含双裂纹试件破坏特性力学试验及数值模拟

为研究含双裂纹试件力学破坏特性,为评价底板突水危险性提供理论依据.通过在真实岩石试件中预制双裂纹,基于MTS伺服控制试验机进行单轴、三轴压缩试验,并结合RFPA数值模拟,研究含双裂纹试件损伤演化和裂纹扩展过程.结果表明:1含双裂纹试件破坏模式具有明显的围压效应,随围压增加,裂纹贯通模式由拉破坏模式向剪破坏模式过渡.当围压为0时,试件在预制的两条裂纹端部分别生成外端翼裂纹和内端翼裂纹,内端翼裂纹与另一条预制裂纹搭接,导致岩桥贯通.在有围压条件下,试件出现反翼裂纹和次生共面裂纹,翼裂纹与另一条裂纹的次生共面裂纹搭接是岩桥贯通破坏的主要形式.2当岩桥倾角为135°时,原始裂纹尖端同时产生损伤,内外尖端翼裂纹同时起裂,随加载应力增加,翼裂纹不断向另一条原始裂纹方向扩展,最终扩展至另一条原始裂纹尖端,而两条外尖端翼型裂纹则扩展至试件端面,贯通整个试件后,最终导致岩石失稳破坏.     

岩石张拉及剪切破裂声发射震源机制分析

选取花岗岩,开展三点弯曲和剪切加载条件下声发射试验,采用单纯形算法与矩张量理论分析了不同破裂类型微裂纹的时空分布特征.研究结果表明:在加载过程中,三点弯曲试样总体上以张拉型破裂为主,岩石最终破坏时,张拉型裂纹所占比例超过50%;剪切试样以剪切型破裂为主,最终剪切型裂纹所占比例超过60%.声发射事件的群集区域和矩张量分析结果与最终的岩石破裂结果相一致,说明矩张量理论能够定量描述岩石在加载过程中张拉应力、剪切应力的分布和迁移规律,这为岩石破裂过程中微裂纹的相互作用和贯通机制提供了良好的分析手段.     

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

在分析裂纹起裂与扩展规律基础上,考虑翼裂纹间的相互作用,提出了一种新的翼裂纹尖端I型应力强度因子计算模型.基于修正的翼裂纹扩展模型,考虑损伤演化对被激活微裂纹数目的影响,并结合宏-细观损伤定义之间的关系,建立了基于微裂纹扩展作用下的岩石损伤本构模型.最后,将理论模型曲线与试验曲线进行了比较分析.结果表明:修正的翼裂纹扩展模型不仅能够准确地预测翼裂纹的起裂角,而且能够准确地模拟从极短到很长的翼裂纹整个变化范围.基于裂纹扩展作用下的损伤模型能够连续地模拟不同围压下的应力-应变全过程曲线,而且能够较好地预测峰值强度.     

静载下预制裂隙类岩石材料断裂实验与分析

在伺服控制单轴加载系统下对预制两条贯通裂隙类岩石材料进行加载试验,探索预制裂隙倾角和岩桥倾角对岩桥贯通模式的影响规律.对比实验与数值分析结果发现:随预制裂隙倾角及岩桥倾角的变化,裂隙体呈现出预制裂隙贯通破坏与单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏;裂隙体预制裂隙发生贯通破坏时,岩桥倾角对裂隙体微裂纹贯通破坏模式的影响与裂隙倾角有关;裂隙倾角较大时(≥75°),岩桥倾角的影响不明显;裂隙倾角较小时(≤75°),岩桥倾角的影响越来越大,预制裂隙倾角45°附近影响最为显著;预制裂隙倾角较小(25°),岩桥倾角不大时(≤45°),裂隙体呈现出单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏现象.裂隙体破坏时,预制裂隙尖端主要发育翼形裂纹和次生共面裂纹.     

齿根裂纹的闭合效应对齿轮疲劳寿命的影响

考虑裂纹闭合效应对裂纹扩展的影响,将裂纹闭合力转化为裂纹表面之间的恒定牵引力引入齿根裂纹,利用有限元方法对齿根裂纹的扩展过程进行模拟.与不考虑裂纹闭合效应时齿根裂纹扩展过程进行了对比分析,结果表明:考虑裂纹闭合效应时,裂纹扩展过程中的KⅠ的值比不考虑裂纹闭合效应时低;裂纹闭合效应对齿根裂纹扩展路径没有显著影响,但能阻碍裂纹的扩展,有效延长了齿轮的疲劳寿命.     

断续节理对岩体力学性能的影响

采用颗粒流数值模拟程序,建立不同节理状态的岩石试样模型,对其进行双轴试验模拟,从岩桥长度、节理长度和倾角三个方面对断续节理影响下的岩体破裂形式和力学性质进行了数值模拟分析.岩桥的破裂方式为翼裂纹扩展下的拉剪复合破坏,模型破裂大致经历了翼裂纹的扩展、次生裂纹的延伸以及岩桥的贯通三个过程,而且表现出明显的蠕变特性以及延性破坏.岩桥长度的变化对峰值强度和弹性模量影响较小;相比岩桥长度,节理岩样的力学特性对节理长度更加敏感.对于不同的节理倾角,岩石试件表现出不同的初始破裂形式,0°倾角岩样的破裂方式为翼裂纹的扩展和次生裂纹的延伸,中间岩桥没有被贯通,15°倾角岩样的初裂强度和峰值强度最大.     

单轴压缩条件下平行双裂隙演化机理的颗粒流分析

基于离散元理论,研究含平行双裂隙的水泥砂浆试件在不同裂隙倾角和单轴压缩下裂纹萌生、扩展、搭接及贯通机理,并从应力场和位移场的角度分析裂纹扩展演化规律。研究结果表明:当裂隙倾角α=30°时,翼裂纹在最大应力降的作用下沿着垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后将保持较长时间不变,直到次生裂纹大量出现后,裂隙外侧的翼裂纹才会在最大拉应力的作用下沿着最大加载方向继续扩展;在萌生初期,次生裂纹的出现会削弱了裂隙尖端的压应力集中效应,同时抑制裂隙内侧翼裂纹的扩展,最大拉应力集中在裂隙之间导致次生裂纹一般都是瞬时成片出现,且形成的裂纹的宽度远大于翼裂纹的宽度;翼裂纹主要是由颗粒之间的相对拉伸或直接拉伸产生;次生裂纹SC-1以拉裂纹的形式优先出现在裂隙尖端R1和R2之间,随着轴向应力增加,SC-1处萌生的新裂纹为拉剪复合型裂纹。     

单轴加载下裂隙试件主控裂纹演化规律及 锚固止裂机理

为研究裂隙岩体锚固作用机理,采用水泥砂浆预制不同倾角的裂隙试件,在裂隙上下两端一定距离预埋GFRP(玻璃纤维塑料筋材)锚杆制作加锚裂隙试件进行单轴压缩试验.结果表明:主控裂纹的形成与贯通是导致试件最终破坏的直接原因.无锚裂隙试件,主控裂纹贯通路径单一、贯通速度快,且受预制裂隙影响明显,裂隙倾角越大,主控裂纹扩展方向与裂隙轴线夹角越小.裂隙试件加锚后,主控裂纹贯通路径增多,裂隙倾角对主控裂纹的引导作用减弱.锚杆对裂隙试件峰前平均强度和峰值强度作用不大,但能够有效延长试件峰后强度的持续时间.无锚试件加载过程中能量释放具有"突变性",释放的总能量较少,加锚试件能量释放具有"渐变性",释放的总能量较多.裂隙扩展过程中能量的快速释放是主控裂纹形成和扩展的标志,主控裂纹数量越多、路径越长释放的能量就越大.锚杆的主要作用在于限制主控裂纹的快速形成和扩展,在相同的外力功作用下产生更多、更大范围的损伤和微裂纹,从而改变主控裂纹扩展路径,延长主控裂纹的贯通长度,通过遏制主控裂纹快速贯通来增加裂隙岩体的峰后强度和抗变形能力.     

单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究

为研究裂隙类岩石材料在单轴压缩条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过在试样中预埋铁片的方法,制备出含不同裂纹条数和裂纹倾角的裂隙类岩石材料;采用RYL-600剪切流变仪对试样进行以负荷控制方式进行单轴加载,并使用数码相机记录试样加载过程中裂纹的起裂、扩展和贯通过程.着重对60°×18条裂隙类岩石材料的实验结果进行详细分析,观察其轴向应力-轴向位移曲线,曲线呈现出3次明显的应力跌落阶段,结合试样在试验过程中的录像,将裂纹的扩展分为3个阶段.并且,通过FLAC3D数值模拟软件对60°×18条的试样进行数值模拟研究,获得了数值模拟实验加载过程中的轴向应力-轴向位移曲线和模型破坏切片图,分析其破坏方式和破坏模式,并与物理实验对比,两者吻合较好.     

基于衰减路径时变性的压力容器疲劳裂纹安全裕度研究

传统压力容器安全裕度表征模型未考虑裂纹扩展过程中的时变性，导致无法准确反映剩余安全裕度大小. 为此，本文基于速度积概念建立了大型压力容器剩余安全裕度模型. 裂纹扩展形式直接影响安全裕度判定，故运用Paris公式并考虑闭合效应得到裂纹扩展规律公式，并结合Newman和Raju数值计算应力强度因子的理论，得到了不同裂纹的深度和长度方向变化的关联函数. 以表面裂纹为例，通过关联函数模型得到安全衰减路径，然后计算了路径速度积安全裕度模型的表征变化，从寿命安全裕度角度评价了路径速度积安全裕度模型，结果表明，随着裂纹在不同速度下的扩展变化，其安全评价结果更符合实际安全裕度变化，并为工程应用提供新思路.     

单轴压缩荷载下不同倾角三维通透裂隙扩展机理研究

采用红砂岩制作分别含有不同倾角三维通透裂隙的圆柱体标准试件,进行单轴压缩试验,并结合实时监控和数值模拟的方法对其断裂破坏机制进行系统分析。试验发现:单轴压缩荷载下,不同倾角预制裂隙主要以翼裂纹和反翼裂纹两种模式扩展,扩展路径均在一定程度上偏离最大主应力方向,当预制裂隙倾角小于等于45°时,裂隙扩展以反翼裂纹为主,且扩展路径偏离程度随预制裂隙倾角的增大而增加,当预制裂隙倾角大于45°时,裂隙扩展以翼裂纹为主,且扩展路径偏离程度随预制裂隙倾角的增大而降低;含裂隙试件的起裂角度随预制裂隙倾角的增大而减小,起裂强度,峰值强度以及弹性模量均随预制裂隙倾角的增大而增大。数值模拟结果发现,翼裂纹的萌生与扩展主要由拉剪应力主导,反翼裂纹的萌生与扩展主要由压剪应力主导,拉应力集中区域随着预制裂隙倾角的增大而逐渐缩小。     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

基于颗粒流的大理岩三轴循环加卸载细观损伤特性分析

利用颗粒流程序(PFC)并基于大理岩常规三轴压缩室内试验结果得到一组能够真实反映大理岩宏观力学特性的细观参数,在此基础上进行大理岩三轴循环加卸载试验模拟,研究岩样在循环加卸载作用下的细观损伤特性。研究结果表明:试样内部接触力和平行黏结力在损伤部位产生应力集中,当接触力增大到平行黏结力承载极限时,颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;微裂纹数目随应变发展呈阶梯状增加,且在加载初期有良好的"记忆"行为,然后逐渐削弱;微裂纹在加载初期随机分布,然后有序聚集并扩展贯通,加载至峰值附近时形成剪切带;在应变软化阶段反复加载使剪切带扩展贯通形成宏观破裂面,残余强度阶段的裂隙主要由宏观破裂面间的摩擦、滑移产生。     

光面爆破相邻炮孔裂纹扩展模拟

基于爆破理论,借助ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,对岩石中双炮孔爆破裂纹扩展过程进行模拟,进而分析岩石爆破破坏机理和裂纹扩展特点。结果表明:所采用的模型、参数和数值计算方法的可行;孔间裂缝首先在炮孔壁产生,沿炮孔连线扩展并逐渐向连心线中心贯通;结合理论分析,得到了相邻炮孔的合理间距为40~70 cm,孔间裂缝贯通效果较好,随着炮孔间距的增大,孔间裂缝越难贯通,爆破效果越差。数值模拟结果与理论结果吻合较好,这种方法可以为爆破参数设计提供参考。     

偏三点弯曲岩石试件中裂纹扩展过程的数值模拟

运用RFPA2D数值模拟方法,对偏三点弯曲岩石试样中裂纹的扩展路径进行了数值模拟·数值模拟结果表明:在加载过程中裂纹有失稳扩展过程;当预裂纹远离试件中心线时,裂纹的初裂纹角θc和峰值荷载增加,裂纹的失稳过程也更加明显·裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律,但由于岩石材料性质的非均匀性,局部的裂纹扩展呈现出曲折性·数值模拟结果与试验结果具有较好的一致性     

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.      

双轴加载下RC带翼缘剪力墙抗震性能对比分析

基于有限元软件ABAQUS对T型截面带翼缘剪力墙在双轴反复荷载作用下的抗震性能进行数值模拟,通过与已有实验结果的对比,验证了有限元模型的有效性.通过对研究模型的模拟,分析比较了双轴加载较单轴荷载作用下各方向性能的差异,对比了不同双向加载路径对其抗震性能影响.结果表明:除x轴反向加载(腹板端部受压时)外,其余方向双轴加载较单轴均表现出明显的双轴耦合效应,承载力降低,强度和刚度退化加剧,延性减弱;其中"8字形"加载路径影响最大.     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

基于扩展有限元法的混凝土重力坝多裂纹数值模拟

针对含有多个初始裂纹的混凝土重力坝的裂纹扩展问题,在ABAQUS有限元分析软件上,应用扩展有限元法和黏聚裂纹模型来进行数值模拟。分析了多裂纹的扩展路径以及主导裂纹的荷载-裂缝口张开位移。结果表明,混凝土重力坝多裂纹的扩展路径与文献结果几乎相同,主导裂纹的荷载-裂缝口张开位移曲线与文献结果有差异,但差异很小。可见采用扩展有限元法能够精确地模拟混凝土重力坝多裂纹从加载到失稳破坏的全过程,无需重新划分网格,减少了计算量,为解决工程实际问题提供了一种有效的应用途径。     

金属玻璃基复合材料率敏感性变形行为的数值模拟

基于已有的块体金属玻璃基复合材料(BMGCs)在室温准静态不同应变速率加载下的实验研究,拟运用有限元软件ABAQUS对BMGCs的率敏感性变形行为进行数值模拟研究,并将模拟结果与实验结果进行对比,验证有限元模型的合理性。金属玻璃基体和增韧相的本构模型分别采用自由体积模型和各向同性双线性Cowper-Symonds模型。将自由体积模型编写成用户材料子程序(UMAT),在有限元计算过程中调用该子程序来描述金属玻璃基体的变形行为,并利用von-Mises等效剪切塑性应变表征剪切带的萌生和扩展。然后分别假定增韧相表现率效应和不表现率效应,在这两种情形下进一步讨论不同应变率加载时复合材料中等效塑性应变的分布以及剪切带的萌生和演化规律,探讨BMGCs的率敏感性变形行为以及失效机理。结果表明:(1) BMGCs的率敏感性由基体和增韧相的率敏感性共同决定;(2)不管增韧相是否表现率效应,当应变速率越大时,BMGCs基体内剪切带扩展得越快,复合材料越容易发生破坏;(3)相比于增韧相不表现率效应,当增韧相表现率效应时复合材料的宏观塑性变形能力得到提升。