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。     

基于P-CCNBD试样的岩石动态断裂韧度测试方法

预裂的人字形切槽巴西圆盘(Pre-cracked chevron notched Brazilian disc,简称P-CCNBD)是将人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched Brazilian disc,简称CCNBD)的切槽尖端再稍加切削制成直裂纹前沿的试样。利用霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击,完成I型动态断裂试验后再做数值分析得到岩石的动态断裂韧度。为了验证数值模拟的可靠性,先进行了无限平面中一条有限尺寸裂纹表面受冲击拉伸作用的动态有限元分析,结果表明,数值模拟的结果与Shi得到的结果非常吻合。将试验-数值法和他人的准静态法分别确定的砂岩的动态起裂韧度进行对比,两种方法得到的结果有一定的差异。采用试验-数值法,将比较成熟的直裂纹巴西圆盘(cracked straight-through Brazilian disc,简称CSTBD)和P-CCNBD两种试样测得的结果进行对比,两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。分析了准静态法的缺陷,认为试验-数值法得到的结果更为合理。     

中心直裂纹半圆盘试样的石灰岩断裂韧度尺寸效应试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用4种圆盘半径分别为25.0、37.5、50.0、75.0 mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的"脆性"破坏特征。与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-位移曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而加剧;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5 mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。     

断裂韧度试样CCNBD宽范围应力强度因子标定

国际岩石力学学会（ISRM）在1995年提出了一种新型岩石断裂韧度试样--人字形切槽巴西圆盘试样CCNBD,但是,其断裂韧度计算公式中的重要参数（即无量纲应力强度因子的标定）仍存在问题。采用一种新的分片合成方法并结合有限元法,参照ISRM给出的CCNBD试样的尺寸限制,对该范围试样的应力强度因子进行了宽范围的标定,以便在试验中能因地制宜地选用不同几何参数的CCNBD试样。结果表明：分片合成方法的计算值有很高的精度,不但减少了工作量,也使标定的无量纲应力强度因子比现有文献值更加准确、可靠。     

CCNBD断裂韧度试样的SIF新公式和在尺度律分析中的应用

根据国际岩石力学学会于1995年推荐的一种测试岩石断裂韧度的新型试样－人字形切槽巴西圆盘试样,对其断裂韧度计算公式中的关键参数即无量纲应力强度因子（SIF）提出了一个改进的计算公式。采用分片合成方法结合有限元法对CCNBD试样的应力强度因子进行了宽范围标定,结果以表格的形式给出;并采用数据线性回归的方法,将标定结果以一个指数函数的形式给出。结果表明,与标定值相比,无量纲应力强度因子新公式的误差较小,并且囊括了CCNBD试样的较宽范围的尺寸,且查表使用方便,也为理论分析提供了条件。在此基础上,对岩石断裂韧度测试的尺度律进行了更进一步的探索,结果表明,利用新公式进行的尺度律分析是有效的。     

有限宽切槽对CCNBD断裂试样应力强度因子的影响

国际岩石力学学会（ISRM）在1995年提出一种新型的岩石断裂韧度试样--人字形切槽巴西圆盘试样（cracked chevron notched Brazilian disc--CCNBD）,对该试样的一个重要力学参数即最小无量纲应力强度因子的标定,以前的分析和计算都没有考虑切槽宽度的影响。然而试样切槽的宽度受切割刀具厚度所限,不能为零。当试样较小时,切槽宽度则相对较大。通过三维边界元计算分析表明,切槽宽度越大,无量纲应力强度因子的标定值就越大;对于ISRM推荐的CCNBD标准试样,得出其最小无量纲因子值为0.954,这比ISRM给出对应值0.84要大13.6 %。同时,小裂纹应力强度因子曲线的变化趋势也发生了质的变化,这可能会导致实验的失败。推荐最小无量纲应力强度因子的标定采用考虑切槽的三维分析。     

边缘裂缝圆盘砂岩试体III型断裂韧度量测之研究

针对含边缘裂缝之砂岩试体受反平面剪力情形进行了III型断裂韧度量测试验,搭配相关所推导之理论公式求取砂岩III型断裂韧度。研究试验条件为无围压及单轴荷重加载下进行III型断裂试验,且针对试体受高温后之性质改变为变量条件加以探讨。研究结果表明,以该方式进行III型断裂韧度之量测,为可靠且稳定;砂岩经历温度在200 ℃前,试体III型断裂韧度会提升,之后呈现下降,到600 ℃,下降趋于平缓;随着烧结温度的提升,单压强度、动态杨氏模量、动态泊松比与III型断裂韧度皆有下降之趋势,且试体出现熔融样态,表面出现明显微裂纹。     

岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定

国际岩石力学学会建议了4种岩石I型断裂韧度（KIC）测试方法。将建议方法的人字形切槽巴西圆盘试样与直切槽半圆盘试样结合,可以得到具有诸多优点的人字形切槽半圆盘（CCNSCB）三点弯曲试样。近年来,CCNSCB方法受到许多关注,然而,其渐进破坏过程却尚未进行有效的评估。为此,对其进行了数值研究,其内容包括：进行细观损伤力学模拟,直观展现CCNSCB试样渐进断裂过程;考虑不同支撑跨距与直径之比（ ）的影响,发现 愈大,愈加符合测试原理,建议 取0.8;采用有限元子模型技术对CCNSCB方法（ 0.8）中计算KIC的关键参数-临界无量纲应力强度因子（ ）进行了宽范围标定,可供相关研究直接查取;细观损伤力学模拟峰值力对应的临界裂纹与有限元标定 对应的临界裂纹较为一致,证明CCNSCB方法测试原理的合理性,以及数值模拟与 标定结果的有效性。     

复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

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。     

Mixed mode fracture analysis of semi-circular bend (SCB) specimen: A numerical study based on extended finite element method

Previous studies are mainly concentrated on the use of the semi-circular bend (SCB) specimen for determining the entire mixed-mode I-II fracture toughness of rock, while less attention has been paid to its mixed-mode fracture process. In this situation, this study investigated mixed-mode fracture behavior of the SCB specimen using the extended finite element method (X-FEM). The crack growth trajectory, crack initiation angle and onset of fracture were discussed in detail. This paper is expected to provide a better understanding of mixed-mode fracture process of the SCB specimen occurring during fracture initiation and propagation.     

原状冻土非线性断裂韧度测试与修正

在以往原状冻土现场试验方法的基础上,针对原状冻土的非线性断裂力学特性进行了Ⅰ型和Ⅱ型断裂力学试验。在不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律下严格控制试样制作及试验时的温度,利用动态数据采集系统测出试样加力点处位移与力的关系曲线,并计算出相应的非线性参数。提出了利用非线性修正因子计算原状冻土断裂韧度的方法,并算出Ⅰ型、Ⅱ型直裂纹加卸载试样的非线性断裂韧度,将其与岩石断裂力学中的塑性修正因子方法的计算结果进行了对比,二者基本一致,说明该方法可以用来计算、修正原状冻土非线性断裂韧度,从而为冻土非线性理论的研究拓宽了思路。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度K_IC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对K_IC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,K_IC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。