岩石类材料疲劳破坏裂纹扩展分析的数值方法

在进行岩石类材料疲劳断裂破坏的数值分析时,将损伤力学将裂纹形成与裂纹扩展两个过程有机结合在一起。根据裂纹形成阶段的疲劳曲线（S-N）,描述疲劳发展的损伤演变方程,提出了疲劳裂纹扩展的数值计算方法。建立了扩展阶段中裂纹尺寸与载荷循环次数之间的关系,从而将裂纹萌生与扩展这两个独立过程纳入一个统一的理论体系。该方法与断裂力学结合计算出的疲劳寿命与试验值相吻合。     

动荷载作用下水泥土的疲劳寿命分析

采用荷载控制、非对称正弦波动荷载对水泥土进行疲劳载荷试验。在动荷载的作用下,水泥土表现为低应力性破裂特征。通过试验结果分析,提出水泥土应力空间的疲劳破坏准则,建立了水泥土3参数幂函数疲劳寿命模型。分析了影响水泥土疲劳寿命的主要因素,结果表明：动荷载应力水平越高,水泥土的疲劳寿命越短,反之越长;水泥土的龄期越长、水泥掺合比越大,水泥土的疲劳寿命越长。     

水泥土细观破裂过程的损伤本构模型

根据对饱水环境中水泥土力学特性的宏观试验和细观破裂过程试验研究,建立了水泥土细观孔隙损伤变量和损伤本构模型,该水泥土的损伤变量不仅与水泥土的初始损伤有关,而且与水泥土微小孔隙中的孔隙水的密度有关,所建立的损伤本构模型与饱水情况下水泥土的单轴压缩试验曲线进行了对比,分析结果表明,所提出的水泥土细观孔隙损伤本构模型与试验值基本吻合,很好地描述了水泥土的损伤演化特性。     

含裂隙类岩石单轴压缩疲劳性能试验研究

为了研究含穿透裂隙类岩石的疲劳破坏行为,揭示含缺陷岩石疲劳损伤和破坏机理,本研究采用预埋抽条法制作含穿透裂隙白水泥试样,通过单轴压缩疲劳试验,探讨不同的裂纹倾角和应力分布对裂纹扩展的影响。试验结果表明：（1）低周疲劳破坏形态与静载压缩破坏形态基本一致,裂纹都是从裂隙尖端萌生,起裂角约为45°～75°,呈一定弧度向受压两端扩展,直至试样破坏,为典型的张拉I型断裂;（2）建立裂纹扩展长度与循环次数关系后发现,裂纹扩展速率随着循环次数的增加而先迅速增加后趋于平稳,最后又迅速增加,验证了疲劳破坏过程经历三个阶段,即疲劳裂纹初始塑性形变阶段、裂纹的缓慢增长阶段和裂纹的快速贯通阶段;（3）根据对疲劳应变能的分析可以看出,裂纹在萌生阶段所需要的能量较大,在裂纹开始扩展后,应变能密度基本保持不变,说明裂纹扩展过程中所需要的能量趋于稳定;通过对比不同应力水平、应力比的应变能密度曲线可以看出,在较大的应力水平、应力比下,应变能密度逐渐增加,表明试样在较大的应力水平和应力比下能够吸收更多的能量,裂纹的萌生与扩展也就更快。     

循环荷载下砂岩疲劳损伤过程的声学特性分析

利用电液伺服疲劳试验机系统研究了砂岩在单轴受压循环荷载作用下的疲劳损伤特性,配合智能型超声波检测设备及损伤在线实时监测系统,对砂岩试件在疲劳损伤过程中的声学参数（超声波速、时域波幅、波形）进行了实时的测量及详细地分析研究。结果表明,在循环加载过程中横向超声波速随损伤的发展变化比较敏感,呈现有规律的倒S型三阶段衰减现象,可以客观地描述砂岩的疲劳损伤特性及直观地反映疲劳损伤的各个阶段;超声波时域幅值在砂岩疲劳损伤过程中变化不稳定;波形在砂岩损伤过程中从有规则的纺锤形逐渐发生畸变,波形相关系数随循环次数的增长呈现整体下降趋势。研究成果进一步丰富了声学数据在疲劳损伤过程中的应用,从声学角度探讨了岩石疲劳损伤过程的微观机制,为进一步选择声学参数进行岩石疲劳损伤过程的跟踪识别提供试验依据。     

动荷载作用下辽西冻风积土的损伤演化分析

为了研究辽西冻风积土在动荷载作用下的损伤演化规律,采用动三轴仪进行了室内试验,获得了动本构关系、损伤演化方程以及损伤变量随应变的演化曲线。同时,针对冻风积土损伤的初始阶段,利用扫描电镜观测了微观结构。研究结果表明,冻风积土的损伤演化过程可以采用3个阶段进行描述。损伤的扩展速度在塑性损伤阶段发展较快,并且损伤变量的增长过程具备非线性特征;在微裂纹扩展阶段相对平缓,损伤变量与应变呈近似的线性增长关系。内部微裂纹的产生起于试样的中部,然后由中部向两端呈环状扩展。经过裂纹的交错和汇聚,斜向裂纹逐步形成和扩展。     

基于电流变化的水泥土损伤统计模型

为了把电阻率法引入水泥土的损伤研究中,首先把水泥土试块浸泡在清水、生活污水和造纸厂污水中,待龄期为90 d时进行无侧限抗压强度试验,并结合照片将试验过程得到的电流-应变曲线和应力-应变曲线进行了对比分析,然后以“有效电流”作为度量损伤的基准,通过统计得到了水泥土损伤模型,最后进行了归一化。研究表明,电流的变化易于测量,电流随着应变的增加而有规律的变化;电流-应变曲线与应力-应变曲线相互对应,都可以划分为4个阶段,这4个阶段很好地描述了水泥土损伤发展的全过程;本模型将全应变范围都统一成一个4次多项式方程,且方程形式与水泥类型、污染类型无关;这充分说明借助电流的变化来反映水泥土的结构损伤过程完全可行     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

纤维水泥土力学性能的试验研究

为了解加入纤维对水泥土力学性能的影响,对素水泥土及纤维水泥土进行了无侧限抗压和疲劳试验。研究结果表明,添加纤维可小幅度提高水泥土的抗压强度;与素水泥土相比,纤维水泥土在达到应力峰值时的应变明显增大,破坏后的残余强度也有所提高;纤维的加入提高了水泥土的延性,减少了裂缝的开展,改善了其力学性能;添加纤维后水泥土抵抗疲劳的能力明显增强;掺入纤维对水泥土抗疲劳能力的提高程度远大于其对水泥土无侧限强度的提高程度;水泥土的应力水平和疲劳寿命之间具有单对数线性关系;在循环荷载作用下水泥土表现为低应力性破裂特征。     

基于动态CT识别的冻土单轴压缩损伤本构模型

采用连续介质力学与热力学方法,建立了冻土单轴压缩损伤本构模型。以兰州冻结黄土为例,基于冻土单轴压缩动态CT试验,对冻土附加损伤的2个阶段,即塑性损伤和微裂纹扩展损伤分别采用硬化曲线法和动态CT识别方法进行了损伤计算,在此基础上给出了冻土附加损伤与弹性应变的对应关系,建立了基于试验的冻土损伤演化方程,并进行了有效应力的计算。     

花岗岩残积土冲击损伤与损伤演化特性试验研究

选取东南沿海某建筑工程地基浅层残积土为试样,运用超声波岩土损伤检测技术,测试计算在不同冲击荷载作用下试样纵波波速。选用纵波波速为损伤变量进行损伤度计算,分析了冲击荷载冲击频率、冲量等参数对试样损伤度的影响关系。同时结合试样试验破坏实际情况,分析了冲击荷载作用下试样损伤演化破坏特性。结果表明,随着冲击频率和冲量的增大,残积土试样损伤度都有增大上升趋势;随着损伤度的增加,残积土冲击损伤演化过程可分为小变形、端部出现裂纹、前端1/3处鼓胀或出现裂纹、前端裂纹扩展与表面剥落等几个不同破坏阶段。研究结论为揭示动荷载作用下残积土动力损伤演化规律提供科学依据和量化参数。     

A numerical study of mechanical behavior of a cement paste under mechanical loading and chemical leaching

Based on relevant experimental data of a petroleum cement paste under mechanical loading and chemical leaching, an elastic‐plastic model is first proposed by taking into account plastic shearing and pore collapse. The degradation of mechanical properties induced by the chemical leaching is characterized by a chemical damage variable which is defined as the increase of porosity. Both elastic and plastic properties of the cement paste are affected by the chemical damage. The proposed model is calibrated from and applied to describe mechanical responses in triaxial compression tests respectively on sound and fully leached samples. In the second part, a phenomenological chemical model is defined to establish the relationship between porosity change and calcium dissolution process. The dissolution kinetics is governed by a diffusion law taking into account the variation of diffusion coefficient with calcium concentration. The chemical model is coupled with the mechanical model, and both are applied to describe mechanical response of cement paste samples subjected to progressive chemical leaching and compressive stresses. Comparisons between experimental data and numerical results are presented.     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

Fatigue-Damage Evolution Characteristics of Interbeded Marble Subjected to Dynamic Uniaxial Cyclic Loads

In this work, uniaxial fatigue tests combined with post-test X-ray computed tomography (CT) scanning were conducted on marble samples with different interbed orientations, in order to reveal the anisotropic damage evolution characteristics during rock failure. The dynamic elastic modulus, damping ratio, fatigue deformation, damage evolution, accumulative damage modeling and crack pattern were systematically analyzed. The testing results indicate that the interbed structure in marble affects the damage evolution and the associated dynamic mechanical behaviors. The damage curve in “S” style indicates three-stage trend, namely, initial damage stage, steady damage stage and the accelerated damage stage. The damage index during cyclic deformation for marble presents obvious discrepancy. In addition, a fatigue damage prediction models was employed numerically as double-term power equations based on the experimental data. It is found that the selected damage model is suitable in modeling the rapid damage growth in the early and final stage of rock fatigue lifetime. Moreover, post-test CT scanning further reveals the anisotropic damage characteristics of marble, the crack pattern in the fractured sample is controlled by the interbed structure. What is more, the most striking founding is that the fracture degree is in consistent with the damage accumulation within the steady damage stage. Through a series of damage mechanical behavior analysis, the internal mechanism of the effect of interbed orientation on damage evolution of marble is firstly documented.

     

膨胀土初始破损与湿干交替耦合作用下的力学行为

为研究不同初始破损程度、不同干湿循环次数及两者耦合工况对膨胀土孔洞及裂隙发育、演化规律的影响,以及相应的土体变形、力学行为,以合肥膨胀土为研究对象,对制备的不同初始破损程度（圆柱孔直径分别为0、2.5、5 mm）的3组20个试样进行干湿循环试验及三轴剪切试验（控制吸力为50 kPa,有效围压分别为100、200、400 kPa）。并解释了孔洞-裂隙的产生及发育新机制。结果表明：干湿循环次数为0时,一定程度的初始破损会提高土体的强度;与常规认识不同,干湿循环次数为1～2次时,初始破损的存在会诱导土体裂隙开裂的方向和贯通模式,形成的结构块较无破损土体形成的更完整,因而具有相对于无初始破损土体更高的强度;干湿循环次数为3次时,裂隙完全扩展,土体结构性被严重破坏,有无初始破损的土体强度趋于一致;孔洞-裂隙的演化机制是：脱湿-增湿过程中产生的水力梯度使土体具有不同的软硬性质和胀缩变形,产生的拉压应力在微裂纹、尖端形成应力集中而开裂,更易与具有的初始孔洞破损联合、交汇、贯通,萌生的裂隙增大了水汽交换界面面积,进一步平衡拉压应力而最终完全碎裂。研究可为普遍存在初始破损的膨胀土工程研究提供新的思路。     

膨胀土损伤变量不同表征方法评价的试验研究

裂隙性是膨胀土的重要结构特征,裂隙损伤对膨胀土的变形、强度和稳定性有重要影响。岩土体损伤演化理论是当前研究的前沿课题,选择合理的损伤变量决定着损伤模型的正确性。为评价几种损伤变量表征方法的合理性,以南水北调中线工程陶岔引水渠坡的膨胀土为试验研究对象,通过控制净围压和吸力分别为100、50 kPa下的CT-三轴剪切试验,定量研究了分别基于承载面积、CT数的均值ME和方差SD的损伤变量表征方法的合理性。研究发现,损伤面积相同而损伤部位不同的试样偏应力-应变曲线和强度基本一致;损伤面积和SD可以作为损伤变量表征参数,而ME不适合用来表征膨胀土的损伤变量,虽然ME可以很好地用来定义岩石的损伤变量。试验研究结果可以为建立考虑损伤的膨胀土强度理论和本构模型中损伤变量的选择、定义提供科学依据。     

灰岩拉伸过程中细观结构演化的分形特征

岩石损伤演化的本质在于内部微细观结构发生了不可逆的劣化,它会在岩石表面体现出来。通过带扫描电镜的伺服试验机对岩石进行了拉伸试验,实时采集了岩石变形破坏过程中表面细观形貌的SEM照片。试验表明岩石在变形破坏过程中表面形貌将发生不可逆的演化直至最终出现宏观拉伸裂纹。针对SEM照片,借助数字图像处理的方法进行了阈值分割及边缘检测,计算出SEM数字图像的分形维数作为描述岩石表面细观形貌的参数。研究表明,随着载荷的增大,岩石表面的分形维数也逐渐增大,岩石的损伤程度加剧。     

黄土的修正上下加载面模型研究

由于天然沉积的黄土具有显著地结构性,在湿度及荷载变化条件下,其宏观力学特性发生显著的变化。为了分析增湿和加载条件下黄土的结构性损伤演化特性及应力-应变关系的变化特性,引入上、下加载面的概念,在原有超固结及结构性参数的基础上,考虑了含水率变化的影响,定义了新的初始超固结及结构性参数;运用上、下加载面概念,通过引入构度及黄土结构屈服强度,推导了结构性黄土的一般应力-应变关系,并进行了参数的影响变化分析;最后,通过不同含水率条件下的黄土压缩及三轴试验数据与模型预测数据的对比分析,验证了模型的合理性。