含预制裂隙黑色页岩裂纹扩展过程及宏观破坏模式巴西劈裂试验研究

为研究在层理和预制裂隙共同作用下黑色页岩的断裂特性及破断机制,对含预制裂隙的圆盘试件进行巴西劈裂试验,并利用高速照相机和声发射监测装置对试件的破坏过程进行监测。结果表明:预制裂隙会削弱试件的强度,随层理和预制裂隙角度的变化,试件的强度会表现出显著的差异性。层理角度和预制裂隙角度会影响试件起裂点的位置和裂纹尖端起裂角的大小,当预制裂隙角度较小时,试件的起裂点会偏离预制裂隙尖端,裂纹沿试件中部或层理面扩展;随预制裂隙角度增大,试件起裂点逐渐转移至预制裂隙尖端,裂纹由预制裂隙尖端向应力加载方向扩展,且层理角度对裂纹起裂角的影响随预制裂隙角度增大而逐渐减弱。根据试件的裂纹形态和形成机制,可将含预制裂纹试件的破坏模式划分为5种类型,其声发射计数的时间分布特征可以划分为2种类型。同时,结合数值模拟和理论分析结果可以看出,黑色页岩表现出一定的横观各向同性特征,其层理效应随层理角度增大而增强,随预制裂隙角度增大而减弱;且最大切向应力准则可以作为预制裂隙起裂的判据。     

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。     

三维表面裂纹相互作用扩展贯通机制试验研究

通过对用机械法预制多个硬币状裂纹的冷冻有机玻璃材料进行单轴加载系列试验,研究脆性材料三维表面裂纹扩展演化和贯通机制。研究结果表明,三维裂纹间的相互作用对裂纹萌生和扩展主要有两种影响,即相互促进或彼此抑制,裂纹演化过程中其空间位置起主要作用。三维表面裂纹间的贯通要复杂得多,同时受裂纹切割深度、空间位置影响较大。这一研究加深了对有机玻璃材料(PMMA)等透明脆性材料破坏机制的了解,同时对岩石材料破坏机制的研究也大有裨益。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

基于RPC试件的爆炸应力波作用下I型裂纹扩展行为的研究

为了研究爆炸荷载下I型裂纹的扩展行为,提出带预制裂纹的矩形板试件(RPC)。采用均匀且透明性好的有机玻璃制作试件。实验系统由超动态应变仪、示波器、恒压电源、电阻应变片以及裂纹扩展计组成。电阻应变片与裂纹扩展计分别被用于测量爆炸荷载与裂纹扩展速度。采用扫描电镜对裂纹扩展断面进行观察。在AUTODYN中模拟RPC试件中的裂纹动态扩展现象,采用JWL方程描述爆生产物的状态,线性状态方程被用于模拟有机玻璃压力与密度的关系,并采用修改的最大主应力准则预测材料的破坏状态。基于位移外推法,在ABAQUS中建立计算裂纹尖端动态应力强度因子的数值模型。通过实验与数值结果可得:(1)爆炸应力波作用下I型裂纹会形成稳定扩展阶段与不稳定扩展阶段;(2)裂纹稳定扩展阶段会形成粗糙度逐渐降低的断面,裂纹不稳定扩展阶段形成的断面较为光滑;(3)裂纹在稳定扩展阶段的速度是在一定范围内波动变化的。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件 ,对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究 ,试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征 ,这表明它们的损伤断裂过程的不同机制 ,对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样 ,还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂 ,其破坏具有不同于其他试件的特征 ,破坏之前有相当长一段时间 ,声发射也较为活跃 ,且增幅越来越大 ,破坏时出现最高峰值 ,破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半 ,这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性 ,对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响     

碳纤维增强复合材料板补强平面外纵向焊接接头疲劳性能试验研究

以碳纤维增强复合材料(CFRP)补强的平面外纵向焊接接头为研究对象,对其进行疲劳性能试验。为了模拟初始损伤,在节点板两端焊趾处引入人工预制初始缺陷。分析了应力幅、单/双面粘贴和CFRP板弹性模量对试件疲劳性能的影响。试验过程中采用沙滩纹加载方式,得到了疲劳裂纹随着荷载循环次数的扩展情况。试验结果表明:试件沿着其中一条预制裂纹发生断裂破坏,另一条预制裂纹也有不同程度的扩展;普通弹性模量CFRP板补强试件发生黏结层内破坏,高弹性模量CFRP板补强试件发生CFRP板断裂破坏;采用粘贴CFRP补强方法能够有效提高焊接接头疲劳性能,其疲劳寿命延长至未补强的1.28~8.17倍;裂纹扩展速率明显减慢,在CFRP材料覆盖区域尤为明显。采用双面粘贴和高弹性模量CFRP材料可以取得更好的补强效果,试件疲劳寿命延长程度分别约为单面粘贴和普通弹性模量CFRP板补强试件的2倍和3倍。     

共线裂纹在三轴压缩下断裂破坏特征的试验研究及数值分析

采用真三轴加载装置,试验研究了共线裂纹倾角和侧压力对试件强度和裂纹扩展规律的影响。试验所用材料为水泥砂浆,试件为带有预制贯穿共线裂纹的方形平板。同时为了定性地解释试验结果,采用了ABAQUS软件进行了数值模拟研究,试验和数值模拟结果相吻合。研究结果表明:裂纹倾角对于试件的强度有显著影响,大约在45°时其强度最低;围压对于试件的抗压强度具有显著的影响作用,其抗压强度随着围压的增大而增大,在低围压作用下次生裂纹从原始预制裂纹的尖端以较大的起裂角开始扩展,而高围压下裂纹的扩展更容易以平行于轴方向扩展。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件，对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究，试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征，这表明它们的损伤断裂过程的不同机制，对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样，还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂，其破坏具有不同于其他试件的特征，破坏之前有相当长一段时间，声发射也较为活跃，且增幅越来越大，破坏时出现最高峰值，破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半，这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性，对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响。     

类岩材料多裂纹体断裂破坏试验及有限元分析

在伺服控制双轴加载系统下对预制的不同角度多裂纹水泥试件进行了单轴和双轴加重试验,其中的双轴加载采用两种不同的侧压。另外借助有限元计算得出了试件的全场应力,进而计算出试件中裂纹尖端的应力强度因子。试验和计算结果都表明,不同的裂纹角度对试件的断裂破坏强度有明显的影响,并对其原因进行了研究,所得结论可为地下工程中存在多裂纹的情况提供和工程应用依据。     

基于高速摄影的双预制裂纹大理岩加卸载试验

以大理岩作为试验材料,进行了45°双预制裂纹试件的单、双轴加载和侧向卸载试验研究。利用高速摄影设备记录试件中裂纹的起裂、扩展、贯通和完全破坏过程,结合理论分析得到:(1)3种载荷形式下试件的破坏过程可概括为4个相似的阶段;双轴加载试件的裂纹扩展形态和岩桥贯通方式与单轴加载和卸载有较大不同;卸载试件的裂纹种类和数目远比单轴加载时更多更复杂。(2)由裂纹类型判断在单、双轴加载时,剪应力对破坏起主导作用;卸载时,尤其破坏前阶段拉应力起主导作用。(3)定义新参数M-C有效剪应力M-C,根据其在裂纹尖端附近的分布规律判定新裂纹起裂的危险方位和区域,对比试验过程,得到与预制裂纹夹角约为-135°和45°左右的区域为新裂纹(带)产生的危险区。(4)加载时岩桥贯通是由剪应力引起,卸载时是由拉剪复合作用引起。     

翼缘形式对新型耗能竖缝剪力墙抗震性能的影响研究

为了研究不同翼缘形式对新型耗能预制剪力墙抗震性能的影响研究,设计2个不同翼缘形式的新型耗能预制剪力墙试件及1个一字形新型耗能预制剪力墙试件进行拟静力试验,其中试件翼墙形式包括T形和L形。分析三个试件的滞回曲线、骨架曲线、延性系数、刚度退化曲线等抗震性能指标。结果表明:三个试件的破坏形态均为以弯曲破坏为主的弯剪破坏。带有翼缘形式的新型耗能预制剪力墙滞回曲线比一字形饱满,耗能能力及整体刚度强于后者。     

含孔洞试件破坏过程的红外试验与数值试验对比分析

利用红外热像仪对含圆形预制孔洞的混凝土试件单轴、双轴加载变形破坏过程进行了监测，得到了试件破坏过程的红外热像。从红外热像中可以清楚地看到试件破坏过程中侧面的温度变化情况。另外，应用RFPA程序对试件在载荷作用下裂纹形成、扩展过程进行了数值试验。试件应力状态分析及数值试验结果表明，在载荷作用下，试件孔洞边缘出现应力集中现象，在拉应力集中区首先出现微裂纹，并且随着继续加载，微裂纹逐渐扩展、连通、搭接而形成宏观裂纹，最终导致试件破坏。由红外试验结果与数值试验结果对比可以看到，试件的微裂纹萌生、扩展区与红外热像中的升温区是相对应的。试件在破坏过程中整体上表现为升温，但微裂纹越集中的区域升温越明显。试验过程中还发现，试件的升温速率与加载速率呈正相关趋势。这一试验结果可为利用红外技术对混凝土构件破坏的预测预报提供理论基础。     

裂隙岩石的应力-水流-化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征.进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力-应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析.试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大.溶液pH值最终趋于中性.试件弹性波纵波速最终也趋于稳定.预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响.单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致.裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸-剪切模式.浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大.该研究为建立应力-水流-化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础.     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

套筒灌浆缺陷整治预制混凝土柱抗震性能的试验研究

针对预制混凝土柱套筒灌浆缺陷进行了缺陷整治前后抗震性能的试验研究。共设计了9根预制混凝土柱试件,采用直接补灌法和破型修复法对预制混凝土柱试件的套筒灌浆缺陷进行整治,并开展了低周往复对比试验研究,分析了套筒灌浆缺陷整治前后各预制混凝土柱试件的破坏模式、滞回特性、承载力、延性和耗能能力等抗震性能的变化规律。结果表明,预制混凝土柱试件有柱底截面破坏和套筒顶截面破坏两种破坏模式,套筒灌浆缺陷整治后预制混凝土柱试件的破坏模式与套筒灌浆无缺陷预制混凝土柱试件相同,均发生柱底截面破坏。带套筒灌浆缺陷预制混凝土柱试件缺陷整治后的正向峰值荷载较缺陷整治前提高了19%～62%,破坏点位移提高了11%～50%,累积总耗能值提高了48%～157%。带套筒灌浆缺陷预制混凝土柱试件整治后的滞回特性、承载力、延性与耗能能力等均基本恢复至套筒灌浆无缺陷预制混凝土柱试件的水平。推荐的直接补灌法简单有效、操作方便,可在实际工程中推广应用。     

预制雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程的数值模拟研究

本文采用真实破坏过程分析软件(RFPA)针对预制两条雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程进行了数值模拟,分析结果表明:(1)最大剪应力主要集中在试件与加载板接触位置及雁型裂纹尖端位置附近,岩石的宏观裂纹亦是从该区域开始并不断贯通的,雁型裂纹对岩石试件的宏观破裂起到了引导作用。(2)岩石试件在加载过程中声发射的位置与最大剪应力出现的位置大体上是一致的。加载初期和加载末期声发射事件个数和所释放的能量均较小,而加载中期声发射事件个数较多且能量释放相对较大,预制雁型裂纹的岩石巴西盘在受荷过程中期胶结物发生断裂最为集中。     

岩石类材料裂纹扩展贯通的近场动力学方法模拟

在连续体内引入预制裂纹的数学描述,运用近场动力学方法对含有预制裂隙(不同倾角的单裂缝和不同岩桥倾角的三裂缝)的岩石类材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。结果表明,随着裂缝倾角的增加,翼型裂纹出现的位置逐渐向预制裂隙的两端移动,次生共面剪切裂纹与次生倾斜裂纹出现的时间与形态也随之改变;不同倾角的岩桥呈现的断裂贯通形式有着明显的差异,但裂纹均是在预制裂缝尖端首先产生,随后逐渐扩展贯通,最终导致试件的整体失稳破坏。数值模拟与室内试验结果的对比分析表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石类材料的裂纹扩展贯通形态,反映裂隙扩展的基本力学机制;作为一种新的非局部数值模型,其在岩石材料与岩体工程数值研究领域具有广阔的应用前景。     

冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验

对含有预制双裂纹的冻结裂隙砂岩试样单轴压缩细观损伤破坏机理进行了CT动态试验，得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成和破坏等不同阶段的岩石损伤CT图像和CT数。研究结果表明，与无预制裂隙的冻结岩石试样相比，已有预制裂纹对冻结裂隙岩石中新裂纹的起裂侮置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响。预制裂纹的存在导致冻结裂隙砂岩试样的扩容量大于完整冻结试样破坏时的扩容量。