基于颗粒流法的岩石断裂韧度确定

 岩石断裂韧度是岩石断裂力学中最为重要的参数和指标,它表征岩石材料抵抗裂纹扩展的能力或产生新裂纹表面所需克服的阻力。本文运用离散元法对含预置裂隙的岩石模型破碎过程进行数值模拟,并从能量平衡角度全面模拟巴西圆盘实验加载过程中岩石模型的各种宏观力学响应和裂隙扩展等情况,进而计算岩石的断裂韧度,得到模拟岩样的平均断裂韧度为1.428MPa·m^1/2,依据试验数据计算得到岩样的平均断裂韧度为1.405MPa·m^1/2。计算结果与实验值能够很好地吻合,从而证明了本文方法的有效性和实用性。     

基于裂纹扩展的管道钢阻力曲线测试评估

高级别新型管线钢的不断涌现,其管材韧性和强度都得到了大大提高。然而,现有断裂韧性测试方法要求采用高约束的标准试样,管线钢很难满足试样尺寸条件,管道钢断裂韧性和裂纹扩展阻力的测试需要经过大量的实验和数值模拟评估。本文利用三点弯试样,测试了X65管线钢的断裂韧度和阻力曲线,对现有断裂韧度测试标准进行了评估,利用损伤模型评估了X65管材阻力曲线的厚度约束效应。结果显示：标准BS7448比ASTM-E1820计算得到的CTOD值更大,并且随着裂纹扩展长度增加,两种方法得到的CTOD比值增大。     

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。     

中低速冲击载荷作用下SCT岩石试样Ⅰ型裂纹的动态扩展行为

为研究侧开单裂纹三角形(SCT)岩石试样的动态扩展行为和断裂韧度,采用落锤冲击实验系统进行动态加载,通过裂纹扩展计(CPG)得到裂纹的断裂时间和扩展速度;用有限差分软件AUTODYN进行数值模拟,验证实验结果的可靠性;将实验测量的载荷条件代入有限元软件ABAQUS建立的数值模型中,得到动态应力强度因子时程曲线,通过普适函数修正后,利用断裂时间得到动态断裂韧度。研究结果表明:SCT试件构型能够较好地应用于岩石动态扩展行为的研究;砂岩的扩展韧度与裂纹扩展速度呈负相关;数值模拟得到的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,裂纹扩展速度不为常数;岩石裂纹动态扩展过程中可能存在止裂现象,止裂韧度大于扩展韧度,但与起裂韧度相差不大。     

砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究

通过对尺寸成等比例的砂岩试样进行三点弯曲试验,研究了 Ⅰ 型断裂问题中试样尺寸对砂岩断裂参数的影响.结果表明:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数.基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数.为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用数字图像匹配技术(DIC)测定相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符.     

岩石断裂韧性的研究

本文首先从理论上和数值计算结果上定性地分析了岩石内部的节理、裂隙及孔洞、空隙等对裂纹尖端的应力集中的影响,并通过实验手段测出了岩石试件裂纹尖端的应力集中松弛系数R,由此对岩石断裂韧度K_(IC)计算公式进行了修正;对边界配位法理论的最佳配点数m的取值问题也进行了研究。还以对岩石断裂韧度测试中三点弯曲试件的尺寸要求进行了试验研究。     

水岩作用下砂岩断裂韧度及抗拉强度的试验研究

为了解在考虑时间效应的水岩作用下砂岩Ⅰ型断裂韧度、抗拉强度的变化规律及其相关性,选取三峡库区库水变幅带砂岩为研究对象,设计紧凑的实验方案,对周期性饱水-风干循环状态和长期饱水状态下的砂岩试样开展了三点弯曲断裂韧度试验和劈裂抗拉强度试验.试验结果表明:在水岩作用下,砂岩的断裂韧度和抗拉强度软化效应明显,且随着浸泡时间的增加,软化效应呈先增大后稳定的趋势.同时,在同一周期内砂岩试样的断裂韧度和抗拉强度有相近的软化系数,契合岩石的抗拉强度和断裂韧度存在较好的相关性.最后通过数据拟合得到了砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关关系,拟合相关性较高,并通过与试验数据的比较,验证了公式的可行性.研究成果对水岩作用下砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关性有一定的参考价值,为通过砂岩抗拉强度预测估算断裂韧度提供了便利,同时也可为其他类型岩石的相关研究提供参考.     

脆性破坏统计理论和混凝土断裂韧性的尺寸效应

不少学者在试验中已经发现,混凝土断裂韧度的数值是随着试样尺寸的增大而增大的,这就是混凝土断裂韧度的尺寸效应.用Weibull脆性破坏统计理论来研究这个问题,是一个有效的途径,本文研究了混凝土直三点弯曲试样断裂韧度的尺寸效应,用Weibull理论分别按链条模型和修正链条模型两种情况导出了尺寸效应关系式.并进行了6组试样的试验加以验证.此外,本文还收集了两种典型试验资料进行对比验证.从而明确了在研究断裂韧度的尺寸效应时,系数α由非均匀应力场的比例试样确定,精度较高.     

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。     

用环状裂纹圆棒拉伸试样测定30Cr2MoV转子用钢的断裂韧度

本文介绍了一种用带圆环状裂纹的圆棒拉伸试样测定中强钢的断裂韧度方法.结合测定30Cr_2MoV转子用钢的断裂韧度,扼要介绍了测试设备、测试方法、计算方法,并给出此种试样的尺寸要求.     

页岩声发射RA值及其分形特征的试验研究

对页岩进行常规三轴压缩条件下的声发射试验,得到其声发射RA值时间序列,并利用MATLAB编程计算其关联维数,得到分形维数与时间的耦合关系,采用分形理论对其进行分析,以研究页岩在常规三轴压缩破坏过程中的微观机制及其分形特征。结果表明:1)页岩在常规三轴压缩破坏过程中的裂纹为张剪复合裂纹,并以剪切裂纹为主,张裂纹主要出现在峰值强度前后,并且随着围压的升高,张裂纹数量明显减少,这说明围压能够抑制张裂纹的产生。2)页岩声发射RA值在时域上具有自相似特征,具有分形特征,其分形维数演化模式为:上升—突降—波动。3)声发射RA值的分形维数在初期上升,表明岩石内部先是微小裂纹无序扩展,并融合贯通成破裂面,此时分形维数突降,表明裂纹沿破裂面有序地扩展,岩石产生宏观裂纹,预示着岩石即将发生破坏,因此可以将分形维数的首次突降作为岩体失稳破坏的前兆。     

重庆合川地区须二段岩石断裂韧度

探讨重庆合川地区上三叠统须家河组第二段储层岩石在水力压裂过程中的裂纹扩展特性。通过50 kN电子伺服试验机及“人”字形切槽巴西圆盘试件对须二段致密砂岩进行断裂韧度实验研究,获得Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧度的数据,并对断裂韧度的特征及其与岩石力学参数的关系进行分析。结果表明须二段砂岩轴向和径向上的Ⅰ型断裂韧度都小于Ⅱ型断裂韧度。随着砂岩粒度的增大,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度都逐渐减小,且与弹性模量、抗压强度、抗张强度及内聚力呈现较强的正相关性。Ⅰ型张开型的裂缝扩展特征和贯通程度要比Ⅱ型滑开型的简单且破坏较弱,若岩样中含有纹层等弱的岩石力学结构面,岩样的裂纹扩展样式更加复杂,断裂韧度测试值也相应地减小。合川地区须二段砂岩在纵向上进行压裂作业时,更容易在纵向上形成延伸较远的纵张裂缝。     

强度比对类复合岩样冲击破碎特征的影响

为了保证复合地层中施工效率及工程安全,揭示动荷载作用下复合岩层的力学特征,通过分离式霍普金森压杆对三种不同强度比的类复合岩样进行动态巴西劈裂试验,基于破碎分形理论,探究强度比、应变率、入射角对类复合岩样的破碎程度及能耗特性的影响。试验结果表明：1）层理面倾角对类复合岩样破碎形态有较大影响,当应变率为146.36 s-1时,沿层理面加载试样易发生劈裂拉伸破坏,且强度比越低试样破坏所需吸收的能量越少;2）当入射角为0°时,类复合岩样分形维数随着强度比的增大而增大,但当入射角为90°时AC复合岩样（强度比为1.5）分形维数最大;3）类复合岩样吸收的能量主要用于裂纹扩展,单位体积内试样吸收的能量越大,试样越破碎,即类复合岩样分形维数与能耗密度呈正相关。     

QT工艺对一种B-Nb低碳贝氏体钢 组织及强韧性的影响

通过室温拉伸、摆锤冲击、光学及扫描电镜研究了QT(淬火+回火)工艺对实验钢晶界比例、晶粒尺寸、碳化物析出情况及强韧性的影响，并对其变体的分布及组合方式进行了分析.结果表明:随着回火温度的升高，实验钢强度逐渐降低，塑性逐渐提高;450T和500T钢断口为准解理型断裂，贝氏体板条间析出的碳化物及较低比例的大角度晶界使得冲击韧性较差;而600T和650T钢断口为韧窝断裂，组织中大角度晶界的比例增加，有效地阻碍了裂纹的扩展.变体分析表明，450T钢变体组合方式介于Bain group和CP(close packed)group之间，而600T钢变体之间呈现较明显的CP组合方式，同一CP group内的变体取向差较大，偏折了裂纹传播路径，提高了低温韧性.     

基于岩石节理分形特性的岩体稳定性智能辨识

 调查国内大量矿山地质资料,分析其矿岩节理裂隙数据,采用分形理论揭示岩体节理间距和产状分布的分形特性.采用混沌算法优化神经网络,建立矿岩稳定性与其岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角、内聚力、弹性模量、岩体节理间距分形维数和节理产状分形维数的智能辨识模型,寻求岩体判别新方法.研究表明,岩体节理间距分形维数和产状分布分形维数可反映岩体节理空间分布的整体信息;节理间距分形维数越小,岩体完整性越好;产状分布分形维数越低,节理分散程度越小;即二者分形维数越小,岩体稳定性越好.智能辨识模型可以根据矿岩力学参数、岩体节理分形特征,预测不同地质条件下的岩体质量,为工程支护设计及施工提供依据.     

断口分形几何在失效分析中的应用

研究了两种材料在不同断裂机制下断口形貌、韧性与分形维数的定量关系．结果表明：分形维数与材料韧性成线性关系．根据失效构件断口的分形维数值可推出失效时材料的韧性、断裂性质,可作为失效原因的定性及定量分析．     

岩石节理面粗糙度的分形效应与试件尺寸影响分析

 岩石节理面的粗糙度是影响岩体形变、位移和强度的主要因素,准确量测岩石节理表面的粗糙度对评价岩石力学特性非常重要.根据分形理论,岩石节理表面具有分形特征,可用分形维数描述节理表面的起伏度,但是岩石节理表面粗糙度一般不具有严格的自相似分形性质,因此,表面分形参数(分形维数D和截距A)的量测结果受到尺度的影响.本文运用三维表面激光形貌仪扫描10个不同尺度的试件(尺寸为100mm×100mm—1000mm×1000mm),结果表明,D和A随试件尺寸增大而减小,两参数都有尺度效应,但存在一个极限尺寸.综合考虑岩石表面尺寸、试件长度以及测量尺度对岩石节理表面粗糙度的影响,提出可靠的分形测量途径.     

金属断裂表面分形特性初探

论述了近10余年来金属断裂表面分形维数的测量方法，以及分形维数与力学性能之间关系的研究成果和研究进展，综合分析了金属断面分维与金属的拉伸性能、冲击韧度、断裂韧度、材料损伤之间关系。讨论了金属断裂与分维的一些具体的内在矛盾和进一步改进的措施。     

高强高性能细粒混凝土断裂特性研究

纤维编织网增强混凝土（textile reinforced concrete,TRC）结构薄壁轻质,具有良好的耐久性、限裂性、定向增强性．而作为TRC基体的细粒混凝土,其基本断裂参数和力学特性不同于普通混凝土,需要重新确定．为此,采用带切口的不同尺寸的三点弯曲梁研究了其断裂特性．试验结果表明：断裂过程中细粒混凝土达到失稳破坏前也要经历一个裂缝稳定发展的过程,其失稳断裂韧度基本保持不变,但起裂韧度随试件尺寸的增大而减小;对荷载一位移曲线的尾部进行修正后,得到的断裂能几乎没有尺寸效应,可作为一个材料常数．     

砾粒掺入对黏土断裂韧度的影响

以探究土体断裂韧度特性为目的,采用改进后的标准三点弯曲试验,消除了自重对试验结果的影响,在掺入不同含量和不同粒径大小的砾粒的情况下,制备相同含水率、干密度和初始裂缝的试样,测试其断裂韧度的变化以及观察裂缝扩展规律.结果表明:当掺入砂砾含量在0%~20%的时候,断裂韧度随着砂砾含量的增高而逐渐降低;当掺入砂砾的粒径在2~40mm的时候,在相同砂砾含量情况下,其断裂韧度随着掺入粒径的增加而增加;当掺入砂砾的粒径在0.75~2mm的时候,在相同砂砾含量情况下,其粒径大小对断裂韧度值没有明显影响;掺入颗粒的粒径大小会影响裂缝的扩展方向和发育数量,与掺入粗砾的试样相比较,掺入细砂的试样在裂缝区域更易于出现细小的网状裂纹,而掺入粗砾试样中的裂缝在扩展过程中更容易出现弯折现象.