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。     

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

论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.     

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。     

Ⅱ型荷载下混凝土剪切断裂的测试研究

有关混凝土的断裂行为已被广泛研究，但很少是针对剪切断裂的情况。本文采用Ⅱ型（四点剪切）加载，进行一系列测试，研究了混凝土单边预制裂纹（SEN）直梁剪切断裂的技术和条纹。初步实现了混凝土的剪切断裂，测得混凝土的Ⅱ型断裂韧度因子K1c。实验结果显示，试件的几何尺寸越大，养护的龄期越长，实验效果越理想，在这两个因素中，试件尺寸的影响更明显。此外，混凝土的配合比与粗集料对测试结果也有重要影响，而细集料的影响似乎并不明显。同时，文中对实验结果进行了详细的分析，最后，得出一些具有工程实用价值的结论。     

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。     

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...     

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.     

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.      

不同含水率和压实度铅锌尾砂抗剪强度试验研究

尾砂的抗剪强度是分析尾矿坝失稳问题的重要参数。为了探究含水率和压实度对铅锌尾砂抗剪强度的影响,开展三种压实度(80%、90%、100%)情况下五组不同含水率(3%、6%、9%、12%、15%)铅锌尾砂试样的抗剪强度试验。结果表明:铅锌尾砂的剪应力随压实度的增大而增大,随含水率的增大先增大后减小;随着含水率的增大,铅锌尾砂的内摩擦角先减小后增大,粘聚力先增大后减小;在含水率为6%时,粘聚力最大;随着压实度的增大,铅锌尾砂内摩擦角和粘聚力均呈线性增长,含水率为6%时压实度对粘聚力的影响最大,含水率超过12%,压实度对粘聚力的影响逐渐减小;保持尾砂含水率在6%左右和提高尾矿坝的压实度,能够有效提高尾砂抗剪强度,降低尾矿坝溃坝危险性。研究结果对尾矿坝的安全管理和稳定性评价具有一定意义。     

光弹模拟岩石分形节理的抗剪强度

本文用分形维数人为地制成具有分形曲线的节理面以模拟岩石节理粗糙度特征，利用光弹技术测定了分形节理最大剪应力随维数变化的过程．研究表明，岩石分形节理的抗剪强度不会随分维的增加而无限制地增大     

多孔砖砌体抗剪强度原位检测的试验研究

多孔砖砌体因具有节约土地能源资源,砌筑效率高,保温隔热和透气性能好等特点,目前已逐步成为砌体结构房屋的主要墙体材料。本文通过多孔砖砌体与标准试件抗剪强度的对比试验研究及试验结果的有限元分析,提出了多孔砖砌体抗剪强度原位双砖双剪的检测方法及其抗剪强度的计算公式。该方法可为多孔砖砌体结构房屋的可靠性评定、房屋建设、事故分析以及抗震加固等提供最基本的技术数据,为多孔砖砌体的应用与推广奠定了基础,并为砌体现场检测技术标准的补充修订提供了依据。     

结构面抗剪强度参数对岩质边坡稳定的影响

边坡工程中,结构面抗剪强度是非常重要的力学参数,合理地选择确定抗剪强度的方法,常常要分析c、φ值在边坡稳定中的作用。根据极限平衡原理,对10~30m高的平面滑动型边坡不同抗剪强度的控稳结构面c、φ值在边坡稳定中的作用进行了定量分析。研究表明c值对稳定系数的影响随坡高增大逐渐减弱,φ值对稳定系数的影响随坡高增大逐渐增强。得到了不同坡高下c、φ值边坡稳定作用等值曲线,该曲线很容易确定抗剪强度参数c、φ值在边坡稳定中的作用。     

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。     

高加载率下Ⅱ型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，用实测的试样加载面上的载荷ｐ（ｔ）结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变，通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明，对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下，两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对４０Ｃｒ钢和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金两种材料的动态Ⅱ型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。     

JRC-JCS模型抗剪强度估算的平均斜率法

结构面对工程岩体的稳定性有着决定性的影响,结构面的抗剪强度参数是分析岩体稳定的关键的参数。本文回顾了结构面抗剪强度估算的JRC-JCS模型及其估算方法,提出了可快速估算结构面抗剪强度参数的平均斜率法,并通过对比分析阐明平均斜率法的优越性。     

节理抗剪强度综合评价的试验研究

选取不同吻合度自然节理试样,进行干燥状态和饱和状态的JRC-JCS模型和JRC-JMS模型试验研究。结果表明,在节理粗糙度系数的定向统计测量和尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用JRC-JCS模型综合评价节理抗剪强度可靠性较好,考虑吻合度系数的JRC-JMC模型比JRC-JCS模型具更好的预测能力。     

软弱结构面粒度成分与抗剪强度参数的关系探讨

软弱结构面一直是水电工程建设中的一个重要工程地质问题, 选取合理的力学参数对大坝建基面的选取及未来坝基抗滑稳定性具有重大意义。本文在大量试验资料基础上, 研究了沉积岩地区某重力坝电站坝址区软弱夹层粒度成分和抗剪强度参数之间的相关关系, 建立了不同稠度状态下的相关方程。并结合《混凝土重力坝设计规范》中提出的用粒度成分定量指标选取软弱结构面抗剪强度参数, 对软弱结构面抗剪强度参数取值问题进行了探讨。     

K0超固结土的不排水抗剪强度

结合K0超固结上模型、旋转角w公式、临界状态不排水条件以及基于SMP的变换应力张量建立了不排水抗剪强度的统一表达式;采用三轴压缩、三轴拉伸的应力洛德角θ、旋转角w建立了三轴压缩、三轴拉伸条件下的不排水抗剪强度公式;基于临界状态士力学,推导出了平面应变条件下的应力洛德角θ、旋转角w的表达式,进而得到平面应变条件下的不排水抗剪强度公式.分别采用三轴压缩、三轴拉伸和平面应变条件下试验数据对所提出的不排水抗剪强度公式进行验证,预测结果和试验数据的基本吻合表明了不排水抗剪强度公式的合理性.     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂角的分层剪滞模型与分析

采用修正的剪滞理论建立了岩石、混凝土等准脆性材料的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝在单向拉伸荷载作用下的计算模型.得到了与实验相吻合且优于传统S判据的断裂角.通过对远场应力、斜裂缝区应力以及子层位秽的合理简化,得到了求解剪滞分析模型的边界条件,进而得到了含斜裂缝的各子层位移分布函数.引入最大应力集中因子,对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝前缘应力场进行简化;基于斜裂缝沿最大应力集中因子方向扩展,得到裂缝的断裂角.根据斜裂缝的应力分布,设置不同的子层分区,得到了更为细化的位移分布模式.通过对计算数据的分析,针对单向拉伸荷载作用下的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝,建立了按应力场分区设置子层的分层剪滞模型,得到更为精确的斜裂缝断裂角.