为了克服以上实验教学过程中的局限,设计了一种内置框架岩石三轴力学教学实验装置。该装置省去了传统装置中体积巨大的框架结构,具有刚度大、体积小、成本低、操作安全简单等特点,有利于在实验教学中激发学生的科研兴趣,培养学生的动手实践能力。

     

蠕变裂隙扩展与岩石长时强度效应实验研究

本文对岩体强度弱化与裂隙蠕变断裂行为之间基本关系，应用实验手段，从宏观，细观等角度进行了对比研究，得到了裂隙岩体强度弱化与裂隙扩展过程之间的基本关系，为裂隙岩体蠕变稳定性分析提供了实验依据。     

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.      

An experimental study of rock compression shear fracture nucleus

This paper presents the research results concerning the microcracking zone near the notch tip in rock by compressive shear fracture specimen. By the white light speckles method, photoelastic coating test and microscopic observation on rock slices, it is has been found that the said microcracking zone is of asymmetric mulberry leaf shape and the rock grains in the zone are broken so as to form many cracks. In addition, a full field displacement pattern is obtained. The tests also demonstrate that the principal fracture plane of the rock in the compressive shear state is to propagate along the boundary plane of the microcracking zone. Finally, this paper gives a shape equation which describes the microcracking zone, of fracture nucleus for the rock under compression and shear.The project Supported by National Natural Science Foundation of ChinaThe engineers involved in this projcet are Shao-Ping Gong, Shan-Yu Zhang, Xiang-Gui Long, Zhi-Jun Li, Cui-Yun Zhou, Chun-Ming Hu, Zhong-Jian Chen and Ru-Qiang Zhang.     

用试验室尺寸的试样预测混凝土及岩石结构的准脆性断裂

0Introduction Thefracturepropertiesofconcreteandrockmaterials,suchasfracturetoughnessKICand strengthfthavebeenofgreatinterestsformanyyearsbecauseoftheirimportantroleincontrolling thestructuralintegrityofvariousengineeringstructures[1-27].Varioustestingtec…     

Prediction of Quasi-Brittle Fracture of Concrete and Rock Structures Using Laboratory-Sized Specimens

A simple method is developed for predicting the fracture behaviour of struetures made of quasi-brittle materials sueh as eonerete and roek using the data from laboratory-sized speeimens. The method is based on the reeently-developed boundary effeet concept and associated asymptotic model. It is demonstrated that the ＂apparent＂ size dependence of fraeture behaviour of concrete and rock is in fact due to the influence of specimen boundaries. Various size effect phenomena that are often observed in fracture meehanies tests of eoncrete and roek are related to each other, and the asymptotie boundary effect model can explain all the observed ＂size＂ effeet phenomena. Four types of experimental results available in the literature （ineluding the data measured on （1） the speeimens of identical size with different crack-to-size （α） ratios, （2） specimens of different sizes with different a-ratios, （3） different types of specimens and （4） geometrieally similar speeimens） are used to verify the asymptotic boundary effect model, and it is found that the predictions of the model agree very well with the experimental results. Furthermore, the important fracture properties, fracture toughness KIC and strength f, of quasi-brittle materials sueh as eonerete and roek can also be calculated using the formulae provided in the model.     

三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析

分析了三维Cosserat连续体理论中的应力应变特征,推导了三维Cosserat连续体的有限元方程,基于ABAQUS计算软件提供的用户单元子程序(UEL)接口编写了弹性Cosserat连续体三维20节点有限元程序,并分析了微悬臂梁自由端的挠度问题和微杆扭转问题。通过与基于经典连续体理论的解析解及有限元数值计算结果进行比较,表明所发展的三维Cosserat连续体有限元能有效地模拟微结构尺寸相关效应问题,即随着微结构尺寸与材料内部长度参数的接近,基于Cosserat连续体有限元分析得到的微梁的挠度以及微杆的转角与经典连续体的解析解及有限元解相比越来越小;反之,Cosserat连续体有限元的计算结果与经典连续体的解析解及有限元数值解较为一致。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method）,探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

动力应变局部化传播及尺寸效应数值模拟

采用 FLAC-3 D模拟了应变软化岩土材料局部化剪切带的发展、扩容对剪切带倾角的影响及试件的宽度效应。随着加载时步的增加 ,彼此孤立的两个应变场逐渐靠近、叠加 ,最终形成了剪切带网络。无论端面约束强或弱 ,剪切带的倾角的数值模拟结果都与罗斯科倾角比较接近。增加试样宽度 ,剪切带的宽度增加 ,剪切带变得不平直 ;宽度越大 ,岩样上端面中点的压应力 -加载时步曲线的峰值强度越大 ,宽度对弹性阶段没有大的影响     

Particle flow study on strength and meso-mechanism of Brazilian splitting test for jointed rock mass

A discrete element method （DEM） called particle flow code （PFC2D） was used to construct a model for Brazilian disc splitting test in the present study. Based on the experimental results of intact Brazilian disc of rock-like material, a set of micro-parameters in PFC2D that reflected the macro-mechanical behavior of rock-like materials were obtained. And then PFC2D was used to simulate Brazilian splitting test for jointed rock mass specimens and specimen containing a central straight notch. The effect of joint angle and notch angle on the tensile strength and failure mode of jointed rock specimens was detailed analyzed. In order to reveal the meso-mechanical mechanism of crack coalescence, displacement trend lines were applied to analyze the displacement evolution during the crack initiation and propagation. The investigated conclusions can be described as follows. （1） The tensile strength of jointed rock mass disc specimen is dependent to the joint angle. As the joint angle increases, the tensile strength of jointed rock specimen takes on a nonlinear variance. （2） The tensile strength of jointed rock mass disc specimen containing a central straight notch distributes as a function of both joint angle and notch angle. （3） Three major failure modes, i.e., pure tensile failure, shear failure and mixed tension and shear failure mode are observed in jointed rock mass disc specimens under Brazilian test. （4） The notch angle roles on crack initiation and and joint angle play important propagation characteristics of jointed rock mass disc specimen containing a central straight notch under Brazilian test.