不均匀脆性材料动强度提高机理及破坏形态研究_党发宁

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第 35 卷
gions in the material make the static strength higher than the dynamic strength of material ，in which the energy release rate dependent principle is followed at dynamic crack opening． The increase of dynamic strength can be caused by inhomogeneity of material and the inertia force． The dynamic strength changes with loading rates rather than being a fixed value for rockconcretelike inhomogeneous brittle materials． The faster the loading rate is，the greater the ability that cracks can go through high strength regions is，the higher the strength of material is． The amplitude of dynamic strength increase is decided on the areas of high strength regions in which the cracks go through at lower loading rates； it is merely decided by the inertia force when loading rate exceeds some critical value． In this paper，the concrete expression of dynamic strength for rockconcretelike inhomogeneous brittle materials is given． The validity of the above mentioned theory is confirmed through numerical and physical experiments of nonuniform brittle materials which are specially designed． Key words： brittle material； failure mode； crack propagation ； least energy consumption principle ； energy release rate dependent principle
Abstract： Based on the theory analysis，this paper points out that whether dynamic strength of materials is increased，the increased range of dynamic strength and the source of the differences between static and dynamic strength are related to material types，loading rates and inhomogeneous degree ，the relationship between static and dynamic strength should be discussed according to the specific conditions． The author mainly studies on the differences between static and dynamic strength of rockconcretelike brittle material and its mechanism； show clearly the dynamic strength higher than static strength， the differences are related to the fracture courses of cracks． The cracks propagate on the weak interface of material at static failure ，in which the least energy consumption principle is followed at static crack opening ，while the strain energy in the material releases instantly at dynamic fracture ，the cracks propagate along the path in which the energy release is the fastest， cracks go through partial high strength re收稿日期： 2014 － 07 － 08 ； 修订日期： 2014 － 09 － 16
Mechanism for enhancement of dynamic strength and failure model of nonuniform brittle materials
2 DANG Faning1 ，PAN Feng1 ，JIAO Kai1， ，SHI Junping1
（ 1． Institute of Geotechnical Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048 ，China； 2． Sinohydro Bureau 3 Co． ，Ltd，Xi'an 710016 ，China）
［3 ］ 形成裂纹所需的能量远高于裂纹发展所需的能量 ， 因而就需要耗散更多的能量。Swan 等 对油页岩破坏形 态研究表明， 在低应变速率下， 岩石试样的破坏面由大尺寸的裂纹构成 ， 而高应变速率下， 破裂面由许多细小
的裂纹构成。王礼立等 给出了水泥砂浆试件在不同应变率下单轴压缩加载到破碎时的破碎形态 ， 结果表 ［5 ］ 明随着应变率的提高， 试件伴生了更多微裂纹， 破碎粒度更为细小。 李海波等 研究了花岗岩在应变速率 为 10
度差异的根源与材料的类型 、 加载速率以及不均匀程度有关， 不能撇开具体情况来讨论材料的静动 强度的关系。重点研究了岩石、 混凝土类不均匀脆性材料的静动强度差异及机理， 指出其动强度较 静强度有一定的提高， 静、 动强度的差异与其破坏时裂纹的发展路径有关 。 静态破坏时裂纹沿着材 料的薄弱面向前发展， 即静态裂纹开裂遵循最小耗能原理； 而动态破坏时， 材料内部的应变能需要在 瞬间得到释放， 裂纹沿着能量释放最短路径向前发展， 这时的裂纹穿过了材料的部分高强度区， 使得 材料的动强度高于静强度， 即动态裂纹开裂遵循能量释放率相关原理 。动强度提高的根源是由于材 料的不均匀性和惯性力造成的 。对于岩石、 混凝土类不均匀脆性材料而言， 其动强度也不是一个定 值， 而是随加载速率而变化 。加载速率越大， 裂纹穿过高强度区的能力越强， 材料的强度越高。 加载 速率较低时动强度提高幅值主要受裂纹穿越材料高强度区的面积影响； 加载速率超过某个临界值 时， 动强度提高幅值就只受到惯性项的影响 。 论文给出了岩石、 混凝土类不均匀脆性材料动强度的 具体表达式。并通过特殊设计的不均匀脆性材料的数值试验和物理试验验证了以上理论研究的正 确性。 关键词： 脆性材料； 破坏形态； 裂纹扩展； 最小耗能原理； 能量释放率相关原理 中图分类号： TU435 ； TU5 ； P315． 93 文献标志码： A
03 ） ； 西安理工大学 基金项目： 陕西省黄土力学与工程重点实验室重点科研计划项目（ 09JS103 ） ； 水利部公益性行业科研专项（ 201201053211104 ） 博士基金项目（ 106mail： dangfn@ mail． xaut． edu． cn 作者简介： 党发宁（ 1962 － ） ， 男， 教授， 博士， 主要从事岩土计算力学方面的研究． E-
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EAＲTHQUAKE ENGINEEＲING AND ENGINEEＲING DYNAMICS
Vol． 35 No． 3 Jun． 2015
文章编号： 1000 － 1301 （ 2015 ） 03 － 0111 － 08
DOI： 10． 13197 / j． eeev． 2015． 03． 111． dangfn． 014
根据上文分析对于混凝土类非均质脆性材料而言材料的动强度提高是由不均匀性引起的提高值和惯性力引起的提高值联合作用的结果因此混合体的动强度为其中m为材料的质量为加载时第i条裂纹对应的材料动力反应加速度l为梁支点间的距离s面上的正应力足以满足精度要求14故此处借用三分点弯曲梁的抗折强度近似代替
第 35 卷 第 3 期 2015 年 6 月
引言
土木工程结构受地震、 冲击、 爆炸等动态荷载作用时， 其材料的强度和变形特性与受静态荷载作用时有 这些差别是施工、 设计和科研等人员共同关心的问题。有关岩石、 混凝土类等脆性材料动态力学性 所差别， 能的研究， 主要集中在动态强度、 变形特性、 影响因素、 试验技术等方面， 而动强度形成机理方面的研究相对 ［1 ］ ［2 ］ 较少。Eibl 等 和 Ｒossi 根据断裂力学观点从能量角度出发 ， 而 认为加载速率越高， 形成的裂纹数目越多，
－4
［4 ］
～ 10 0 s － 1 的单轴抗压强度随应变速率的变化规律 ， 认为裂纹扩展速率以及岩石断裂韧度的率相关特
6］ 性导致了岩石的强度随应变速率的增加而增加 。 并采用文献［ 提出的平均裂纹扩展速率观点， 揭示了在 此应变速率区间， 裂纹的扩展速率比较小， 对岩石在动载荷作用下的强度影响可以忽略 ， 岩石的抗压强度随 应变速率的增加仅仅由于其断裂韧度的率相关特性引起 。 Weerheijm 认为高应变率下混凝土强度的增强 ［8 ］ 是因为惯性效应， 惯性力使裂缝以更高速度发展直接导致变形的增加和强度的增长 。Ｒossi 通过 Stefan 效 应以及材料的开裂过程相互作用来解释混凝土材料在较高应变率下 ， 其断裂韧度随着裂缝开展速度增快而 ［9 ］ －1 ［10 ］ 提高的现象。周继凯 认为存在应变阈值 10 / s 使 Stefan 效应不会随应变率无限增长。 李庆斌等 则认 为在细观尺度上混凝土的强度是材料的固有属性 ， 与加载速率无关， 而试验中观察到混凝土的宏观强度随着 加载速率的增加而增大是由于动力荷载下混凝土中自由水分粘性和惯性的影响 ， 并提出了一种同时考虑动 力荷载的惯性和自由水的粘滞作用影响模型 。马怀发 认为， 损伤是因变形引起的， 在动载作用下存在着 。 ， 不同程度的损伤滞后现象 测定混凝土材料力学特性的试件 受荷后变形滞后于荷载作用， 宏观上表现为混
［12 ， 13 ］ 凝土材料的应变率强化现象。党发宁等 利用 CT 技术对动力荷载作用下混凝土细观破裂过程进行实时 扫描观测， 给出了动力压缩、 动力拉伸 CT 试验成果， 并基于 ABAQUS 软件中的塑性损伤模型模拟了试件的 ［11 ］ ［7 ］
加载过程， 指出该模型能够比较真实的反映出混凝土的力学特性 。目前为止关于材料率效应形成机理方面 的研究并无定论， 且各种解释均存在局限性。 本文认为岩石、 混凝土类脆性材料的静、 动强度差异主要是由于材料的不均匀性造成的 ， 提出不均匀脆 性材料的静、 动强度与其破坏后裂纹的发展路径有关 。静态破坏时裂纹沿着材料的薄弱面向前发展 ， 即静态 裂纹开裂遵循最小耗能原理； 而动态破坏时， 材料内部的应变能需要在瞬间得到释放 ， 裂纹沿着能量释放最 短路径向前发展， 这时的裂纹穿过了材料的部分高强度区 （ 如混凝土中的骨料 ） ， 使得材料的动强度高于静 强度， 即动态裂纹开裂遵循能量释放率相关原理 。论文同时研究了岩石、 混凝土类不均匀脆性材料强度的表 达式以及加载速率无限增加时材料强度的极限值 。论文通过特殊设计的数值试验与物理试验， 验证了这一 设想的合理性。
不均匀脆性材料动强度提高机理及破坏形态研究
1 潘 党发宁 ， 1 峰， 焦 1， 2 1 凯 ， 师俊平
（ 1． 西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 710048 ； 2． 中国水利水电第三工程局有限公司， 陕西 西安 710016 ）
摘
提高幅度有多大， 以及静动强 要： 论文通过理论分析指出， 材料的动强度较静强度是否有提高，