混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

混凝土动态劈裂试验中的惯性效应研究

在商业有限元软件中采用应变率不敏感的材料本构模型对巴西圆盘动态劈裂试验进行了数值模拟,研究了不同厚径比以及平台巴西圆盘中平台角度对动态抗拉强度的影响。分析表明,动态劈裂试验中惯性效应对抗拉强度有比较大的影响,且惯性效应与试件尺寸、平台角度以及应变率有关。所得结果将为巴西圆盘动态劈裂试验设计提供参考,通过与试验数据的对比,可得到材料真实的应变率效应。     

考虑加载速率与厚径比影响的 巴西圆盘劈裂强度分析

为综合研究加载速率和厚径比2个因素对测定茅口灰岩抗拉强度的影响关系,开展了一系列采用对称小圆弧加载方式下的巴西试验;通过ANSYS有限差分软件模拟巴西劈裂试验,结合Griffith强度理论分析不同厚径比圆盘试样在不同加载速率下的等效应力分布规律.试验研究结果表明:岩石抗拉强度会随试验加载速率的增加而增大,同时随厚径比的增大呈三次函数衰减关系.数值计算结果表明:越靠近圆盘试样端面中心点,等效应力值越大;除个别点处应力集中外,端面中心点的等效应力值也会随着加载速率的增加而增加;圆盘的起裂位置亦发生在端面中心点处.在此基础上对岩石抗拉强度公式进行修正,建立了更加真实的考虑加载速率与厚径比影响的巴西圆盘劈裂强度修正公式.     

基于颗粒流的平台圆盘巴西劈裂和岩石抗拉强度

使用颗粒流(PFC)虚拟实现不同中心角的平台圆盘巴西劈裂和直接拉伸试验,观察平台圆盘巴西劈裂中裂纹形成、扩展的一般过程,分析不同中心角对岩石破坏过程及破坏模式的影响.研究结果表明:平台中心角越大,岩石内损伤破坏程度越高,破坏模式变得更复杂.通过对不同平台中心角的圆盘试样断裂模式的观察和分析,并结合已有的研究成果推荐平台中心角为20°;利用直接拉伸数值试验的拉伸强度,计算出平台中心角为20°时的抗拉强度修正系数k=0.931 5.     

岩石巴西劈裂强度与裂纹扩展颗粒尺寸效应研究

基于一组经室内巴西试验结果标定的类岩石材料细观参数,通过颗粒流程序(PFC)建立圆盘试样离散元模型,对含不同颗粒粒度中心直切槽圆盘试样进行巴西劈裂模拟,分析颗粒尺寸对荷载-位移曲线、拉伸强度和破裂模式的影响,揭示裂纹扩展过程中细观力场、微裂纹以及能量演化规律。研究结果表明:切槽圆盘试样荷载-位移曲线可分为单峰值(type I)、峰值之后软化(type II)以及峰值之后强化(type III)3种;切槽圆盘试样拉伸强度显著比完整圆盘的低,降幅与切槽倾角和颗粒半径相关;当切槽倾角不变时,拉伸强度总体上随着颗粒半径的增大而增大;而当颗粒半径不变时,拉伸强度随着切槽倾角的增大而减小;当切槽倾角相同时,不同颗粒半径中心直切槽圆盘试样破裂模式显著不同,颗粒尺寸主要影响中心直切槽圆盘试样次生裂纹的萌生和扩展;边界对试样作的功首先用于克服颗粒间黏结以产生裂纹,裂纹在应变能的作用不断扩展,在裂纹产生之后,摩擦能才开始起作用;颗粒的运动程度很低,因此动能很小;边界能与抗拉强度总体上呈正比关系,即边界能越大,拉伸强度越大。     

红砂岩巴西劈裂强度和极限应变的尺寸效应

为研究红砂岩中巴西劈裂强度和破坏极限应变的尺寸效应,试验采用了直径50mm,高度分别为20、25、30、35、40、45、50mm等7组不同厚度的红砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验,同时在试件圆盘中央黏贴应变片监测试件加载直至破坏过程中的横向应变、纵向应变。试验发现,不同厚度下的红砂岩试件所得巴西劈裂抗拉强度不同,试验回归分析了红砂岩中巴西劈裂抗拉强度与厚度的关系,在20~30mm厚度范围内,劈拉强度随厚度的增加而增大,在30~50mm范围内,劈拉强度随厚度增加而无明显变化。     

砂岩和花岗岩的动态性能与能量耗散分析

利用直径100mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,对砂岩和花岗岩在应变率49~97s-1下进行了冲击压缩试验,对比分析了两种材料的动态力学特性和破坏形态.结果表明:两种材料的动态抗压强度,破坏程度和能量吸收随应变率的增大而增大,而花岗岩的能量耗散率则随着应变率增大而逐渐减少,呈现出较强的应变率相关性;初始弹性模量、峰值应变和砂岩的能量耗散率在3种应变率下的差别不大,应变率敏感性较弱.分析加载过程中两种试件能量吸收和耗散率的曲线,并从微观结构的角度对其动态破坏形态进行归纳分析.通过试验有效性的验证,证明试验较好地满足了均匀性假定.      

动载作用下玻璃纤维增强复合材料管砂浆能量耗散分析

为了研究动载作用下GFRP管砂浆的能量耗散情况,通过应用分离式霍普金森压杆实验装置对4种不同壁厚的GFRP管砂浆试块进行动态劈裂拉伸试验,研究其在4种应变率下的能量耗散规律。结果表明,GFRP管砂浆试块的入射能、反射能均与应变率呈正相关,随着应变率的增大呈上升趋势,壁厚为3 mm和4 mm时,吸收能提升的幅度较大,壁厚为2 mm和5 mm时,吸收能提升的幅度较小。GFRP管砂浆试样的反射能、透射能、吸收能与入射能呈正相关。GFRP管砂浆试块透射能随GFRP相对壁厚的增加经历两个阶段的变化,透射能曲线先是线性增加后是增长趋于稳定保持不变。GFRP管砂浆试块耗能密度与入射能具有良好的线性关系,5 mm壁厚试块耗能密度最大但其增长幅度最小,3 mm和4 mm壁厚试块耗能密度增长幅度最大,2 mm试块耗能密度增长略高于5 mm试块。试件沿着加载轴线呈对称式破坏,应变率越大破坏程度越大,GFRP管壁厚越大破坏越明显。     

花岗岩动态劈裂拉伸实验及动力作用机制

岩石作为一种常见的工程材料,其动态拉伸力学性能的准确核定及其破坏机理至关重要.借助霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验装置,对75块花岗岩试样进行了不同冲击速度下的动态劈裂拉伸实验,分析其动态强度与变形的应变率效应,以及冲击劈裂后的破坏形态,进而得到花岗岩试样的应变率、...     

高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性

为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理,利用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统,首次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究.随着冲击次数的增加,岩石的弹性模量先增大后减小,而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势,最后一次冲击时弹性模量骤降,最大应变突增,岩石试样发生破坏.单位体积岩石能耗为负值,说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能量的特性,这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放;随着冲击次数的增加,单位体积岩石释放的能量先增大后减小.结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式.