围压和动态加载条件下脆性材料断裂韧度测试的理论和实验研究

为了准确的反映脆性材料在围压和动态载荷作用下的断裂力学性能，以便为实际工程结构的设计和分析提供重要的基础数据，本项目拟采用巴西圆盘试件开展围压和动态加载条件下脆性材料断裂韧度测试的理论和实验研究。首先在中心裂纹圆盘试件应力强度因子公式的基础上，开展围压条件下巴西圆盘试件应力强度因子的分析、研究工作；与此同时，设计出一套适合于巴西圆盘试件动、静态断裂韧度实验的围压加载装置；然后选择1-2种脆性材料（如岩石或混凝土）加工成巴西圆盘试件，在MTS等多功能材料试验机上开展围压加载条件下纯I型、纯II型和复合型裂纹断裂韧度的实验研究，研究脆性材料断裂韧度与围压之间的内在关系。另一方面，研究动态加载条件下将准静态加载条件下得到的巴西圆盘试件应力强度因子公式推广应用到动态加载的条件，并在SHPB实验装置中开展复合型裂纹动态断裂实验研究。最后，开展围压和动态载荷共同作用下脆性材料断裂韧度的实验研究。

为了研究围压等因素对材料断裂韧度的影响，本项目在中心裂纹巴西圆盘试件应力强度因子公式的基础上，开展了围压对巴西圆盘试件应力强度因子影响的理论分析和数值模拟分析，分析结果表明围压对II型应力强度因子无影响，纯围压作用下裂纹趋于闭合；围压和集中力共同作用下，I型应力强度因子随着围压的增大而减小；此外，还研究了围压对纯II型裂纹加载条件的影响，结果表明，纯II型裂纹的临界加载角随着围压增大而减小，直至为0，因此，当围压较大时，加载角为0°左右所发生的断裂不一定全是纯I型断裂。在围压对应力强度因子影响的理论分析基础上，采用预应力技术实现对圆盘试件的围压加载。实验时，将按设计定制的橡皮套套在圆盘周围，利用材料的弹性变形，使配合面之间产生压力。根据皮套层数的多少来调节围压的大小。将事先标定好的围压和试件破坏载荷代入理论研究所得到的计算公式中即可得到不同围压下岩石的断裂韧度。实验结果表明：虽然破坏载荷随着围压的增大而增大，但断裂韧度变化不大。此后，通过中心裂纹圆盘径向受压试验，研究了干湿交替对砂岩断裂韧度以及裂纹扩展规律的影响，并结合断裂准则对试验结果进行了讨论分析。结果表明：干湿交替作用后，砂岩逐渐变软，其延性增强；纯I型和纯II型断裂韧度均随着干湿交替次数的增加而降低；纯I型和纯II型断裂韧度的劣化趋势基本一致，但劣化程度略有不同，其中，纯II型断裂韧度比纯I型断裂韧度对干湿交替劣化作用更为敏感。