SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。     

混凝土的断裂参数及断裂过程区

由于混凝土断裂破坏时，裂尖具有微裂缝区及主缝的亚临界扩展这一特征，采用实验室小尺寸试件和线弹性断裂力学确定的断裂参数，往往有明显的尺寸效应，即ｋＩＣ随试件的尺寸的增大而增大，净截面名义应力随试件尺寸的增大而减小。     

骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验;结合数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据;对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones, FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明：随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好;此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。     

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。     

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。     

岩石断裂尺寸效应测试装置研制及实验研究

面向岩石断裂尺寸效应研究的实验装置需求,针对现有技术中三点弯曲装置对多组尺寸岩石试件适应性差、最小跨距的测试量程不足等问题,研制了一种可灵活用于岩石断裂尺寸效应测试的三点弯曲装里.装置采用"两体分离式"的设计,三种不同型号的滚子与压头体、支座体配合使用,有效避免了不同尺寸试件采用同一直径滚子测试带来的实验精度问题;同时...     

往复荷载下混凝土断裂力学特性研究

为研究混凝土在往复荷载作用下的断裂性能,通过往复加载,对带预制切口的混凝土梁进行三点弯曲试验,得到荷载-位移曲线。采用扩展有限元法对三点弯曲梁进行模拟,将数值模拟结果与试验结果进行对比,二者吻合较好,证实了数值模型的可靠性。进而对不同缝高比、不同缺口偏置距离、不同跨度的三点弯曲梁进行模拟,研究混凝土在往复荷载作用下的断裂行为。结果表明:随着缝高比增大,起裂荷载Pini与峰值荷载Pun逐渐减小,临界有效裂缝长度ac逐渐增大;起裂断裂韧度和失稳断裂韧度先增大后减小,当缝高比为0.3左右时,断裂韧度达到最大值。随着跨度增大,临界有效裂缝长度ac逐渐增大,但增幅不超过3.8%;混凝土断裂韧度先增大后减小,但总的变化幅度不超过7.6%。随着缺口偏置距离的增加,起裂荷载Pini和失稳荷载Pun逐渐增大,裂缝扩展为I-Ⅱ复合型裂缝并产生两次曲裂,呈现向上部加载点发展的趋势。     

用短棒试件测试无烟煤的动态断裂韧度

介绍了设计的新型圆台式压头及配套的衬片加载部件,推导了采用新的加载部件进行冲击断裂实验时的断裂韧度计算公式。采用SHPB实验装置,用新加载部件对带有V形切口的无烟煤短棒试件的裂纹尖端施加拉伸载荷,测定了无烟煤的动态断裂韧度。结合准静态实验数据得到了无烟煤断裂韧度随加载率lg(dF/dt)的总体变化规律:当lg(dF/dt)6时,无烟煤的断裂韧度缓慢上升,但当lg(dF/dt)6以后,无烟煤的断裂韧度随加载率的增加快速增大。实验表明:圆台式加载比刀刃式加载更具优越性和适应性,是测试岩石类材料短棒试件动态断裂韧度较好的方法。     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。     

基于数值模拟的混凝土系列有效断裂判据

基于ANSYS平台,对某系列混凝土断裂破坏试验的加载过程进行有限元数值模拟,获得了荷载-加力 点位移曲线.利用获得的曲线,在线性渐进叠加假定的基础上,确定了试件在失稳断裂时的临界有效裂缝长度.将模拟峰值荷载和临界有效裂缝长度代入由LEFM推导出的公式计算了考虑断裂过程区影响的有效断裂韧度.最后,通过对系列试验有效断裂韧...     

Erratum to: Rock Dynamic Fracture Toughness Tested with Holed-Cracked Flattened Brazilian Discs Diametrically Impacted by SHPB and its Size Effect

Dynamic fracture initiation toughness of marble was tested using two types of the holed-cracked flattened Brazilian disc (HCFBD) specimens, which were diametrically impacted at the flat end of the disc by the split Hopkinson pressure bar (SHPB) of 100 mm diameter. One type of the discs is geometrically similar with different outside diameter of 42 mm, 80 mm, 122 mm and 155 mm respectively, and with crack length being half the diameter; another type of the discs has identical 80 mm diameter and different crack length. Issues associated with determination of the stress wave loading by the SHPB system and the crack initiation time in the disc specimen were resolved using strain gage technique. The stress waves recorded on the bars and the disc failure patterns are shown and explained. The tested dynamic fracture toughness increases obviously with increasing diameter for the geometrically similar HCFBD specimens. It changes moderately for the one-size specimens of identical diameter and different crack length. The size effect of rock dynamic fracture toughness is mainly caused by the fracture process zone length l and fracture incubation time τ, the latter being an additional influencing factor for the dynamic loading as compared with the counterpart static situation. Hence a method is proposed to determine a unique value for the dynamic fracture initiation toughness, the approach takes average of the local distribution and time history for dynamic stress intensity factor in the spatial-temporal domain, which is defined by l and τ jointly. In this way the dynamic size effect is minimized.     

Rock Dynamic Fracture Toughness Tested with Holed-Cracked Flattened Brazilian Discs Diametrically Impacted by SHPB and its Size Effect

Dynamic fracture initiation toughness of marble was tested using two types of the holed-cracked flattened Brazilian disc (HCFBD) specimens, which were diametrically impacted at the flat end of the disc by the split Hopkinson pressure bar (SHPB) of 100 mm diameter. One type of the discs is geometrically similar with different outside diameter of 42 mm, 80 mm, 122 mm and 155 mm respectively, and with crack length being half the diameter; another type of the discs has identical 80 mm diameter and different crack length. Issues associated with determination of the stress wave loading by the SHPB system and the crack initiation time in the disc specimen were resolved using strain gage technique. The stress waves recorded on the bars and the disc failure patterns are shown and explained. The tested dynamic fracture toughness increases obviously with increasing diameter for the geometrically similar HCFBD specimens. It changes moderately for the one-size specimens of identical diameter and different crack length. The size effect of rock dynamic fracture toughness is mainly caused by the fracture process zone length l and fracture incubation time τ, the latter being an additional influencing factor for the dynamic loading as compared with the counterpart static situation. Hence a method is proposed to determine a unique value for the dynamic fracture initiation toughness, the approach takes average of the local distribution and time history for dynamic stress intensity factor in the spatial-temporal domain, which is defined by l and τ jointly. In this way the dynamic size effect is minimized.     

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…     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。     

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．     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

Dynamic toughness in elastic nonlinear viscous solids

This work addresses the interrelationship among dissipative mechanisms—material separation in the fracture process zone (FPZ), nonelastic deformation in the surrounding background material and kinetic energy—and how they affect the macroscopic dynamic fracture toughness as well as the limiting crack speed in strain rate sensitive materials. To this end, a micromechanics-based model for void growth in a nonlinear viscous solid is incorporated into a microporous strip of cell elements that forms the FPZ. The latter is surrounded by background material described by conventional constitutive relations. In the first part of the paper, the background material is assumed to be purely elastic. Here, the computed dynamic fracture toughness is a convex function of crack velocity. In the second part, the background material as well as the FPZ are described by similar rate-sensitivity parameters. Voids grow in the strain rate strengthened FPZ as the crack velocity increases. Consequently, the work of separation increases. By contrast, the inelastic dissipation in the background material appears to be a concave function of crack velocity. At the lower crack velocity regime, where dissipation in the background material is dominant, toughness decreases as crack velocity increases. At high crack velocities, inelastic deformation enhanced by the inertial force can cause a sharp increase in toughness. Here, the computed toughness increases rapidly with crack velocity. There exist regimes where the toughness is a non-monotonic function of the crack velocity. Two length scales—the width of the FPZ and the ratio of the shear wave speed to the reference strain rate—can be shown to strongly affect the dynamic fracture toughness. Our computational simulations can predict experimental data for fracture toughness vs. crack velocity reported in several studies for amorphous polymeric materials.