砂岩单轴压缩与劈裂破坏过程的损伤研究

在对赵固矿煤层顶板砂岩进行单轴压缩试验的基础上,结合颗粒流程序获得砂岩细观力学参数并采用编制的fish程序进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,研究砂岩在压缩和劈裂破坏过程中的损伤演化机制。得到如下结论:压缩破坏在主控破裂面上接触力集中传递,在损伤区接触力向临近岩体转移,劈裂破坏中接触力在劈裂方向由圆盘边缘向内扩散,垂直劈裂方向由圆盘中心向边缘逐渐减小;压缩破坏砂岩损伤发展经历弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和宏观裂纹贯通失稳4个阶段;劈裂破坏中损伤分布在劈裂径向一定宽度范围内,微裂纹从受力复杂的圆盘边缘萌生沿着径向不断发展并突然贯通。     

岩石SHPB劈裂分析理论研究

为了分析岩石在冲击载荷下的动态劈裂破坏情况,通过分析巴西圆盘在动态劈裂和静态劈裂时表面应力分布均匀化的相似性,可以将静态劈裂时的弹性理论应用到动态劈裂当中,得到巴西圆盘在动态劈裂下的动态抗拉强度、动态抗压强度、应变率和应变的计算公式.应用三维非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟巴西圆盘在分离式霍布金逊压杆实验装置上受冲击时动态劈裂的整个实验过程.基于动态抗拉强度公式和动态抗压强度公式,对试件的实际拉应力曲线与计算拉应力曲线进行对比,以及对实际压应力曲线与计算压应力曲线进行对比,通过对比曲线的相互吻合性证明数值模型适用于对岩石冲击劈裂破坏性质的研究.通过分析试样表面的应力均匀化过程以及试样表面对心压缩轴线上拉应力方向的应力分布情况,得出试样在对心压缩轴线表面上的破坏顺序是由从两个冲击端部向中心发展的;通过分析试样沿对心压缩轴线所切剖面上的拉应力分布,得出试样在厚度方向上的破坏顺序是由表面向内部发展的.     

混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度尺寸效应统计分析

高放废物深地质处置库中的混合型缓冲回填材料是由膨润土和各类掺合料压实而成的多相复合材料,在多组分混合与压制过程中其内部孔洞、微裂隙等缺陷随机分布,即使在相同试验条件下其抗拉强度值也表现出较大的变异性。为阐明试验试样厚径比对混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度的影响规律,针对不同厚径比试样开展了大量的巴西劈裂试验,探讨了不同厚径比试样抗拉强度统计特征及分布概型。结果表明：混合型缓冲回填材料试样劈裂抗拉强度与圆盘厚径比呈显著的幂函数关系,显著性检验结果小于0.05。混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度的均值、极差、标准差及变异系数都呈现出明显的尺寸效应。圆盘厚径比为1.0时,劈裂抗拉强度的极差、标准差及变异系数均最小,从统计特征来看,建议进行巴西劈裂试验时圆盘厚径比设定为1.0。根据K-S检验和有限比较法知圆盘厚径比不同,劈裂抗拉强度最优分布概型也不相同。常用的4种概率分布形式中的正态分布和威布尔分布能更好的描述混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度分布规律。     

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.     

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力-应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力-应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。     

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。     

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。     

单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度相关性研究

运用PFC3D颗粒流模型对单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度的相关性进行了研究。对比分析了均质与含单颗粒杂质圆盘在巴西试验过程中的应力状态及破坏形态,揭示了杂质颗粒位置的不同对巴西圆盘抗拉强度实验结果的影响规律。结果表明,杂质颗粒可使抗拉强度减小,杂质颗粒位于加压轴线垂直方向的直径上时,距圆盘中心水平距离越近,对抗拉强度影响越大;杂质颗粒位于加压轴线上时,距圆盘中心距离越远,对抗拉强度的影响越大;杂质颗粒所处位置不同会导致试件发生不同形态特征的破坏。通过多次含有杂质圆盘单轴抗拉实验结果综合分析,得出了含杂质圆盘单轴抗拉强度实验结果的修正系数公式。     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

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.     

应变率对花岗岩抗拉特性影响的数值模拟

为研究应变率对花岗岩抗拉特性的影响,利用巴西劈裂实验标定数值模型细观参数,并开展静态和动态劈裂数值模拟计算,从应力-应变、裂纹演化和破坏特征等方面对比分析静载荷和动载荷作用下花岗岩抗拉特性。计算结果表明,不同应变率下抗拉特性的率相关性基本一致;随应变率增大,抗拉强度增大;裂纹数量增多,均以张拉微裂纹为主;破坏程度加剧;动载作用下应变率对抗拉力学特性的影响比静载作用时更显著。     

不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性

为研究加载速率和冻融循环对砂岩动态劈裂特性的影响,对冻融0,25,50,75,100次的砂岩进行了静态和不同加载速率的动态劈裂试验,分析了冻融砂岩的静动态抗拉强度及冲击荷载作用下耗散能变化规律.研究结果表明：冻融砂岩的静动态抗拉强度、纵波波速、质量损失率均随冻融次数增加而劣化.随冻融次数、加载速率增加,动强度增加因子（DIF）不断增大,且砂岩冻融损伤越大,DIF随加载速率增加越明显.建立的基于冻融损伤和加载速率的动态抗拉强度预测模型可以很好地反映砂岩的强度变化.砂岩的冻融损伤越大,动态抗拉强度随加载速率的变化速率越快;冲击荷载作用下的耗散能随冻融次数增加而减小,随加载速率增加而增大.     

三种不同粒径砂岩的强度与破坏特征

为研究三种不同粒径砂岩在受载条件下的强度变化和破坏特征,选取同一地区的三种不同粒径的砂岩,分别进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,借助基恩士超景深显微系统观察三种砂岩在受压、受拉破坏后裂隙周围岩石结构。试验结果表明：（1）砂岩随着粒径减小,颗粒比表面积增大,胶结及结构排列越密实,抗压（抗拉）强度越高,破坏形式由延展性逐渐转为脆性;（2）砂岩抗压强度随着粒径增大而降低,细砂岩较粉砂岩抗压强度降低了24.1%,粗砂岩较粉砂岩抗压强度降低了49.4%;（3）砂岩抗拉强度随着粒径增大而减小,细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%,粗砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了52.3%;（4）砂岩抗压、抗拉强度随着粒径增加分别呈指数、幂函数减小的演化规律和变化特征。     

干燥及饱水状态下基于巴西劈裂法的板岩抗拉强度

为研究干燥及饱水状态下不同层理角度板岩的抗拉强度的相关规律,采用微机控制电液伺服万能试验机对不同层理角度的板岩试件进行巴西劈裂试验,获得其破坏荷载、饱和含水率、抗拉强度等力学参数;基于获得的力学参数分析不同状态下板岩试件抗拉强度的变化规律以及其相对应的破坏模式。研究结果表明:随着板岩试件层理角度的增加,其抗拉强度逐渐降低,饱水状态下板岩试件的抗拉强度明显低于干燥状态下板岩试件的抗拉强度,并且层理角度为0°和90°板岩试件的破坏模式为纯拉伸破坏,层理角度为30°和60°板岩试件的破坏模式为沿层面剪切破坏。     

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.     

砂岩单向压缩条件下的变形特性及破坏模式研究

以晋华宫煤矿某巷道顶板砂岩为研究对象,利用MTS815.03型岩石材料试验机对试样进行单轴压缩试验。分析和研究了砂岩在单向抗压荷载作用下的变形特性和破坏模式,得到以下结论:1岩石试样在单向压缩条件下的破坏模式主要有劈裂模式、剪(主)+拉(次)模式、劈+剪共存等三种模式。具体表现为单裂纹劈裂贯通、多裂纹劈裂贯通以及剪切破坏等;2根据能量耗散理论,提出了单向压缩条件下试样破坏模式与耗散能之间的关系,认为试样破裂模式与试样破裂前后的能量指标关系不大,而与试样破裂前后的耗散能比值有直接的关系,比值越小,试样破裂的块体越小,比值越大,试样破裂的块体越大。     

考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究

为了研究硬岩与软岩交界面方向对其破坏形式的影响,对含岩石-水泥砂浆(代替软岩)交界面的组合试样进行了多组加载角度的巴西劈裂试验,获得了不同交界面方向的组合试样的"抗拉"强度,并利用颗粒流程序PFC2D研究了交界面的破坏机理.计算得到的"抗拉"强度随交界面与加载方向夹角的增大而增大.当交界面平行于加载方向时,沿交界面发生劈裂破坏,计算得到的"抗拉"强度可认为是交界面的抗拉强度;当交界面与加载方向不平行时,发生更为复杂的拉―剪复合破坏.此外,为了进一步分析交界面的抗拉强度对破坏形式的影响,采用提高水泥用量和增大交界面粗糙度两种方法增加交界面的抗拉强度,并进行了一系列试验.试验得到了含交界面的巴西劈裂试验的典型破坏模式分布图,对更好地理解硬岩与软岩交界面的破坏形式具有指导意义.     

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.     

高性能混凝土高温后劈裂抗拉强度试验研究

在不同温度相同恒温时间以及相同温度不同恒温时间两种情况下对C40高性能混凝土立方体试件的劈裂抗拉强度进行试验研究,分析讨论了不同高温作用后混凝土材料劣化的机理以及对劈裂抗拉强度的影响,探讨了劈裂抗拉强度随温度变化的规律。结果表明,高温后对混凝土的劈裂抗拉强度影响最大的因素是作用的最高温度,在相同的恒温时间条件下,C40高性能混凝土的劈裂抗拉强度随着经历温度的升高总体呈下降趋势;在相同的试验温度条件下,混凝土的劈裂抗拉强度随着试验时间的延长会出现反弹现象。     

粉煤灰混凝土的单轴与劈裂抗拉强度研究

采用混凝土与螺纹钢筋组成的单轴抗拉试验装置及传统的劈裂抗拉试验装置,实施以早龄期为中心粉煤灰混凝土的单轴抗拉及劈裂抗拉强度试验,并与普通混凝土的试验结果作比较.试验结果表明,粉煤灰混凝土的抗拉强度随龄期的发展规律与普通混凝土存在较大差异,虽然粉煤灰在中长龄期抗拉强度有大幅增长,但其最终抗拉强度仍明显低于普通混凝土.另外,单轴抗拉强度明显高于劈裂抗拉强度,而劈裂抗拉强度与规范公式的计算结果基本接近.在对试验结果进行回归分析的基础上,分别建立劈裂、单轴抗拉强度与抗压强度的关系公式,以及劈裂-单轴抗拉强度关系式.