剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度KⅡc的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡc,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ的一般计算公式,并探讨了KⅡc的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理.实验及数值计算结果表明在剪切盒加载下,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KImax的2～4倍,从而导致产生Ⅱ型断裂;测得的KⅡ c值随无量纲切口长度(2a/W)的增加而降低,当2a/W≥0.7,且B≥W,α为65°～75°时,Kc趋近于一个常数,该常数为Ⅰ型断裂韧度KIc的2～3倍,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡc的行之有效的方法.     

脆性岩石反平面剪切(Ⅲ型)断裂机理的有限元分析

采用有限元法分析了反平面剪切盒（Ⅰ＋Ⅲ型）加载下岩石裂纹尖端的应力场,探讨了岩石发生反平面剪切（Ⅲ型）断裂的机理。计算结果表明：在反平面压剪加载下,当压模角α为55°～70 °,附加外压力能有效地抑制裂尖拉应力,使得裂尖最大剪应力与最大拉应力的比值τmax/σ1为3～6,τmax较易在σ1之前达到其临界值,从而发生反平面剪切（Ⅲ型）断裂。反平面剪切盒实验是实现岩石Ⅲ型断裂和测定岩石Ⅲ型断裂韧度KⅢC的有效实验方法。     

脆性岩石反平面剪切(III型)断裂机理的有限元分析

采用有限元法分析了反平面剪切盒(I III型)加载下岩石裂纹尖端的应力场,探讨了岩石发生反平面剪切(III型)断裂的机理。计算结果表明:在反平面压剪加载下,当压模角α为55 o～70 o,附加外压力能有效地抑制裂尖拉应力,使得裂尖最大剪应力与最大拉应力的比值τmax/σ1为3～6,τmax较易在σ1之前达到其临界值,从而发生反平面剪切(III型)断裂。反平面剪切盒实验是实现岩石III型断裂和测定岩石III型断裂韧度KIIIC的有效实验方法。     

如何判断在各种加载下的断裂模式：I型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fθmax/fθmax<1,或2),fθmax/fθmax>1,但fθmax/fθmax1和fθmax/fθmax>KIIC/KIC·fθmax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fθmax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KIC和KIIC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

如何判断在各种加载下的断裂模式:Ⅰ型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fromax/fomax＜1,或2),fromax/fomax＞1,但fromax/fomax＜KIIC/KIC;Ⅱ型断裂发生的前提条件是:fromax/fomax＞1和fromax/fomax＞KIIC/KIC·fromax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fomax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KⅠC和KIJC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

应力强度因子KⅡ的光弹性测定

作者采用了四点剪切加载方案,作了纯Ⅱ型裂纹K_I的测定.实验表明:光弹性法既能应用于测试Ⅰ型及混合型裂纹的应力强度因子,且能应用于纯Ⅱ型裂纹应力强度因子的测试,本文对Ⅱ型裂纹的断裂研究有一实的参考价值.     

混凝土Ⅱ型断裂的FCM和断裂能

本文讨论了混凝土Ⅱ型断裂的机理,并给出了一个产生Ⅱ型断裂的充分条件.从而,提出了Ⅱ型虚拟裂纹模型(FCM).并据此用有限元计算了属于Ⅱ型的剪切断裂能和压剪断裂能.在用刚性加载架对混凝土试样测得剪切荷载-切口相对位移全曲线的基础上,获得了剪切断裂能和压剪断裂能的试验值,它与电算值相当接近.试验结果表明,混凝土Ⅱ型断裂能约为Ⅰ型断裂能的20倍.     

反平面剪切(Ⅲ型)加载下岩石断裂特征的有限元分析

采用有限元方法分析了在反平面剪切（Ⅲ型）加栽下岩石裂纹尖端的应力场及其尺寸效应，探讨了岩石在Ⅲ型加栽下的起裂角与断裂机理，并与实验结果加以对比．结论表明，在Ⅲ型加栽条件下，岩石不一定产生沿原裂纹面裂纹扩展的Ⅲ型断裂．当试件的最大剪应力与最大拉应力之比τmcr／σ1小于其临界值之比τ1／σ2时，往往产生偏离原裂纹面方向而沿着最大拉应力方向的拉伸（Ⅰ型）断裂，断裂轨迹为一空问螺旋面．为实现Ⅲ型加栽下沿原裂纹面扩展的Ⅲ型断裂，建议采用S／L〉0．8和a/w〈0．2的反平面冲剪试件．     

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD-SHPB(Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验,进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,测得不同温度下试件两端平均载荷P珔随时间的变化关系,将最大P珔max代入中心裂纹圆盘应力强度因子K I公式,获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度K Id。测试结果表明,温度处于10~100℃时,花岗岩动态断裂韧度K Id随着温度的升高逐步下降,近似呈线性关系。     

岩石Ⅰ、Ⅱ复合型断裂判据的研究

本文采用三点弯曲、四点弯曲的断裂试验方法对岩石的断裂韧性以及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据进行了研究,得出了岩石的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据:K_Ⅰ~2+AK_ⅠK_Ⅱ+BK_Ⅱ~2=K_(ⅠC)~2并将试验结果与最大拉应力(σ_(θ_(max)))理论和最小应变能密度因子(S(θ_(min)))理论进行了分析比较。     

T应力对岩石断裂韧度及扩展路径的影响

为了准确预测岩石类材料复合断裂韧度及裂纹扩展路径,提出结合T应力的修正最大周向应力断裂判据.该修正最大周向应力断裂判据是采用双参数模型(应力强度因子K和T应力)来描述岩石断裂的行为,对岩石类材料复合断裂进行理论计算和实验.结果表明:软岩半圆盘实验所得断裂韧度与传统最大周向应力断裂判据预测结果有较大误差,而修正最大周向应力断裂判据预测结果和实验结果相吻合;当T应力为正并且超过某一定值时,裂纹的扩展路径将发生偏折;T应力对脆性材料断裂试件的断裂韧度和裂纹扩展路径有影响.     

Ⅱ型断裂试样应力强度因子有限元分析

采用八节点四边形等参元蜕化的三角形四分之一点奇异单元,对四点弯曲(FPB)和双剪(DFS)纯剪切Ⅱ型断裂试样进行了有限元分析,并归纳了多项式应力强度因子K_Ⅱ表达式;K_Ⅰ/K_Ⅱ<0.02,基本属纯Ⅱ型,计算精度满足工程要求,可用于测定Ⅱ型应力强度因子临界位K_(Ⅱc)。     

岩石Ⅱ型裂纹扩展的一般规律

对大理岩Ⅱ型裂纹的扩展规律进行了实验研究，认为岩石Ⅱ型裂纹的扩展具有机理完全不同的Ⅰ型、Ⅰ－Ⅱ复合型及Ⅱ型３种断裂形式，因而有３个不同的剪切断裂韧性及在纯剪断裂条件下，由此认为剪切裂纹的扩展应有３个不同的判据。     

混凝土Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹有效断裂准则

利用单边切口四点剪切梁进行了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验研究。根据试验结果采用四分之一点奇异有限元法计算了各试件的应力强度因子ＫⅠ和ＫⅡ；结合本文的试验结果在广泛收集、分析国内外混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验资料的基础上，建立了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型有效裂纹断裂准则，并与已有断裂准则进行了比较。     

脉冲载荷影响岩石动态断裂韧性的有限元分析

依据岩石材料的力学性质以及中心裂纹圆盘试件在脆性材料断裂韧度测试方面的优越性,提出了在霍布金森压杆上使用中心裂纹圆盘试件来测试岩石动态断裂韧度的试验方法。利用有限元分析软件,通过对该试验系统的纯Ⅰ型加载情况下的三维动力学有限元计算,系统的分析了加载脉冲上升沿对岩石类材料动态断裂韧度测试的影响。通过比较中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解,依据有限元分析结果确定动载荷脉冲上升沿时间对岩石动态应力强度因子的影响,从而选择合理的时间值。     

基于离散元模型的岩石Ⅱ型断裂研究

为了解决岩石Ⅱ型断裂韧度的准确测量问题，提高对工程裂隙岩体稳定评价的可靠性，采用颗粒离散单元法，从微观裂纹、声发射及块体特征角度出发，结合断裂韧度计算，对短芯压缩(SCC)试样进行了数值研究。结果表明：随着切槽间距比(C/H)的增加，试样破坏模式会由纯剪向拉剪混合过渡；声发射模式前震-主震-后震型(C/H≥0.3)的转变与块体破坏特征也验证了这一结果；当C/H=0.2时，计算所得的断裂韧度与室内试验测得的值相符，验证了所采用方法对于Ⅱ型断裂韧度测试的准确性。借助离散单元法阐明了短芯压缩试样的破裂特征，从裂纹扩展的角度明确了切槽间距变化对破坏形态及破坏模式影响的规律，可为实验室精确测量岩石Ⅱ型断裂韧度提供参考。     

混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹有效断裂准则

利用单边切口四点剪切梁进行了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验研究．根据试验结果采用四分之一点奇异有限元法（ｔｈｅｑｕａｒｔｅｒ－ｐｏｉｎｔｓｉｎｇｕｌａｒｅｌｅ－ｍｅｎｔ）计算了各试件的应力强度因子ＫⅠ和ＫⅡ；结合本文的试验结果在广泛收集、分析国内外混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验资料的基础上，建立了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型有效裂纹断裂准则，并与已有断裂准则进行了比较     

考虑断裂过程区的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据研究

根据以前的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂实验资料,同时采用数值模拟实验的方法,基于双K断裂准则,分别计算了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试件失稳断裂破坏时,断裂过程区影响的临界有效裂缝长度ac及应力强度因子KⅠ、KⅡ。根据分析计算结果,建立了考虑断裂过程区的新的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂K判据,并与课题组以前的K判据作了分析比较。     

渗透压下岩石翼形裂纹应力强度因子及断裂判据

为研究渗透压下岩石翼形裂纹面部分闭合情况下的破坏行为,建立多裂纹间相互作用下压剪翼形裂纹的力学模型,推导得到岩石翼形裂纹尖端应力强度因子表达式.分析不同起裂角条件下,应力强度因子随岩石翼裂纹长度的变化规律,并对参数进行敏感性分析.基于摩尔-库伦准则,推导考虑裂纹间相互作用的部分闭合型裂纹的断裂韧度表达式,得到岩石在压剪应力作用下Ⅰ,Ⅱ型裂纹的复合断裂判据.分析结果表明:裂纹间相互作用对应力强度因子的影响效果显著;应力强度因子在起裂角为65°左右时达到最大;应力强度因子对裂纹起裂角和翼形裂纹长度较敏感,对裂纹闭合度的敏感性较小.     

用短棒试件测定岩石的动静态断裂韧度

采用自行设计的加载压头和粘接在V形切口短棒岩石断裂韧度试件上的2个半圆形钢片,实现了通过压头施加压缩载荷从而使裂纹尖端承受拉仲载荷的目的。用这种方法可测定岩石的断裂韧度。特别是可以在分离式霍布金生压杆装置上较方便地测定应力波加载时岩石的动态断裂韧度。研究了加载率对岩石断裂韧度等材料性能的影响,并给出大理岩动静态断裂韧度的测定结果。