层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析.pdf
《层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、167620238BuildingConstructionSCIENTIFRESEARCH究研科学层状千枚岩三点弯曲试验的断裂破坏分析钱立振王彦峰唐国涛李鹏飞中建五局第三建设有限公司湖南长沙410004摘要:为研究层状千枚岩的断裂破坏规律,通过加工0、1 5、3 0、4 5、6 0、7 5、9 0 共7 种不同层理倾角的中心直切槽半圆盘试样,开展室内三点弯曲试验,分析了不同层理倾角I型断裂韧度及断裂破坏模式,并基于声发射系统,分析了不同层理倾角层状千枚岩断裂破坏过程的声发射响应特性。结果表明:层理倾角由0 9 0 的变化过程中,I型断裂韧度逐渐增大,峰值载荷及峰值位移也呈增大趋势;层理倾角为0
2、 时,发生张拉破坏,为1 5 4 5 时,剪切破坏占主导,为6 0 9 0 时,张拉破坏占主导;不同层理倾角层状千枚岩断裂破坏过程声发射响应,在临近破坏荷载时,瞬时振铃信号均明显比较活跃。关键词:层状千枚岩;中心直切槽半圆盘;层理倾角;声发射;破坏模式中图分类号:TU753文献标志码:A文文章编号:1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 7 6-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.052FractureFailureAnalyhvlliteby-point Bending TestvsisofThree-QIAN Lizhen WANG Ya
3、nfeng TANG Guotao LI PengfeiThe Third Construction Co.,Ltd.,of China Construction Fifth Engineering Bureau,Changsha 410004,Hunan,ChinaAbstract:To study the fracture failure law of layered phyllite,a three-point bending test is carried out to analyze the modeI fracture toughness and fracture failure
4、mode of different bedding inclination angles by processing the central straightcut groove half disk samples with 7 different bedding inclination angles of 0,15,30,45,60,75and9o.Based on the acoustic emission system,the acoustic emission response characteristics of layered phyllite fractureprocess wi
5、th different bedding angles are analyzed.The results show that:during the change of bedding inclinationangle from 0 to 90,the type I fracture toughness gradually increases,and the peak load and peak displacementalso show an increasing trend;when the bedding inclination angle is O ,tensile failure oc
6、curs;when the beddinginclination angle is between 15 and 45,shear failure dominates;when the bedding inclination angle is between 60 and 9o ,tensile failure dominates;the acoustic emission response of layered phyllite with different bedding inclinationangles during fracture process is obviously acti
7、ve when the failure load is near.Keywords:layered phyllite;center straight grooved half disk;bedding inclination angle;acoustic emission;destructionmode岩石作为自然界的天然产物,在漫长的地质作用下形成由不同矿物颗粒和胶凝材料组成的多孔、裂隙、层理、断层等结构面,是典型的非连续天然介质,其力学性质往往与完整块体有较大差异1-3)。工程建设中常伴随层状岩石的断裂失稳,层状岩石由于层理结构特性,导致其沿不同层理方向的断裂性质存在较大差异 4-6 。因
8、此,研究层状岩石不同层理方向的断裂力学特性具有重要意义。关于层状岩体力学性能的研究,王宏图等 7-8 早期做过层状煤岩三轴力学特性及相似模拟研究。赵平劳 9-1 0 、裴建良等-1 2 基于层状岩石直剪试验、单轴压缩试验、间接拉伸试验及常规三轴试验,分析了层状岩石抗剪特性、单轴作者简介:钱立振(1 9 9 3 一),男,硕士,工程师通信地址:湖北省武汉市武昌区楚峰大厦2 2 层(4 3 0 0 6 4)。电子邮箱:1 6 6 8 6 2 4 3 6 8 收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 5抗压强度、变形特征及微观断口形貌。Nasseri等 3 基于单轴压缩试验及常规三轴试验,分析了不同层理
9、倾角下片岩的强度和变形特性。Cho等 1 4 对片麻岩等层状岩石进行单轴压缩及巴西圆盘劈裂试验,研究了层理岩石抗压强度、抗拉强度及弹性模量参数的各向异性性质。徐敬宾等 1 5 、衡帅等1 6 通过对不同层理倾角页岩进行单轴及三轴压缩试验,表明受层理面的影响,页岩的强度特征和破裂模式与层理倾角密切相关。断裂力学中,断裂韧度用来衡量材料抵抗裂纹起裂扩展的能力,是重要的强度指标。相关研究 1 7-1 8 表明,两者适用于评价岩石的断裂问题。吕有厂 1 9 基于半圆盘三点弯曲试验,探究了加载速率对3 种预制切槽层理页岩(Crack-arrester型、Crack-splitter型、Crack-div
10、ider型)I型断裂韧度的影响规律。赵子江等 2 0 也采用3 种直切槽半圆盘试样及“人”字形切槽半圆盘页岩试样进行三点弯曲试验,对比分析了2 种试样测得的I型断裂韧度值及断裂机理。衡帅建筑施工第4 5 卷第8 期1677李鹏飞:层状千枚岩点弯曲试验的断裂破坏分析王彦峰、唐国涛钱立振、等 2 基于圆柱形三点弯曲试样试验,讨论了张拉载荷作用下裂缝的扩展形态。潘睿等 2 2 的研究表明断裂能各向异性影响岩石裂缝扩展偏折路径。姚哨峰等 2 3 基于三点弯曲试验,探究了大理岩宏观断裂能与岩石细观结构特征的相关性。徐晓云等 2 4 基于半圆盘三点弯曲试验,结合广义最大周向应力准则,分析了T应力对I-II
11、复合型断裂及裂纹扩展路径的影响。张盛等 2 5 探究了石灰岩直切槽半圆盘试样切缝长度及尺寸效应对断裂韧度值的影响。千枚岩节理裂隙发育,呈灰色,是公路工程及隧道工程中常见的软弱围岩。本文基于上述研究,将层理发育的层状千枚岩加工成含有不同层理倾角的中心直切槽半圆盘试样,开展三点弯曲试验测试,并通过Abaqus有限元软件建立了应力强度因子计算模型,研究不同层理倾角层状千枚岩在弯拉载荷作用下的断裂性能,期望能为层状岩体工程断裂问题提供科学指导。1层状千枚岩三点弯曲试验1.1试件制备及材料参数测定本文岩样取自长沙市某工程的层状千枚岩,其中垂直层理方向由单轴压缩试验测得弹性模量为2 7.6 3 GPa,泊
12、松比为0.1 6,平行层理方向测得弹性模量为9 5.1 7 GPa,泊松比为0.2 5,层理间距为2 3 mm。将采取的岩样加工成半径R为5 0 mm,厚度B为2 0 mm,中心垂直直径方向预制切缝深度a为1 5 mm,缝宽约为1 mm的含有0、1 5、3 0、45、6 0、7 5、9 0 共7 种不同层理倾角0 的半圆盘试样(这里定义角为加载方向与层理方向夹角)。制备每个层理倾角试样3 个,共2 1 个试样。制备完成后的7 种层理倾角试样如图1 所示。试样几何尺寸及加载方式如图2 所示。试样下方简支跨距2 S为80 mm。图1各层理倾角试样2Sa:预制切缝深度:R:试样半径:2S:简支跨距:
13、层理面与加载方向夹角图2试样几何尺寸及加载方式1.2加载设备及声发射监测系统三点弯曲加载试验设备采用5 0 kN万能试验机,本次试验加载控制方式采用位移控制,控制速率为0.0 2 mm/min。同时,加载过程中利用DS5-8B声发射监测系统监测试样断裂破坏过程。试验时声发射系统所用频率为3 MHz,阈值为4 0 dB。2试验结果2.1断裂韧度分析试样I型断裂韧度的确定,根据Kuruppu等 2 0 提出的断裂韧度计算公式见式(1)。Pmm元aaSKic=2RBYRR(1)式中,Kic为I型断裂韧度,Pmax为试样受弯拉载荷作用下的峰值载荷,R为试样半径,B为试样厚度,a为切缝长度,S为简支跨距
14、一半长度,Y为I型无量纲应力强度因子,可由Abaqus有限元软件计算得到。基于本次试验中岩样的宏观力学参数,采用Abaqus有限元软件建立如图3 所示的应力强度因子计算模型,采用围线积分计算,预制裂隙尖端设置为CPS6三角形单元,其余部分均设置为CPS8四边形单元,模型中施加载荷设置为单位载荷1 N,结合式(1)换算出无量纲应力强度因子Y,同时为确保模型计算结果的准确性,还将本文的计算结果与文献 2 7 做了对比验证分析,结果见表1。裂纹尖端三角形单元图3应力强度因子计算模型表1 中心直切槽半圆盘无量纲应力强度因子结果比较a/RS/R本文Y文献 2 7 Y误差/%0.10.52.7522.72
15、41.030.30.52.4932.538-1.770.80.512.85012.6651.46从表1 计算结果可知,本文应力强度因子计算模型误差较小,说明本文模型可以准确分析计算,本文a/R=0.3,S/R=0.8,Y,=4.7 8 3。因此,由式(1)计算的各层理倾角断裂韧度值见图4。100试验值厂90平均值拟合曲线8070605040302030 45 607590015层理倾角/()图4不同层理倾角断裂韧度167820238BuildingConstruction王彦峰、唐国涛李鹏飞:月层状千枚岩点弯曲试验的断裂破坏分析钱立振、由图4 可见,层状岩石的1 型断裂韧度随层理倾角的变化表现
16、出各向异性,I型断裂韧度在层理倾角由0 到9 0 的变化过程中,呈现逐渐增大的趋势,层理倾角为0 时,I型断裂韧度值最小,此种方位加载下试样抵抗开裂破坏能力较弱,试样越易断裂破坏。层理倾角为9 0 时,I型断裂韧度值最大,此种方位加载下试样抵抗开裂破坏能力较大,试样越难以发生断裂破坏。且最大和最小断裂韧度值相差约3.5 8 倍,进一步将1 型断裂韧度值随层理倾角的变化拟合后发现,两者相关系数达到0.9 6,呈如式(2)所示二次函数关系,表明层状千枚岩I型断裂韧度值在层理倾角由0 9 0 的变化过程中,层理倾角对断裂韧度的控制作用增强,材料各向异性特征突出,表现出良好的增韧作用,试样越难以开裂破
17、坏。Kc=0.0070+0.1360+32.568(2)2.2层状千枚岩载荷一位移曲线分析图5 为三点弯曲载荷作用下,7 种层理倾角典型的载荷-位移曲线。由图5 可以看出,三点弯曲载荷作用下,层状千枚岩载荷-位移曲线变化与我们常见的单轴压缩曲线类似,大致可分为4 个阶段:6000,50004000N/3.0009002000100000.20.40.6位移/mm图5不同层理倾角载荷-位移曲线1)压密阶段,加载初期,在竖向载荷作用下曲线斜率由小逐渐变大,曲线上凹明显,且在层理倾角0 9 0 的变化过程中,即竖向载荷与层理面方向逐渐接近垂直,该阶段愈发明显,很可能是由试样层理相对薄弱胶结界面及原生
18、微裂隙被压缩所致。2)弹性阶段,该阶段曲线斜率保持不变,应变能逐渐累积,试样内微裂隙逐渐发育。3)屈服阶段,该阶段持续很短,曲线斜率变缓下凹,微裂隙累积发展贯通,材料刚度下降,试样即将破坏。4)峰后陡降段,该阶段试样达到峰值载荷后,载荷迅速呈断崖式跌落至较小值,甚至为零,表明试样呈脆性破坏。在层理倾角0 9 0 逐渐增大时,试样破坏时的峰值载荷对应的破坏位移有较大差异,层理倾角为0 时,峰值载荷对应的位移最小,层理倾角为7 5 时,峰值载荷对应的位移最大,两者相差约2 倍。且随层理倾角的增大,峰值载荷对应的位移有增大的趋势,此时的峰值载荷也随层理倾角的增大而增大,层理倾角为0 时,峰值载荷最小
19、为2.1kN,层理倾角为9 0 时,峰值载荷最大为5.7 3 kN,两者相差约2.7 倍。因此,综合来看,表明该层状千枚岩的变形和强度特征受层理倾角变化影响较大,表现出明显的各向异性。在层理倾角逐渐增大的过程中,试样变形越大,有越难以被破坏的趋势。这与上述断裂韧度的分析中,层理对断裂韧度有增韧作用有关。2.3层状千枚岩断裂过程声发射分析图6 为声发射振铃计数、载荷随时间变化关系图,可以看出,层理倾角为0、3 0、9 0 时,随着载荷的施加,峰值载荷前期,试样内部层理结构及微空隙逐渐被压缩,但声发射活动较为平静,声发射振铃信号响应程度较弱,层状岩石内部应变能得到累积。随着载荷的继续增大,临近破坏
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 层状 千枚岩三点 弯曲 试验 断裂 破坏 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。