裂隙倾角对泥质白云岩强度影响试验研究

地下岩体中普遍存在的裂隙是影响岩体拉压性能的重要因素之一。依托贵阳轨道交通工程,采集泥质白云岩,开展劈裂试验和单轴压缩试验,分析了不同裂隙角度对泥质白云岩拉、压性能的影响。结果表明:(1)劈裂试验中,泥质白云岩抗拉强度为3～7 MPa,平均值为5. 03 MPa,抗拉强度随裂隙角度的增大呈下降趋势,劈裂模量为0. 1～2. 84 GPa,整体呈幂函数下降趋势;(2)泥质白云岩的抗压强度较高,分布在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87. 25 MPa;随裂隙角度的增大,试样抗压强度呈先减小后增大趋势;通过理论推导,得出岩体中最易破裂裂隙角度为22. 5°～45°,与试验结果相符;弹性模量随裂隙倾角整体呈上升趋势;(3)通过对泥质白云岩拉压强度对比,得出泥质白云岩抗压强度平均值与抗拉强度平均值之比为18. 97。     

Particle simulation of the failure process of brittle rock under triaxial compression

In order to investigate the failure process of brittle rock under triaxial compression through both experimental and numerical approaches, the particle simulation method was used in numerical simulations and the simulated results were compared with those of the experiment. The numerical simulation results, such as fracture propagation, microcrack distribution, stress-strain response, and damage patterns, were discussed in detail. The simulated results under various confining pressures (0–60 MPa) are in good agreement with the experimental results. The simulated results reveal that rock failure is caused by axial splitting under uniaxial compression. As the confining pressure increases, rock failure occurs in a few localized shear planes and the rock mechanical behavior is changed from brittle to ductile. Consequently, the peak failure strength, microcrack numbers, and the shear plane angle increase, but the ratio of tensile to shear microcracks decreases. The damage formation during the compression simulations indicates that the particle simulation method can produce similar behaviors as those observed through laboratory compression tests.     

岩石材料的剪切破坏特征

基于局部化剪切带不连续分叉理论，分析了轴对称压缩状态下岩石材料的剪切破坏特征。分析结果认为，岩石材料在压缩状态下的脆性破坏总是剪切破坏的，单轴压缩状态下的张破坏是剪切破坏的一种极限情形。剪切破坏的破裂角与岩石的应力状态有关，即随着围压的增加，其剪切带与试样径向的夹角逐步降低，但最终可能趋于一个常数。     

冻融循环后大理岩单轴压缩破坏特性及规律研究

为研究大冶铁矿高边坡广泛分布的大理岩在冻融循环后单轴压缩破坏特性及规律,对岩样进行不同冻融次数和不同冻融温度下的冻融试验后,再进行单轴压缩试验。对比分析其单轴压缩应力-应变曲线及破裂面宏观形态,结果表明:经历冻融循环后的大理岩岩样,随冻融次数的增加和冻融温度的降低,岩样内部损伤趋重,弹性变形减弱而塑性增强;破裂面由张破裂向剪破裂转变,由多断面破裂转变为单一断面破裂;破坏模式由轴向劈裂拉伸破坏模式向轴向拉剪破坏模式逐渐过渡。     

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.     

界面性质对颗粒增强复合材料力学性能和破裂过程的影响

界面的力学性质对复合材料的力学特性和破裂机理具有非常重要的影响。研究了具有不同强度界面的颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能及其破坏过程。从细观尺度考虑了各相材料力学参数的非均匀分布,采用基于细观损伤力学开发的针对材料破坏过程分析的MFPA2D数值模拟程序,对复合材料从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,当界面结合较强时,复合材料的强度较高但韧性较差;当界面结合较弱时,复合材料的强度较弱而韧性较强,说明较强的界面可有效传递荷载,而较弱界面可增加复合材料的韧性。     

多孔材料的孔结构对其力学性能及破裂机制的影响

针对多孔材料的孔结构对其宏观力学性能及其破裂机制与耐久性的影响,对两种不同孔结构的多孔材料进行了单轴压缩和冻融循环试验,建立了能反映材料内部孔隙结构的三维非均匀数值模型,对两种多孔材料在单轴压缩下的破裂机制进行了分析.实验结果表明:孔结构对于金尾矿多孔材料的力学性能有显著影响.较大的孔隙率除会显著降低材料的抗压强度外,吸能性能会显著增加;在±25℃范围内冻融循环10次条件下的试验结果表明,当金尾矿多孔材料的孔隙率较小且为闭孔结构时,孔洞因冻融造成的孔壁颗粒脱落填塞而造成材料的抗冻性能有所提高;孔隙率较小时,金尾矿多孔材料在单轴压缩下的裂纹扩展主要从试件两端向试件中部扩展贯通为一条连续主拉裂纹,次生裂纹较少;而孔隙率较大时,压缩过程会出现大量微裂纹,最终主裂纹附近会伴随大量次生裂纹.     

原位观察铜网格增强Al/Cu复合材料的断裂行为

将一种按正交法编织的铜网格作为增强体引入到铝基体中制备了Al/Cu复合材料,再借助原位拉伸扫描电镜(SEM),观察了铝铜复合材料的组织演变,研究了其断裂机理与力学性能之间的关系.结果表明:在相同轧制变形量下,25 ℃冷轧和400 ℃热轧均可破碎增强体铜网格,并使其均匀分布于基体铝板.复合板原位拉伸下的载荷-位移曲线均表现出明显的弹性阶段、塑性阶段和失效阶段,微裂纹在Cu颗粒周围和应力集中处萌生,主裂纹及其扩展主要是Cu颗粒周围界面分层开裂与微裂纹沿滑移线方向的扩展共同作用下形成的,并且最终沿滑移线的断裂路径与单轴拉伸方向呈45°.发生在Al层的塑性断裂和Al/Cu结合界面上的界面分层断裂是Al/Cu复合板两种主要的失效方式.     

界面强度对柔颗粒增强复合材料破裂特性的影响

界面强度对复合材料的破裂特性和破裂机理具有非常重要的影响。研究了不同界面强度的柔颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破坏过程。在细观尺度上考虑了材料介质力学参数的非均匀分布,采用基于细观损伤力学开发的针对材料破坏过程分析的RFPA2D数值模拟程序,对复合材料从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,当界面结合较强时,复合材料主要发生穿晶破坏,材料韧性较好但强度较差;当界面结合较弱时,复合材料主要产生沿晶破坏,材料韧性较差而强度较好。     

尺寸不规则度梯度分布参数对泡沫金属单轴拉伸力学性能的影响研究

采用数值模拟的方法,定量研究了尺寸不规则度参数为连续梯度分布时,泡沫金属在单轴拉伸下的力学性能;通过对比形状不规则度相同但尺寸不规则度不同的模型结果,明确了尺寸不规则度是影响泡沫金属力学性能的重要因素。结果表明,不规则度连续梯度变化的3D Voronoi模型是横观各向同性材料,单轴拉伸时胞孔局部变形显著;梯度参数影响梯度方向和非梯度方向的力学性能,且对梯度方向的单轴拉伸屈服强度和破坏强度尤其突出,呈二次函数关系,存在最优解。通过对比尺寸不规则度不同但形状不规则度相同的3D Voronoi模型单轴拉伸力学性能,发现梯度方向比非梯度方向的屈服强度和破坏强度受尺寸不规则度的影响更明显,不同于单轴压缩,尺寸不规则度参数是影响单轴拉伸力学性能的重要细观结构参数。对细观结构对多胞材料力学性能的影响研究进行了完善,有助于多胞材料的优化设计。     

单颗粒增强复合材料破裂过程的数值模拟

采用MFPA^2D数值模拟软件,对单颗粒增强增韧脆性基复合材料在单轴拉伸荷载作用下经变形、损伤直至破坏的全过程进行模拟．模拟结果表明脆性基体分别加入复合刚性颗粒和柔性颗粒后具有不同的破坏机制,加入刚性颗粒对材料的强度没有的改善,而加入柔性颗粒后材料的强度虽有所下降,但材料的韧性可以得以显著提高．     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现:在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

芒硝力学特性及其本构模型

为了解芒硝的力学特性,在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了力学试验,包括单轴压缩试验和等围压三轴压缩试验,并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明,芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性,且强度很低,属于软岩的范畴;当围压在5 MPa以上时,芒硝表现明显的应变硬化特征。根据芒硝变形特性,提出了以岩石塑性应变作为微元统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石破坏部分承载力的比例系数,建立了能够反映岩石应变硬化特征的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映芒硝岩样的破坏全过程,且在单轴压缩下,芒硝微元破坏部分承受的力很小,可以忽略;而在高围压作用下,微元破坏部分承受的力比较大,不能忽略。     

硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压模拟

基于硫酸盐腐蚀混凝土单轴受压试验结果,通过对《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中无腐蚀混凝土单轴压应力-应变关系中的混凝土损伤演化参数进行修正,建立了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压本构模型。采用修正后的本构模型,以及ABAQUS软件自带的损伤塑性模型,考虑损伤因子的影响,较好地模拟了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土的单轴受压行为。有限元模拟结果表明：随着硫酸盐干湿循环次数和冻融循环次数的增大,混凝土最大受压损伤因子逐渐增大,损伤范围也逐渐扩大;最大主拉应力逐渐减小,中部压应力逐渐增大,等效塑性应变逐渐增大,混凝土破坏更严重;破坏均属于最大拉应变强度破坏。所提有限元模型可动态反映参数变化过程中混凝土的应力发展与损伤状态,可应用于硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压的模拟。     

1 200 MPa级超高强度钢板冲压成形性能及其断裂机理的实验研究

通过圆筒拉深试验研究了1 200 MPa级超高强度双相钢板（DP1200）和纯马氏体钢板（M1200）的极限拉深成形性能,采用扫描电子显微镜观察分析了钢板的微观组织形貌与结构,探讨了其微观组织结构与断裂机理的关系.结果表明：DP1200和M1200的极限拉延比分别为2.03和1.99,其单向拉伸性能不能准确地反映钢板材料在复杂应力状态下的成形性能;2种钢板的断裂模式均为断口分布着大量韧窝的韧性断裂,但其裂纹扩展机理不同.DP1200中的裂纹是以沿铁素体/马氏体相界为主,兼有穿过马氏体相并扩展的失效模式;而M1200钢中的裂纹是沿马氏体晶界扩展的失效模式.     

Designing metallic glass matrix composites with high toughness and tensile ductility

The selection and design of modern high-performance structural engineering materials is driven by optimizing combinations of mechanical properties such as strength, ductility, toughness, elasticity and requirements for predictable and graceful (non-catastrophic) failure in service. Highly processable bulk metallic glasses (BMGs) are a new class of engineering materials and have attracted significant technological interest. Although many BMGs exhibit high strength and show substantial fracture toughness, they lack ductility and fail in an apparently brittle manner in unconstrained loading geometries. For instance, some BMGs exhibit significant plastic deformation in compression or bending tests, but all exhibit negligible plasticity (<0.5% strain) in uniaxial tension. To overcome brittle failure in tension, BMG-matrix composites have been introduced. The inhomogeneous microstructure with isolated dendrites in a BMG matrix stabilizes the glass against the catastrophic failure associated with unlimited extension of a shear band and results in enhanced global plasticity and more graceful failure. Tensile strengths of approximately 1 GPa, tensile ductility of approximately 2-3 per cent, and an enhanced mode I fracture toughness of K(1C) approximately 40 MPa m(1/2) were reported. Building on this approach, we have developed 'designed composites' by matching fundamental mechanical and microstructural length scales. Here, we report titanium-zirconium-based BMG composites with room-temperature tensile ductility exceeding 10 per cent, yield strengths of 1.2-1.5 GPa, K(1C) up to approximately 170 MPa m(1/2), and fracture energies for crack propagation as high as G(1C) approximately 340 kJ m(-2). The K(1C) and G(1C) values equal or surpass those achievable in the toughest titanium or steel alloys, placing BMG composites among the toughest known materials.     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

花岗岩动态压缩力学特性的实验以及理论研究

简要介绍了花岗岩材料的动态压缩实验结果,同时建立了花岗岩材料的裂纹模型,并基于断裂力学以及纲以细观力学的相关理论,模拟了花岗岩材料的在动态压缩载荷作用下的强度特性,建立了花岗岩材料在单轴动荷载作用下的本构模型。这些模拟结果与实验结果相符。     

页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究

为了弄清层状页岩各向异性对井壁裂缝起裂力学行为的影响,以四川盆地下志留系龙马溪页岩为研究对象,开展了不同角度下页岩单轴压缩和巴西劈裂实验,明确了页岩弹性和抗张强度各向异性特征,建立了考虑页岩各向异性的水平井井壁裂缝起裂力学模型,并分析了不同因素影响下井壁裂缝起裂规律。结果表明：弹性模量各向异性、地应力比值、抗张强度各向异性和孔隙压力对裂缝起裂压力影响显著,而泊松比各向异性影响较小;弹性模量各向异性、地应力比值对裂缝起裂位置和起裂倾角影响显著,而泊松比各向异性、抗张强度各向异性和孔隙压力的影响较小;井壁裂缝起裂力学行为与井眼方位密切相关,当井眼方位靠近最大或最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较小;当井眼方位同时远离最大和最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较大。研究结果可为页岩气水平井钻井井漏预防和水力压裂设计提供理论依据和参考。