文摘

为了研究三维颗粒流方法的可行性和可靠性在模拟I型断裂韧度测试中,四种类型的颗粒流数值样本建立了PFC的代码3 d:直裂纹三点弯曲(SC3PB),边缘破裂夷为平地半圆的圆盘(ECFSD),破解了雪佛龙取得巴西圆盘(CCNBD)和边缘破裂平环(欧盟)。三个模型与不同强度参数(A组、B组和C组)为每个类型,建立了从混凝土获得A组的参数模型,B组参数申请模拟大理石,花岗岩和C组参数。I型断裂韧性和每个模型得到的故障形式进行数值试验,和加载点的载荷与位移的曲线记录。数值试验结果表明,相同的强度参数,每个标本类型测试结果的最大差为0.39 MPa·m1/2。的K集成电路欧盟的标本是0.13 - -0.28 MPa·m1/2小比CCNBD标本,K集成电路ECFSD标本的略高于CCNBD样本。的K集成电路SC3PB标本是0.06 - -0.21 MPa·m1/2小比CCNBD样本。当加载速率小于0.01 m / s,加载速率对断裂韧性的影响可以减少到小于0.1 MPa·m1/2。

1。介绍

理论研究和实验室试验I型断裂韧度K集成电路岩石材料是相对成熟1]。典型的测试方法包括三点弯曲试验、紧凑拉伸试验,和巴西的分割测试,和SC3PB标本类型,CCNBD和SR常用。

Zhang et al。2)发现,样品的断裂韧性没有等级较高,和结果的离散性。崔et al。3)回顾了I型断裂韧性的测试方法的岩石,结果由不同方法相比,并解释这些差异的原因。魏et al。4)认为,三点弯曲试验的结果更稳定可靠,并推荐使用ASTM提出的公式。Ayatollahi et al。5)发现,试样直径越大,I型断裂韧性越高。孟等的研究成果。6和杨et al。7)显示为中心平台巴西样品角增加,故障模式变得复杂。20°角是最合适的平台。黄等。8,9)研究不同粒径的影响由PFC荷载位移曲线和失效模式二维。结果表明,次生裂缝的产生主要是受粒子大小的影响。尺寸效应的颗粒流软件仿真研究了黄et al。10]。发现粒度的增加会导致断裂韧性和裂纹开裂应力增量。砂岩和花岗岩的变形特征研究了不同应力路径下的彭et al。11- - - - - -14王),et al。15],商等。16),在裂纹扩展和能量特征进行了研究。发现最敏感的参数识别阶段是体积应变。随着围压的增大,抑制裂缝的发展和连接方向,和最终的断裂表面的长度减少。的测试过程和结果老崔和CCNBD标本研究et al。17,18]。结果显示大规模CCNBD标本的影响。随着试样直径的增加,断裂韧性的方差K集成电路SR和CCNBD标本变得越来越小。SR标本的制作表面比CCNBD的粗糙。也发现,断裂韧性测试结果可以更加一致的直径较大的试样比ISRM提出“最小有效直径75毫米。“基于边界效应理论,研究了岩石的断裂韧度的关et al。19]。真正的材料参数没有构造不同的岩石类型的尺寸效应,结果被用来预测骨折的趋势。

试验研究CCNBD试样的断裂韧性和尺寸效应是由吴邦国等。提出了,可以修改结果几何形状函数,然后可以获得真正的岩石断裂韧性。在半圆的弯曲(渣打银行)测试,支持类型对岩石断裂韧性的影响研究是巴拉米et al。20.]。有限元方法和实验室测试的结果表明,不同的支持类型和样品之间的摩擦和底部支持对结果有很大的影响。的断裂韧性K集成电路摘要lapilli-ash凝灰岩黄等。21)有两个典型的半圆弯标本。的断裂韧性K集成电路以半圆的弯曲(渣打银行)方法发现低于使用了雪佛龙半圆弯(CCNSCB)方法。CCNBD方法产生更多的分散效果。

在实验室测试的岩石断裂韧性K集成电路样品处理比较困难,测试结果分布。因此,数值模拟方法被广泛用于测试岩石断裂韧性。大部分的数值测试是由二维模拟软件,和三维数值计算方法并没有被广泛讨论。在这项研究中,四种类型的样本选择,和三维颗粒流数值模拟是用来测试样品的I型断裂韧性。结果进行比较和分析,它提供了一个参考的数值测试断裂韧性。

2。建立数值模型

2.1。Microparameters模型的

颗粒流软件PFC被广泛用于模拟弹塑性材料的变形和破坏过程,如岩石、土壤、和混凝土,它可以显示,力学性能和破坏机理从微观的角度来看。通过调整粒子和债券的参数模型,数值模型的力学特性可以类似于实际的材料。失败的过程可以通过监测微裂隙的数量和位置和压力模型。为了研究数值模拟岩石材料的适用性与不同强度、微观参数的三组(A组、B和C)选择计算和分析(见表1- - - - - -3),其中最低强度参数在A组和C组最高。

表1
粒子的微观参数组。
表2
粒子的微观参数B组。
表3
粒子的微观参数C组。

A组的参数校准根据在实验室直接剪切试验的结果。在B组的参数是大理石的微观参数由黄等。22]。C组的参数修改基于巴西花岗岩分割测试曲线。数值模型的单轴抗压强度可用于校准参数,和强度试验结果表明,与A组参数为78.4 MPa, 106.8 MPa, B组参数,并与C组参数142.1 MPa。

作为PFC二维在文献[17),在三维颗粒流模拟微观参数的合理性需要进一步的测试和修改。参数标定在A组的详细信息如下:(1)均匀混合水泥、沙子和水的质量比1:1:0.4,放进一个立方模具大小的15厘米×15厘米×15厘米(如图1),并严格振动。放置一天后,demold治愈他们在室温下28天;这时,一个可以获得类似的模型样品(23)的物理和力学性能接近实际的岩石。(2)进行单轴压缩试验和直接剪切试验样品在不同法向应力下(如图2);然后,正应力和剪切应力测试记录和绘制在图3。测试结果表明,凝聚力c的样品是5.09 MPa,内摩擦角φ是44.8°(如图3)。样品的单轴抗压强度为82.3 MPa。(3)建立PFC3 d相同大小的数值模型,进行数值试验与黄的微观参数等。13]。修改这些参数,直到测试结果更接近的实验室测试;然后,绘制在图的结果3。测试结果表明,凝聚力c示例4.93 MPa和内摩擦角φ是46.7°(如图3);微观参数作为A组。


图1
类似的模型样品模具。

图2
直接剪切试验样品相似的模型。

图3
剪切stress-normal压力曲线示例。

在C组参数的校准和修改如下:(1)圆柱形样本大小ϕ50 mm×25毫米是用完整的花岗岩;然后,一系列的巴西圆盘分割试验和单轴压缩试验进行的这些标本(如图4)。荷载位移曲线的测试记录图5。根据程序,在巴西测试、加载速率控制为0.1 MPa / s。花岗岩样品的单轴压缩强度为142.3 MPa。(2)建立颗粒流的数值模型,并进行数值试验根据步骤(1)中,然后反复调整模型的微观参数,直到数值试验的荷载位移曲线吻合较好与实验室测试(如图5)。参数是作为C组。


图4
巴西圆盘分割测试与花岗岩标本。

图5
巴西梁进行试验(C组的参数)。

基于上述微观参数,12 SC3PB数值模型,ECFSD, CCNBD,和欧盟成立,分别其中SC3PB和CCNBD模型已经广泛使用,ECFSD和欧盟新型模型研究了张(24]。模型的大小和加载形式如图6- - - - - -9。根据Potyondy et al。25),可以选择粒度大小3 - 4%的模型,每个模型和数值进行检测。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
三点弯曲梁模型。(一)模型的大小。(b) PFC3 d模型。
(一)
(一)
(b)
(b)
图7
边缘破裂夷为平地半圆的圆盘模型。(一)模型的大小。(b) PFC3 d模型。
(一)
(一)
(b)
(b)
图8
了雪佛龙取得巴西圆盘模型。(一)模型的大小。(b) PFC3 d模型。
(一)
(一)
(b)
(b)
图9
边缘裂缝平环模型。(一)模型的大小。(b) PFC3 d模型。
2.2。控制加载速率

位移加载用于测试。为了选择一个最佳的加载速率,SC3PB CCNBD样本模型建立与参数组,执行和测试三种载荷作用下的0.05米/秒(9),0.01 m / s, 0.002米/秒(26]。两个样品的强度曲线在不同加载速率下,分别(如图10和11)。


图10
P- - - - - -V三点弯曲试验的曲线在不同加载率。

图11
P- - - - - - CCNBD测试曲线在不同加载率。

弹性阶段的曲线,在不同的加载率下,几乎是相同的。加载速率越慢,越低的峰值强度曲线。对于SC3PB示例,K集成电路计算用第一个平台在曲线加载到公式(1)和(2)[27]: 在哪里P负载值,kN;年代是名义上的跨度,mm;W标本高度,mm;B试样厚度,mm;和一个预制裂纹长度,毫米。

CCNBD样本,K集成电路计算用的最大负荷(5在测试通过公式(3)- (6)[28]: 在哪里 强度是至关重要的因素;α0=一个0/R,无量纲初始裂纹长度;α1=一个1/R,无量纲最大裂纹长度;αB=一个B/R试样厚度,无量纲;和P马克斯,当地的最大负载,kN。

样品不同加载速率下的断裂韧性是列在表中4。SC3PB样本的结果,误差为0.16 MPa·m1/2,都极大地受到加载速率的影响。CCNBD样本的结果几乎是接近0.08 MPa·米的误差1/2。与加载速率的减少,加载速率的影响变得越来越小。加载速率越慢,越接近测试是准静态加载。用相同的位移,减少损伤样本,结果更准确。因此,从理论上讲,应该控制加载速率相对较低,但考虑到数值模拟的计算效率,加载速率应该增加适当的条件下,结果不够准确。根据上面的测试,这个测试控制的加载速率为0.01 m / s。

表4
测试结果不同的加载率下的断裂韧性。

3所示。数值试验的结果

3.1。三点弯曲试验结果

对于数值测试,首先,合理性和有效性的测试结果应该初步判断。通过监测微裂隙的生成和分布模型中,可以观察到样品的失效形式(如图12- - - - - -14。图中的黑色部分代表了微裂隙产生的粒子间键的失败。其中,数据12(一个),(13日),(14日)显示裂纹萌生,数字12 (b),13 (b),14 (b)显示裂纹扩展,和数字12 (c),13 (c),14 (c)表明,该标本损坏时裂纹传播到一定阶段。发现,在样本有不同的强度,生成的微裂隙首先从预制槽的顶端和逐渐扩大,表明模型的失败是由于槽的增长,所以数值测试是合理的和有效的。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图12
微裂隙分布SC3PB标本(A1)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)标本的失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图13
微裂隙分布SC3PB标本(B1)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)标本的失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图14
微裂隙分布SC3PB标本(C1)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。

然后,记录负荷曲线P较强张开位移V在测试(如图15)。根据测试结果,P一个= 1.11 kN,PB= 2.99 kN,PC= 3.27 kN;用这些值到公式(1),K集成电路模型计算A1为0.92 MPa·m1/2,K集成电路模型B1是2.49 MPa·m1/2,K集成电路模型C1是2.72 MPa·m1/2。


图15
P- - - - - -V三点弯曲试验的曲线。
3.2。ECFSD测试结果

在测试期间,微裂隙的分布模型中数据所示16- - - - - -18。发现少量的微裂隙,在裂纹萌生阶段,出现在装载点和预制裂纹。然后,预制裂纹扩展停止大约5毫米,和大量微裂隙的出现在两个加载点。粉碎沿着加载方向的主要失效模式样本。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图16
微裂隙分布ECFSD标本(A2)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图17
微裂隙分布ECFSD标本(B2)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图18
微裂隙分布ECFSD标本(C2)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。

在B2模型中,裂纹发生在加载点首先然后发生在年底precrack(如图17)。断裂的方向直径两端应力集中引起的标本是标本失败的主要原因。

记录负荷曲线P位移V在测试(如图19),曲线上的局部最小值代入以下公式(19]: 在哪里Y马克斯是无量纲应力强度因子(17),Y马克斯= 1.0756;R样本的半径,mm;P最小值是当地最低负荷,kN;和其他符号是一样的。


图19
P- - - - - - ECFSD测试曲线。

根据测试结果,P阿明= 6.22 kN,PBmin= 14.9 kN,PCmin= 16.3 kN;然后,K集成电路模型可以计算。结果表明,K集成电路= 1.11 MPa·m1/2对于A2模型,K集成电路= 2.66 MPa·m1/2B2模型,K集成电路= 2.91 MPa·m1/2为C2模式。加载过程的观察表明,当地的最小值P最小值负载曲线对应的裂纹萌生和预制裂纹的传播阶段。在这个时候,标本并非完全损坏。随着加载,加载曲线增加,第二个峰值可能超过第一。

3.3。CCNBD测试结果

微裂隙的分布模型图所示20.- - - - - -22。发现微裂隙发生在加载点的样本和切槽底首先,然后切槽开始传播,通过样品的微裂隙运行最终沿直径方向。大量微裂隙附近加载平台出现,因为当地的断裂应力集中造成的。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图20
微裂隙分布CCNBD标本(A3)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图21
微裂隙分布CCNBD标本(B3)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图22
微裂隙分布CCNBD标本(C3)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。

负载的曲线P位移 记录在测试(如图23),最大负载测试中被替换成公式(3)- (6),计算。


图23
P- - - - - - CCNBD测试曲线。

根据测试结果,PAmax= 12.2 kN,PBmax= 18.4 kN,PCmax= 20.4 kN;然后,K集成电路模型计算。结果表明,K集成电路= 1.13 MPa·m1/2对于A3模型,K集成电路= 2.55 MPa·m1/2B3模型,K集成电路= 2.83 MPa·m1/2为C3模型。

3.4。欧盟的测试结果

微裂隙的分布模型中数据所示24- - - - - -26。在加载过程中,垂直的微裂隙产生的内壁样品首先;然后,裂缝传播逐渐从内部向外沿加载方向和运行通过样本。同时,也切成裂缝传播到里面的样品。拉伸断裂也发生在正确的戒指的一半。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图24
微裂隙分布在欧盟标本(A4)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图25
微裂隙分布在欧盟标本(B4)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图26
微裂隙分布在欧盟标本(C4)。(一)裂纹萌生。(b)裂纹增长。(c)样品失败。

负载的曲线P位移 如图27。根据文献[17),当地最低负载P最小值代入公式(7),Y马克斯= 1.0468,P阿明= 5.71 kN,PBmin= 13.0 kN,PCmin= 15.2 kN,结果如下:K集成电路= 1.00 MPa·m1/2对于A4模型,K集成电路= 2.27 MPa·m1/2B4模型,K集成电路= 2.65 MPa·m1/2C4模型。


图27
P- - - - - - ECFR曲线测试。

4所示。分析测试结果

在每组样本,SC3PB和传播CCNBD样品被损坏的包装好的裂缝,而ECFSD和欧盟的传播不仅被包装好的样品裂缝,而且聚结的垂直裂缝。每个试件的荷载位移曲线将略有减少,然后再次增加,这是由压力引起的裂纹萌生后释放。通过比较每个模型的断裂韧性(见表5),可以发现,在A组中,四种样品类型之间的差异是0.21 MPa·m1/2。在B组,四种样品类型之间的差异是0.39 MPa·m1/2。在C组,四种样品类型之间的差异是0.26 MPa·m1/2。总的来说,ECFR样本的断裂韧度小于ECFSD和CCNBD样本(表4和5)。

表5
断裂韧性的测试结果(MPa·m1/2)。

通过比较微裂隙的分布在每个模型中,可以发现,在ECFSD和CCNBD样本,裂纹扩展的断裂装载点。短裂纹扩展距离ECFSD标本不是标本失败的主要原因。因为宽度内的裂纹尖端是由试样装入特制裂纹传播平台。联系图(如图28),黑线代表粒子之间的压力,和线的厚度代表力的大小。明确,标本是沿着垂直方向压缩,和切成裂纹尖端将不再进行拉伸断裂,裂纹不会进一步扩大。较低的加载速率下,有更少的微裂隙CCNBD标本中的传播路径外,这使得结果相对准确。


图28
颗粒之间的接触力ECFSD模型。

ECFR标本可以被视为一个平台巴西圆盘试样裂纹和中心圆孔边缘。与磁盘或half-disk标本相比,环状的标本更容易发生压缩变形。

计算结果与内部和外部半径的比值密切相关r/R外径,裂纹长度的比例一个/R和其他几何参数。有许多微裂隙在裂纹扩展路径,这对测试结果有一定的影响。

5。结论

岩石的断裂韧性试验4类型的标本的数值模拟方法研究了颗粒流。失效形式和荷载位移曲线进行了分析和比较。本研究的结论如下:(1)数值试验的结果是合理的和有效的。最大区别不同样品的测试结果与相同的强度参数是0.39 MPa·m1/2。(2)当加载速率降低到0.01 m / s,加载速率对断裂韧性的影响可以减少到小于0.1 MPa·m1/2。所以,加载速率为0.01 m / s是合理的。(3)在加载过程中,欧盟标本中的微裂隙发生在多个领域。欧盟标本的检测结果是6% - -11%小于CCNBD标本。ECFSD标本,有许多微裂隙产生沿加载方向预制裂纹的传播。测试负载大于其他标本,所以ECFSD标本的断裂韧性是0.08 - -0.11 MPa·m1/2比CCNBD标本。(4)SC3PB和CCNBD标本泄漏沿着加载方向因为预制裂纹的传播,和测试结果SC3PB 0.06 - -0.21 MPa·m1/2少比CCNBD标本。

数据可用性

本文数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是自然科学基金支持的中国江苏高等教育机构(批准号。19 kjd410001和18 kjb440002),科技项目江苏省住房和城乡建设厅(批准号2018 zd199),和常州的科技项目(批准号CJ20190020)。