裂纹损伤混凝土力学性质试验与PFC模拟研究

通过室内试验对恒定倾角(45°)裂纹损伤试件裂纹长度差异对混凝土力学性研究,并结合PFC颗粒流数值模拟软件分析结果裂纹扩展规律,进一步阐述其破坏形态及机理。研究表明:(1)裂纹损伤试件强度随着裂纹长度增大逐渐降低,降低速率先减小后增大;弹性模量随着裂纹长度增大逐渐降低,其中降低速率先增大后减小最后再降低。(2)裂纹长度为10 mm时,试件破坏形态为整体破坏;裂纹长度为20~30 mm时,试件破坏沿着初始裂纹扩展方向破坏,部分沿着初始裂纹反方向破坏,表现出裂纹部分影响破坏形态;裂纹长度≥40 mm,试件完全沿着初始裂纹扩展方向破坏,无反向裂纹产生。     

单轴压缩下单裂纹混凝土力学特性和破坏特征试验研究

为了研究单裂纹混凝土力学强度及其变形特征和破坏模式,对含不同长度的单裂纹混凝土进行单轴压缩试验,利用高清摄像技术监测单轴压缩过程中试样裂纹扩展过程,运用数字图像相关方法(DIC),综合分析单裂纹混凝土力学强度、裂纹演化特征、变形规律,阐释单裂纹混凝土破坏机理。结果表明:(1)混凝土强度随着单裂纹长度增大逐渐降低,且呈良好线性负相关;弹性模量随着单裂纹长度增大先升高后降低。(2)试样破坏模式分为3种:①轴向劈裂破坏(裂纹长度为10 mm);②剪切破坏(裂纹长度为20、30、40 mm);③拉-剪混合破坏(裂纹长度为50 mm)。(3)试样应变场演化规律:随着单裂纹长度的增加,由径向应变场控制绝大部分裂纹产生和扩展,向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展(径向应变场影响较明显),再向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展,(剪应变场影响较明显)转变。(4)单裂纹混凝土抗压强度与单轴压缩过程中产生的不同类型裂纹长度存在良好的线性关系,且主要受到单裂纹周边产生的裂纹控制(影响系数为0.496)。     

水–力共同作用下预制裂隙类岩石试样裂纹扩展试验研究

为研究裂隙岩体在水–力共同作用下的强度变形特征和裂纹扩展规律,使用高强石膏采用预埋薄片法制作含不同角度裂隙的类岩石试样,在围压6 MPa下,分别施加1,3,5 MPa水压,对完整及含不同角度裂隙的试样进行三轴试验,分析力学特性和破坏形态,揭示裂隙岩体在水–力共同作用下的破坏规律。试验表明,含裂隙试样随着水压的增大由延性破坏向脆性破坏转变,三轴压缩强度、峰后残余强度和弹性模量均随水压增大而减小,随裂纹倾角增大而先减小后增大,且水压对含裂隙试样力学特性的削弱程度受预制裂纹倾角的影响。完整试样破坏断裂角随水压增大而增大,并由剪切破坏向劈裂破坏转化。含裂隙试样的破坏形态主要为剪切破坏,当预制裂纹倾角较小时,含裂隙试样破坏形态受水压影响显著,高水压下试样呈"X"型破坏;当预制裂纹倾角较大时破裂面呈单一倾斜面,且角度基本与预制裂纹倾角一致。     

基于数字图像处理的混凝土内蕴裂纹扩展变形规律及破裂过程研究

基于数字图像处理技术和RFPA2D-DIP软件建立了含不同裂纹几何分布的混凝土真实细观结构的数值模型,模拟了单轴压缩作用下混凝土内蕴裂纹的扩展变形规律及破裂过程,研究了裂纹几何分布及细观非均匀性对混凝土力学结构效应的影响。结果表明:随着裂纹倾角增大,试样的峰值强度升高,翼裂纹长度变短,裂纹萌生位置不断向预制裂纹尖端靠近;随着裂纹长度增加,试样的峰值强度降低,裂纹倾角对材料强度的影响显著;预制裂纹长度对材料的破坏模式有一定影响,骨料对翼裂纹的萌生及扩展具有一定的阻碍作用;当15°≤α≤45°时裂纹萌生及扩展较易,当裂纹倾角为60°和75°时,翼裂纹很难萌生及扩展,在靠近峰值应力时裂纹突然萌生扩展,最终形成劈裂破坏,研究结果对混凝土失稳破坏机理的研究具有一定参考意义。     

含双圆形孔洞砂岩单轴压缩力学特性试验研究

孔洞作为岩石内部微缺陷的基本形式之一,其破裂演化机制是岩石力学领域研究的重要课题。对预制双圆形孔洞的板状砂岩试样进行室内单轴压缩试验,研究孔心距2b和倾角?对砂岩强度、变形特征及破裂演化过程等的影响规律。试验结果表明:随孔心距2b的增大,试样的峰值强度和弹性模量均表现为先增大后又减小的特征,孔心距2b分别为22 mm和27 mm时峰值强度和弹性模量达到最大值;随倾角?的增大,峰值强度和弹性模量整体表现为先减小后增大的趋势,倾角?等于60°时峰值强度和弹性模量达到最小值。双圆形孔洞的初始破坏均表现为孔洞内壁塌落破坏,而孔心距2b和倾角?对起裂应力水平、孔洞搭接方式及破裂演化过程均具有重要的影响。     

非洲地区含裂纹沥青路面的动力学研究

以地处非洲的尼日利亚某市政道路工程为例,基于断裂力学理论,取不同车速,面层动弹模和沥青路面裂纹长度3个因素,选取3水平进行正交试验,并运用有限元模拟计算正交设计方案的裂纹应力强度因子。结果表明:裂缝长度对裂缝的扩展影响最大,其次车速对裂缝扩展的影响较大,而面层的弹性模量对裂缝扩展的影响最小,远小于裂缝长度的影响,且裂纹应力强度因子随着面层弹性模量的增大而增大。在基础上,提出了在施工,运营和维护阶段为减少裂缝扩展导致路面破坏的建议。     

基于3D打印和FDEM算法的层状岩体力学特性研究

为探究层状岩体的强度和变形破坏特征随层理倾角和试样尺寸等因素的变化规律，利用粉末黏结成型3D打印技术制作涵盖多种倾角和尺寸的层理试样，并开展单轴压缩和巴西劈裂试验，利用有限元–离散元耦合算法(FDEM)对室内试验结果进行验证。研究结果表明：(1)抗压强度、弹性模量和变形模量随层理倾角呈“U”型变化，倾角90°试样的测试结果明显大于其他角度的；抗拉强度与层理倾角呈负相关关系，倾角0°试样的抗拉强度明显小于均质试样。(2)单轴压缩试样呈现张拉主导型(0°和90°)和剪切主导型破坏(5°和67.5°)；随着层理倾角的逐渐增大，试样逐渐由延性破坏过渡到脆性破坏；巴西劈裂试样均呈现张拉破坏，裂隙走向呈直线型(0°和90°)和弧线型(45°)。(3)随着试样尺寸的逐渐增大，抗压强度逐渐趋于稳定，峰值应变逐渐减小并稳定在0.005左右；抗拉强度随试样尺寸呈倒“U”型变化，弹性模量和变形模量随试样尺寸在2.1 GPa附近波动，三者均未呈现稳定趋势。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

大理岩试样的长度对单轴压缩试验的影响

相同直径试样的单轴压缩强度随长度的减小而增加，而使用柔性垫片强度则随长度的减小而减小，表明试验机压头与试样端面之间存在摩擦，其影响程度随岩性而变化。2块粒径为0．5～1mm的细品大理岩，试样长度对强度的影响相同，长径比为1时强度是标准长度试样的130％，长径比为0．6时增大到150％以上。但两者的强度、杨氏模量不同，且强度较高者存在圆锥破裂面，强度较低者呈平面剪切破裂，破坏形式都与试样长度无关。粒径为5mm的粗晶大理岩，试样强度随长度变化不很明显，长径比小于2．5的试样的峰后应力降低过程大体相似。这与裂纹扩展受晶粒影响较大、缺少明显的主控破裂面有关。利用厚度为0．5mm的聚四氟乙烯垫片(使用前预压两次)，直径为50mm、长度小于50mm的试样也能得到标准试样的单轴压缩强度。不过，试样长度减小时端面质量对强度和杨氏模量的影响增大。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

加载速率对不同界面强度钢筋混凝土梁的影响

为研究加载速率对不同界面强度钢筋混凝土梁力学性能的影响,采用Weibull统计学理论从细观角度模拟混凝土材料的非均匀分布,针对不同界面强度下,加载速率对钢筋混凝土梁力学性能的影响进行数值模拟,得到了试件从裂纹萌生、扩展直至贯通的破坏全过程图和峰值荷载曲线、累计声发射能量曲线。结果表明:随着加载速率的增大,构件的破坏模式从以弯曲裂纹为主的弯曲拉裂破坏逐步演变为以斜裂纹为主的剪切破坏,且在界面强度适中时,加载速率对梁裂纹扩展模式的影响最为显著。构件的峰值荷载随加载速率的增大呈现先增大后减小的规律,但不同界面强度的构件达到最大峰值荷载时所对应的加载速率不同。加载速率相同时,累计声发射能量随界面强度的增大而减小;界面强度相同时,累计声发射能量随加载速率的增大而增大。     

钻井液浸泡下深部泥岩强度特征试验研究

 针对钻井液作用下深部泥岩破坏的关键技术难题,通过室内试验分析钻井液浸泡下深部泥岩强度弱化规律,并从微观角度分析试样发生变化的机制。研究结果表明：(1) 钻井液浸泡下,随取芯夹角增大,岩石强度先增大后减小,岩石强度降幅高达49.5%～54.7%;随着围压增加,取芯夹角为0°和90°时岩石强度增幅较低,仅为26.4%～39.2%。(2) 泥岩弹性模量随钻井液作用时间的增加而降低,随取芯夹角的增加呈现先增大后减小的变化规律,泊松比变化规律则相反。(3) 与内摩擦角相比,泥岩黏聚力变化规律性强,0°和90°条件下黏聚力降低幅度较大,最高达67.3%;其他情况下泥岩黏聚力变化幅度不大。(4) 钻井液滤液的渗入导致泥岩内部裂缝缝尖应力强度因子增加、临界断裂韧性降低、裂缝扩展,这是泥岩强度降低的根本原因。同时,钻井液滤液改变了层理面填充物的矿物成分,降低裂缝面的摩擦因数,加剧岩石强度的降低。     

动压荷载下含水率对混凝土破碎块度及分形特征影响研究

本文为研究在动态压荷载作用下,混凝土力学破坏特征受含水率的影响规律,通过开展室内试验,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统与含水率控制法,分析了不同含水率混凝土试样的动态力学参数变化特征,并引入块度分析法与分形理论,探究了受动载混凝土试样的破坏特征随含水率的变化规律。研究表明:在不同应变率下,随着含水率增大混凝土试样的动态峰值应力与动态弹性模量逐渐减小,试样动态峰值应变增大;含水率会对混凝土试样造成损伤劣化,随着含水率增大,试样破碎块度粒逐渐减小,且在105. 93s~(-1)中高应变率下含水率的影响效果最大;混凝土试样破碎体的分形维数特征表现出与块度分布相似规律,动压荷载作用下,碎体分形维数D随含水率增大而减小,且在应变率105. 93s~(-1)时分形维数D受含水率的影响最明显。     

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙演化及等效裂纹宽度试验研究

为探究瓦斯抽采钻孔孔周裂隙扩展特征,取不同含水率的含孔方形试样,开展在渐进性破坏过程中数字散斑相关测量,获得单轴压缩下试样表面裂纹扩展过程中应变场的演化特征;采用RSM-SY7声波仪获取试样在破坏过程中的透射波形、波速和时间,根据声波透射过程中的时差计算公式,计算出试样在破坏过程中的等效裂纹宽度,揭示含水率对含孔试样裂纹扩展规律的影响。结果表明:(1)在试样渐进性破坏过程中,随着含水率的增大裂隙扩展明显减少,峰值应力σ_p的离散性显著降低;(2)超声波检测结果显示,饱水状态下首波到达时间较干燥状态下延迟8～10ms,且声波能量在时间域上衰减较快;(3)对试样破坏过程中等效裂纹宽度和应力水平试验曲线的拟合,得出等效裂纹宽度随应力水平的增高呈现指数级增长,可以对裂纹扩展参数进行定量化描述;裂隙扩展速率随含水率的增高显著降低,其中控制含水组的等效裂纹宽度在0.003～0.004mm范围,干燥试样的等效裂纹宽度在0.012～0.013 mm范围。     

平行双裂缝圆盘试样裂纹扩展过程的尺寸效应试验研究

针对含多条裂缝不同尺寸的岩石受载时内部裂纹扩展及贯通存在尺寸效应的问题，制作了直径分别为50,100,150和200 mm的平行双裂缝砂岩圆盘试样，其厚度、裂缝长度和裂缝间距随直径等比变化。在GCTS RTX–3000试验机上对圆盘试样进行静态加载试验，采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术对试样的裂纹扩展过程进行监测。结果表明：随试样尺寸的增加，破坏载荷呈线性增长趋势，预制裂缝对试样承载能力的削弱作用增强，试样破坏单位体积消耗的能量逐渐减小；多裂纹扩展存在相互竞争机制，裂纹的起裂顺序决定着扩展方向，直径50,100和200 mm的试样裂纹扩展具有同方向性，直径150 mm的试样裂纹相向扩展；通过AE准确反映了试样内部的损伤演化过程，运用DIC技术将裂纹扩展过程数值化，能够精确分析裂纹的张开位移和扩展速度；不同尺寸试样裂纹扩展速度的变化规律相似，即裂纹以一个较低的初速度开始扩展，并在很短的距离内达到峰值速度，之后扩展速度急剧下降，末段裂纹扩展速度缓慢减小并趋于稳定。     

含预制椭圆形孔洞大理岩变形破坏力学特性试验研究

通过对含预制椭圆形孔洞板状大理岩试样进行单轴压缩试验,研究椭圆长短轴比m及倾角?对大理岩力学特性的影响,并借助数字图像相关技术(DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。研究发现,含椭圆形孔洞试样的峰值强度、弹性模量和起裂应力水平都随倾角的增大而增大,且对倾角和长短轴比的变化都有不同的敏感性,其中峰值强度对倾角变化的敏感程度随长短轴比的增大而增大。含椭圆形孔洞试样的最终破坏模式随倾角的增大可分为拉–剪混合破坏和剪切破坏2种,而孔洞长短轴比的变化对裂纹搭接及岩样破坏形态的影响较小。含椭圆形孔洞岩样在峰值前后的变形破裂特征能够通过观测试样表面应变场得到清晰地表征,其中局部高应变区预示着裂纹的起裂和扩展。基于局部化特征,提出一种含孔洞缺陷岩石起裂应力的测量方法,当含椭圆形孔洞试样起裂应力水平达到39.83%～76.18%时,试样处于拉伸裂纹临界起裂状态。     

Na_2SO_4盐渍原状黄土冻融过程劣化特性试验研究

选取西安Q_3原状黄土,人工制备不同Na_2SO_4含量的盐渍原状黄土试样。通过冻融作用下的三轴剪切及CT扫描试验,研究了Na_2SO_4盐渍原状黄土冻融过程劣化规律及微细观结构损伤演化机制。结果表明:冻融作用对应力–应变曲线的类型及特征无明显影响,均表现为应变硬化型。破坏偏应力随冻融次数增加逐渐减小,但衰减速率逐渐减小,表现出减速劣化特征;冻融条件下破坏偏应力随着含盐量增加逐渐减小,且表现出线性或加速劣化特征。黏聚力呈现与破坏偏应力相似的劣化特征;内摩擦角变化幅值较小且无明显规律。冻融与盐蚀劣化因子的比值随冻融次数增加逐渐增大但增速逐渐减小,随含盐量增大逐渐减小且衰减速率逐渐减小。CT数ME值呈现与破坏偏应力和黏聚力相似的劣化规律;构建了CT细观损伤变量演化方程,可较好预测试样冻融过程细观结构损伤演化规律。宏细观损伤变量表现出一致的变化规律,表明CT细观结构损伤变量准确揭示了宏观三轴剪切强度指标的劣化机理。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

高温高压耦合下含不同倾角充填缝砂岩的强度实验研究

超深储层中岩石的力学性质十分复杂,在油气勘探中经常会遇到井壁围岩垮塌和压裂施工压力大的难题。为揭示高温高压耦合条件下不同倾角充填缝砂岩的破坏模式和强度特征,通过RTR1500高温高压岩石力学实验机,开展对含充填裂缝类砂岩的抗压强度测试实验,研究不同围压、温度、裂缝倾角和裂缝充填方式对岩石强度的影响规律,并根据实验结果绘制了高温高压耦合的条件下不同裂缝倾角岩样破坏准则图。结果表明:(1)裂缝倾角是影响破坏模式和抗压强度的最主要因素,低、高角度缝岩样破坏模式为剪切破坏,抗压强度不随裂缝倾角变化而变化;斜交缝岩样破坏模式为沿裂缝面的滑移,抗压强度随着裂缝倾角增大先减小后增加,存在最小值。(2)不同充填方式下岩样中的主要微裂缝类型不同,破坏时反应岩石的不同性质。(3)温度增加使岩样的整体强度降低,围压增加岩样强度增加,高温高压耦合会使岩石本体更加破碎,岩样由脆性向塑性转变,并且围压增大会抑制裂缝倾角的作用效果。     

高应变率下不同含水率混凝土力学性能的试验研究

为解决在含水复杂条件下,高应变率荷载作用对混凝土动态力学性能的影响问题,利用含水率控制法与霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水率下混凝土试样开展动态单轴压缩试验,探究试样的动态应力-应变曲线、抗压强度、动弹模及峰值应变的变化规律,并对其宏观破坏形态进行分析。研究表明:随着含水率增大,混凝土试样的动弹模与抗压强度减小,峰值应变增大,破碎程度加剧;随着应变率增大,试样的动弹模及抗压强度明显增大,而动态峰值应变变化较小,破坏程度增加,试样破坏类型由拉伸破坏向压剪破坏转变。这说明含水率增大会使混凝土的动态力学性能减弱,而增大加载应变率可提高试样动态抗压性能,加剧混凝土材料的破坏程度。在实际混凝土工程中,应合理设置排水结构减少水对混凝土的侵蚀作用,并且可以设计适宜加载应变率控制混凝土结构的变形与破坏程度。