基于能量平衡法的原状冻土Ⅰ型非线性断裂韧度测试研究

基于能量平衡的原理,采用冻土弯曲断裂试验模型,根据不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律,严格控制试样制作及试验时的温度,对原状冻土进行了断裂韧度测试试验。得出Ⅰ型直裂纹试样的 和 值,从而为原状冻土的非线性断裂破坏问题的研究进行了有意义的尝试,拓宽了思路。     

冻土非线性断裂韧度的修正因子测试方法

考虑冻土的非线性断裂力学特征,基于现有J积分测试方法,提出了一种新的冻土非线性断裂韧度的测试方法--修正因子法。在传统方法中J积分可以写成如下表达：J =Je +Jp,其中Je为J积分的线弹性分量,Jp为J积分的塑性分量。Je的计算相对简单;但计算Jp相对困难,原因是其中的参数Up难于确定。为了使计算简单,可将塑性分量改写为Jp =qJe,J积分则改写为J=(1+q)Je,q称为塑性修正因子。该方法通过循环加、卸载试验得到非线性载荷-位移曲线（P-Δ曲线）,并由载荷与位移的增量确定修正因子,在获得线弹性分量Je基础上,获得冻土非线性断裂韧度。采用该方法进行了冻土非线性断裂韧度测试,并将测试结果与相关文献结果进行比较,证明了该方法的合理性和有效性。     

V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

重塑压实黏土Ⅰ型断裂试验研究

为探究重塑黏土Ⅰ型断裂韧度,本文在前人研究基础上,通过对应变控制式直剪仪进行改造,消除了传统三点弯曲试验对土体断裂韧度测试所带来的影响,研制了土体Ⅰ型断裂韧度测试仪,并对重塑黏土进行了一系列试验。试验结果表明:新研制出的土体Ⅰ型断裂韧度测试仪具有较好的可靠性;对具有相同物理状态的试样,U 形裂纹试样的断裂韧度最大,三角形裂纹试样的断裂韧度最小;试样的含水率和干密度其断裂韧度KIC具有显著影响,随含水率增加,断裂韧度呈现先增后减的变化规律,而随干密度增加,断裂韧度几乎线性增加;在试验采用的加载速率范围内,加载速率对断裂韧度的影响较小。     

砂岩Ⅰ型断裂韧度及其与强度参数的相关性研究

岩石的破坏和断裂是密切相关的,岩石强度准则的材料参数和断裂理论的断裂韧度是存在特定关系的,基于此,设计了紧凑的试验方案,对干燥和饱水状态下的砂岩试样进行了3点弯曲断裂韧度试验和抗压、抗拉强度试验,试验结果表明,饱水后,砂岩的Ⅰ型断裂韧度软化效应明显,饱水试样和干燥试样的 比值与砂岩抗压强度的软化系数相近,具有相似的软化效应。同时,从理论上分析了岩石I型断裂韧度与抗拉强度之间的关系,并结合大量的试验数据进行了验证,相关结论为以往的岩石I型断裂韧度与抗拉强度之间的数据统计拟合公式提供了理论基础。最后,统计分析了砂岩Ⅰ型断裂韧度与抗压强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数之间的关系。研究成果对于把握砂岩Ⅰ型断裂韧度及其与强度参数的相关性具有较大的参考价值,相关的分析结论、试验方法和试验结果也可以为其他类型岩石的研究提供有益的参考。     

冻土断裂韧度KIC的测试研究

应用断裂力学理论，参照有关的测试方法，制作三点弯曲试样，对冻土的断裂韧度ＫＩＣ进行了实验测试，结果表明，含水量、温度及加载速度等是影响ＫＩＣ值的主要因素，通过对试验数据的分析处理，获得ＫＩＣ与主要因素之间的定量表达式。     

基于3D-ILC含偏心内裂纹SCB断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉试验(SCB)为该领域经典实验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC技术(对表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的纯内裂纹),在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,对裂纹生长过程、应力双折射规律、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征等进行分析,开展数值模拟,得到裂纹尖端K_Ⅰ,K_Ⅱ,K_Ⅲ分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明:(1)基于3D-ILC的SCB内裂纹及Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;(2)应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;(3)SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;(4)根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。     

砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂试验研究

为了了解砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂力学性能,采用含有裂纹面垂直于底面但倾斜于正背面的三点弯曲(TPB)试件实现面外断裂。使用Abaqus通过有限元法研究了不同裂纹面倾斜角下沿着试件厚度的Ⅰ型、Ⅱ型与Ⅲ型无量纲应力强度因子。通过讨论可知,在靠近试件厚度中点处Ⅰ型与Ⅲ型无量纲应力强度因子取得较大值,而Ⅱ型无量纲应力强度因子取得接近于0的可以忽略的极小值,且靠近自由面处的应力强度因子不作考虑。故该种试件可用于测量材料的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂性能。数值计算结果与常规TPB试件的解析公式及倾斜裂纹面TPB试件的近似计算公式的结果进行对比,证明了数值模拟结果的准确性并讨论了近似公式存在的问题。使用7组共28个该种三点弯曲试件,研究砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型断裂特性,结果表明:砂岩的Ⅰ型与Ⅲ型临界应力强度因子随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,但其变化趋势不同;砂岩的Ⅰ/Ⅲ复合型等效断裂韧度随着裂纹面倾斜角的增大先增大后减小,在倾斜角接近20°时取得最大值。裂纹扩展时裂纹面将发生扭转,倾斜角θ越大则扭转角度越大。     

冻土断裂力学在桩基冻拔稳定计算中的应用

对桩基冻拔的冻土工程问题进行了断裂力学分析,并给出简化模。在此基础上讨论了断裂判据以及应力强度因子的计算表达式。     

基于3D-ILC含60°内裂纹脆性球体Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂研究

球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态,球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,对材料力学特性影响巨大。由于各类瓶颈问题,而当前研究都未能考虑球体的内裂纹问题。对于真实世界里,脆性球体的内裂纹如何扩展都尚未有认知。基于3D-ILC (三维激光疲劳内裂纹)技术,在对球体试样表面无任何影响的情况下生成纯封闭内裂纹,开展单轴压缩下脆性球体60°内裂纹扩展断裂试验,与完整圆球试样对比,得到裂纹扩展及试样破坏过程、起裂与破坏荷载、翼裂纹面形态特征及撕裂区特征、破坏形态规律,并基于M积分得到内裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律,与试验结果对比以得到验证。结果表明:(1)试样裂纹形态主要有:上翼裂纹、下翼裂纹、主裂纹;(2)单轴压下球体内裂纹出现翼型扩展并呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹特征,翼裂纹扩展由光滑区与撕裂区组成,光滑区裂纹面基本光滑且尖端圆滑为Ⅰ-Ⅱ型裂纹,撕裂区具备"二叉树"形态特征为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹,存在非连续现象;(3)基于M积分的裂纹尖端K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律,裂纹光滑区、撕裂区的力学机制分析与试验一致;(4) 3D-ILC在球体内裂纹研究中的适用性得到证明,为解决球体及断裂力学中的内裂纹及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂问题提供了有力工具。成果是对当前无法考虑内缺陷的球体颗粒力学研究的很好的补充,同时,为断裂力学中三维问题、内裂纹问题、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹问题等研究,提供试验和理论参考。     

长期动荷载作用下冻结粉土的变形和强度特征

根据长期动荷载作用下的蠕变试验结果,研究了冻结粉土的变形和动强度特征.试验分3组,第一、二组是小振幅动荷载试验,且第二组的动荷载幅值为第一组的两倍;第三组是大振幅动荷载试验,荷载最小值取接近于零的值,最大值与第一组对应.试验结果表明:各种振幅的动荷载作用下,冻土的累积应变随荷载振动次数的变化规律相同(都包括初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段、渐进流阶段)但数值上有差异.在初始和稳定蠕变阶段,第三组试验的累积应变小于第一、二组的,但是第三组试验稳定蠕变阶段的应变速率很大,蠕变曲线迅速进入渐进流阶段,此后其累积应变值大于小振幅动荷载试验的;第一、二组试验的应变幅值随振次的变化规律相似,但与第三组的有明显不同,而且,第三组试验的应变幅值明显大于第一、二组试验的.各种振幅动荷载作用下冻土的残余应变随振次的变化规律相同,且偏移荷载载越大或动荷载振动幅值越大,残余应变越大;冻土的动强度随荷载振动次数的增加而衰减,直至趋于极限动强度,大振幅动荷载试验的极限动强度明显小于小振幅动荷载试验的.     

Typical Upper Bound–Lower Bound Mixed Mode Fracture Resistance Envelopes for Rock Material

Mixed mode fracture experiments were conducted on Harsin marble using two disc-shape samples namely the Brazilian disc (BD) and the semi-circular bend (SCB) specimens. For each specimen, a complete fracture toughness envelope ranging from pure mode I to pure mode II was obtained. The experimental results indicate that the mixed mode fracture toughness depends on the geometry and loading conditions such that for any similar mode mixture, the BD test data were significantly greater than the SCB fracture toughness results. Therefore, the conventional fracture criteria which present a unique mixed mode fracture curve, fail to predict the test results. It is shown that a generalized criterion, which takes into account the effects of geometry and loading conditions, is able to provide individual fracture curves for theses specimens with very good estimates for the test results obtained from both BD and SCB specimens. The BD and SCB specimens can be suggested as appropriate specimens for obtaining typical upper bound and lower bound envelopes for mixed mode fracture toughness of rocks.     

基于改进层次熵分析法的致密砂岩储层可压性评价 ——以准噶尔盆地Z109井侏罗系储层为例

储层可压裂性评价是储层改造方案设计的重要依据,影响致密砂岩可压裂性的主要因素有天然裂缝、砂岩脆性、水平应力差异、断裂韧性等。研究以准噶尔盆地中部1区块Z109井侏罗系致密砂岩为例,综合考虑天然裂缝、砂岩脆性、水平应力差异、断裂韧性四种影响因素,采用改进的层次分析和熵值法相结合的方法进行了致密砂岩储层可压裂性评价。研究结果表明:可压裂性指数越大,致密砂岩储层越易于压裂,压裂时越能获得较复杂的裂缝网络;可压裂性指数大于0.44,砂岩脆性高,断裂韧性小,裂缝发育程度高,水平差异系数小的储层段为Ⅰ级优质压裂层;可压裂性指数大于0.44,砂岩脆性高,断裂韧性小,裂缝发育程度低,水平差异系数大的储层段为Ⅱ级可压裂层;研究区Z109井4036~4039 m、4062~4067 m、4214~4218 m和4260~4272 m为Ⅰ级优质压裂层,4093~4108 m和4284~4313 m为Ⅱ级可压裂层。研究成果可为致密砂岩压裂改造提供科学依据。      

Numerical Simulation of Moisture Movement in Unsaturated Expansive Soil Slope Suffering Permeation

INTRODUCTION Theinfiltrationandevaporationofwaterinasoil slopeareofparamountimportanceindetermining slopestability.Previousengineeringcasesandstud ieshaveshownthatrainwaterisoftenamajorfactor intheslopefailureofexpansivesoils.Expansivesoils intropicalandsubtropicalzonesareoftenunsaturat ed,andsoilslopesareinastablestateinnormalcli mateconditionsbecauseofthehighsuctionandshear strengthofthesoilmass.However,oncepermeation happensrainwaterwillinfiltrateintothesoilmasswhichleadstoanincreasein…     

ISRM-Suggested Method for Determining the Mode I Static Fracture Toughness Using Semi-Circular Bend Specimen

The International Society for Rock Mechanics has so far developed two standard methods for the determination of static fracture toughness of rock. They used three different core-based specimens and tests were to be performed on a typical laboratory compression or tension load frame. Another method to determine the mode I fracture toughness of rock using semi-circular bend specimen is herein presented. The specimen is semi-circular in shape and made from typical cores taken from the rock with any relative material directions noted. The specimens are tested in three-point bending using a laboratory compression test instrument. The failure load along with its dimensions is used to determine the fracture toughness. Most sedimentary rocks which are layered in structure may exhibit fracture properties that depend on the orientation and therefore measurements in more than one material direction may be necessary. The fracture toughness measurements are expected to yield a size-independent material property if certain minimum specimen size requirements are satisfied.     

三轴压缩条件下单裂隙岩石的破坏特性研究

通过在高强硅粉砂浆材料模型中预制特定倾角和特定尺寸的单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究单裂隙试样的破坏特性。试验中观察到3类典型的裂纹,即拉伸型裂纹（Ⅰ型）、滑移型裂纹（Ⅱ型）和撕开型裂纹（Ⅲ型）,其中Ⅱ型、Ⅲ型裂纹在三维试验中普遍存在,Ⅰ型裂纹仅在部分试件中观察到;三轴压缩条件下试样的破裂模式有3种,即拉剪复合破坏、“X”型的剪切破坏和沿裂隙面的剪切破坏。试验结果表明：三轴压缩条件下的单裂隙试样的裂隙扩展规律与预制裂隙关系密切,围压是试样宏观破裂模式的主要影响因素,预制裂隙长度主要影响裂隙扩展的规模,预制裂隙倾角则是新裂隙起裂的诱因。