断裂力学论文

1、中国矿业大学断裂力学课程报告课程总结及创新应用唐浩翔2014/5/7 班级：工程力学11-03 学号：02110908断裂力学结课论文一、学科简介1、 学科综述结构的破坏控制一直是工程设计的关键所在。工程构件中难免有裂纹，从而会产生应力集中、结构失效等问题。裂纹既可能是结构零件使用前就存在的，也可能是结构在使用过程中产生的。但裂纹的存在并不意味着构件的报废，而是要求我们能准确地预测含裂纹构件的使用寿命或剩余强度。针对脆性材料的研究已有完善的弹性理论方法，并获得了广发的应用。但对于工程中许多由韧性较好的中、低强度金属材料制成的构件，往往在裂纹处先经历大量的塑性变形，然后才发生断裂破坏或失稳等。这

2、说明，韧性好的金属材料有能力在一定程度上减弱裂纹的危险，并可以增大结构零件的承载能力或延长器使用寿命，这也是韧性材料的优点所在。但与此同时，这给预测强度的力学工作者带来了更复杂的问题，即不可逆的非塑性变形，这也是开展工程构架弹塑性变形的原因之一。因而，裂纹的弹塑性变形研究具有广泛的工程背景和重要的理论意义。作为研究裂纹规律的一门学科，即断裂力学，它是50年代开始蓬勃发展起来的固体力学新分支，是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，被广泛地应用于航海、航空、兵器、机械、化工和地质等诸多领域，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。断裂力学有微

3、观断裂力学与宏观断裂力学之分。一方面，需要深入到微观领域弄清微观的断裂机理，才能深入了解宏观断裂的现象。另一方面，宏观断裂力学仍然没有发展完善，尤其是在工程实际中的应用还远未成熟，即使平面弹塑性断裂力学也依然有许多亟待解决的问题。2、断裂力学研究的主要问题1、多少裂纹和缺陷是允许存在的？2、用什么判据来判断断裂发生的时机？3、研究对象的寿命图和估算？如何进行裂纹扩展率的测试及研究影响裂纹扩展率的因素。4、如何在既安全又能避免不必要的停产损失的情况下安排探伤检测周期。5、若检测出裂纹又应如何处理？3、生活中常见的断裂破坏及破坏的主要特征断裂在生活及工程中引发的问题和事故：1、海洋平台发生崩溃；2

4、、压力容器发生破裂；3、吊桥的钢索断；4、天然气管道破裂；5、房屋开裂倒塌；6、气轮机叶片断裂。断裂破坏的主要特征：1、尽管材料可能是由延性材料制成，但是灾难性破坏大多有脆性特征。2、大多数是低应力破坏，破坏时应力远小于屈服极限或设计的极限应力。3、大多数破坏始于缺陷、孔口、缺口根部等不连续部位。4、断裂破坏传播速度很高，难以防范和补救。5、高速撞击、高强度材料、低温情况下更容易发生。4、断裂力学的发展历史断裂力学的发展迄今为止大致经历了一下几个阶段，首先19201949年间主要以能量的方法求解，其中最有影响的是英国科学家Griffith提出的能量断裂理论以及据此建立的断裂判据。而后从1957

5、年开始时线弹性断裂理论阶段，提出了应力强度因子概念及相应的判断依据。到19611968年间是弹塑性理论阶段，其中以1961年的裂纹尖端位移判据和1968年Rice提出的J几分最为著名。而1978年又出现了损伤力学。二、断裂力学的基本概念1、Griffith断裂判据Griffith裂纹：图中的Griffith裂纹问题(即无限大平板带有穿透板厚的中心裂纹，且受到无穷远处的单向均匀拉伸的裂纹问题)，以及图矩形平板带有单边裂纹的问题。设两平板的厚度均为B，Griffith裂纹长度为2a，单边裂纹的长度为a。 Griffith断裂判据：若只考虑脆性断裂，而裂端区的塑性变形可以忽略不计。则在准静态的情形下

6、，裂纹扩展时，裂端区所释放出来的能量全部用来形成新的裂纹面积。换句话说，根据能量守恒定律，裂纹发生扩展的必要条件是裂端区要释放的能量等于形成裂纹面积所需的能量。设每个裂端裂纹扩展量为a，则由能量守恒定律有： Griffith假定s为一材料常数，剩下的问题就是如何计算带裂纹物体裂端的能量释放率G。若此G值大于或等于2s ，就会发生断裂；若小于2s ，则不发生断裂，此时G值仅代表裂纹是否会发生扩展的一种倾向能力，裂端并没有真的释放出能量。 能量释放率：能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时，平板每单位厚度所释放出来的能量。表面自由能：材料每形成单位裂纹面积所需的能量，其量纲与能量释放率

7、相同。2、能量平衡理论在Griffith弹性能释放理论的基础上，Irwin 和Orowan从热力学的观点重新考虑了断裂问题，提出了能量平衡理论。按照热力学的能量守恒定律，在单位时间内，外界对于系统所做功的改变量，应等于系统储存应变能的改变量，加上动能的改变量，再加上不可恢复消耗能的改变量。 假设W为外界对系统所做的功，U为系统储存的应变能，T为动能，D为不可恢复的消耗能，则IrwinOrowan能量平衡理论可用公式表达如下 假定裂纹处于准静态，例如裂纹是静止的或是以稳定速度扩展，则动能不变化，即dT/dt=0。若所有不可恢复的消耗能都是用来制造裂纹新面积，则 ： 其中，At为裂纹总面积， p为

8、表面能。3、应力强度因子裂纹的基本类型：一般将裂纹问题分为三种基本型，如图所示第一种称为张开型（opening mode）或拉伸型（tension mode），简称I型。其裂纹面的位移方向是在使裂纹张开的裂纹面法线方向(y方向)。它通常发生在载荷和几何形状对称于裂纹平面的情形，例如Griffith裂纹是I型裂纹，其裂纹的扩展方向是正前方（x方向）。若物体是均匀厚度的平板，裂纹贯穿板厚，则问题是二维的（平面问题）；若物体不是平板或者裂纹没有贯穿板厚，则是三维问题。许多工程上常见的断裂都是I型裂纹的断裂，这也是最危险的裂纹类型。第二种裂纹型称为同平面剪切型（inplane shear mode）或

9、者滑移型（sliding mode），简称II型。裂纹上下表面的位移方向刚好相反，一个向正x方向，另一个向负x方向。在板厚均匀和裂纹贯穿板厚的情况下，此裂纹问题也是二维的，属弹性力学平面问题。第三种裂纹型称为反平面剪切型（antiplane shear mode），简称III型。裂纹面上下表面的位移方向也是刚好相反，但一个向正z方向，另一个向负z方向。这里的z方向是板厚方向，属弹性力学空间问题。裂端的应力场和位移场：由弹性力学（椭圆孔口问题）的解析解，得I型裂纹裂端的应力场恒为 ：位移场：II型裂纹的应力场和位移场：II型和III型裂纹裂纹裂端区坐标描述III型裂纹的应力场和位移场三种基本裂纹

10、型裂端区某点的应力应变值、位移值和应变能密度值都由应力强度因子及其位置来决定。因此，只要知道应力强度因子，裂端区的应力、应变、位移和应变能密度就都能求得。由于有这一特点，应力强度因子可以作为表征裂端应力应变场强度的参量。近代断裂力学，就是Irwin在五十年代中期提出了应力强度因子的概念，认识到它的意义后才开始发展起来的。4、线弹性断裂力学的基本理论应力强度因子概念和能量释放观点的统一：假设不考虑塑性变形能、热能和动能等其它能量的损耗，则能量转换表现为所有能量在裂端释放以形成新的裂纹面积。下面以带有穿透板厚的I型裂纹的平板为例，来建立应力强度因子和能量释放率间的关系。能量释放与应力强度因子：按照

11、Griffith能量释放的观点，裂纹长度延长s时，此裂纹端所释放的能量将等于裂纹上下表面所做的功。因此，按照I型裂纹能量释放率GI的定义：当s0时，有KIa+s KI，经过积分得：5、弹塑性断裂力学的基本概念裂端塑性区：对非常脆性的材料，塑性区很小，与裂纹长度和零构件尺寸相比可忽略不计。此时，线弹性断裂力学的理论和应力强度因子的概念完全适用。当塑性区尺寸不合忽略时，则必须给一定的修正，才能应用线弹性断裂力学结果。若是塑性区已大到超过裂纹长度或构件的尺寸，则此时线弹性力学的理论已不再适用，亦即用应力强度因子来衡量裂端应力场的强度这个观念已不可靠，必须用弹塑性力学的计算和寻找表征裂端应力应变场强度

12、的新力学参量。Dugdale模型：Dugdale发现薄壁容器或管道有穿透壁厚的裂纹时，其裂端的塑性区是狭长块状，如图。由此他仿照Irwin有效裂纹长度的概念，认为裂纹的有效半长度是a+。这里是塑性区尺寸。由于在a到a+间的有效裂纹表面受到屈服应力引起的压缩，所以这一段没有开裂。因此他假设：塑性区尺寸的大小，刚好使有效裂纹端点消失了应力奇异性。6、J积分启裂判据严格地说，J积分的线路无关性是建立在裂纹尾迹不发生卸载的情形下。然而，延性断裂通常有启裂、稳定扩展和失稳扩展三个阶段，而裂纹扩展时裂纹尾迹免不了要发生局部卸载，因此， J积分判据用作启裂判据是完全正确的对I型裂纹，J积分的启裂判据为:这里

13、JIC是I型裂纹在启裂时平面应变断裂韧度 。三、断裂力学的实例应用大型地下洞室断层破碎带变形特征1、问题的提出锦屏一级水电站地下厂房洞室群所处的工程 区域地质构造复杂、断层交汇、岩体强度相对较低， 工程岩体内应力的时空分布不均匀，变异较大，开 挖卸荷引起断层及其影响带的地应力剧烈变化，并 导致出现若干地应力松弛和集中区域1。水电站地 下厂房及其附属洞群围岩以 III 类为主，同时地应力 偏高，围岩强度应力比为 1.53.0，并随开挖支护 发生波动和变化，表现出较强的时空效应。受原生 断层、局部煌斑岩脉、卸荷裂隙等的影响，主厂房 和主变室上游顶拱和边墙在 f14 断层带及其附近出 现大范围开裂破

14、坏，其直观表现为初期锚喷薄层混 凝土开裂、剥落，挂网钢筋鼓出，监测结果表明锚 杆和锚索应力超限，甚至拉断。基于上述工程安全 隐患，设计和施工进行了多次论证和优化，先后采 用了系统的喷锚支护、钢筋拱肋强柔性支护、钢筋 混凝土置换煌斑岩脉等多种复合支护技术和措施。 工程实践和理论研究均表明，在高应力复杂多变地 质体内开挖巨型洞室，采用具有强柔性特征的钢筋 拱肋快速支护技术，能有效抑制工程岩体内断层及 其影响带部位围岩的大变形，且支护刚度在其与围 岩共同变形的后期有进一步增加的趋势，保证了整体洞室群的安全与稳定。2、建立模型工程地质构造：厂区地质条件比较复杂，涉及岩性为互层大理 岩夹绿片岩，围岩类别

15、以 III1 类为主，饱和单轴抗 压强度 Rb = 6075 MPa。地下厂区主要发育有 NE 向的 f13，f14 断层，以及 NEEEW 向和 NW NWW 向的小断层(见图 1);主要节理裂隙有4组:图 1 高程 1 666 m 地质平面图 N40600E，NW25350; N50700E， SE50800; N50700W，NE(SW)80900; N25400W，NE(SW)80900。地下水的分布主要受裂隙的发育及分布情况控制，在裂隙不发 育的洞室部位，一般仅表现为弱微透水，在裂隙较发育，特别是第，组裂隙集中发育的洞段，地下水较活跃，多表现为渗、滴水，甚至涌水。实测厂区 = 203

16、5.7 Mpa，=1020 MPa， = 412 MPa，的方向比较一致，介于 N28.50WN710W，平均 N48.70W，倾角为 200500，平均倾角34.20;属于高地应力区。断层带变形特征：f14 断层穿过厂房主机间 4#5#机组、主变室 和 1#尾水调压室等洞室(见图 2)。其破碎带影响范围为 0.23.5 m，断层及其影响带围岩开挖过程使掌子面围岩的径向应力完全释放，切向应力增加，瞬间 的弹性变形并不大，但由于切向应力的增加，破碎带及其影响范围内的岩体受水平挤压力的作用，具有明显蠕变特征。在构造应力、开挖卸荷，初期支 护等因素的影响下，f14 断层及其影响带表现为初期的等速蠕变

17、，等速蠕变阶段是一个过渡阶段，持续时间较短。随分层开挖和逐步支护的实施，等速 蠕变向 2 个方向发展，一方面进入该阶段的岩体在支护不及时或支护措施不当的情况下进入加速蠕变期，出现蠕变破坏;另一方面，对岩体施加合理的 支护促使其向衰减蠕变转化并最终达到稳定，在等速蠕变期选取合理的初期支护方式，并在等速蠕变尚未转化为加速蠕变前，完成系统支护，确保洞的安全和围岩的稳定是研究的主要目的之一，显然，对高地应力域场内工程岩体的断层及其影图 2 f14 断层在主厂房工程区穿过响范围内的围岩采用传统的锚喷柔性支护己不能满足要。3、厂房洞周变形及力学特性分析洞周位移：地下厂房围岩类别以 III1 类为主，受地质

18、构造 影响，在断层出露部位的围岩类别为 IVIII2 类， 从图 1，3，4 可以看出，f14 断层穿越主厂房、主变室和调压室，并在 5#机组断面(0+126.8 m)主厂房洞室拱部左侧上方穿越。受此影响，主厂房在该部 位的岩性较差，岩石较为破碎，主厂房在该部位的洞壁位移相应较大。对未加钢筋肋拱的地下厂房进行计算，并取 0+126.8 断面(监测断面 4)计算分析。 表 2 为 2 种支护形式下第 V 期开挖完成后上游侧洞周位移(计算值)统计。图 6 为主厂房第 V 期开挖完毕洞周位移计算值，从图 6 可以看出，主厂房顶拱 上游侧 f14 断层通过部位变形量较大，最大位移值达到 140.3 m

19、m，洞周最大位移发生在顶拱上游侧中间及其两侧各 1.52.0 m 范围，该范围的洞壁位移 理论计算值均超过了 100 mm，趋近或达到了岩块 塌落的极限值。主厂房洞壁另一处位移和变形较大 的部位是上游吊车梁位置及其上、下各 45 m 范围， 这一范围内围岩的位移均大于 70 mm，己经进入塑 性破坏并有进一步鼓出塌落的危险。图 3 主厂房上游边墙初喷混凝土剥落破坏机制及力学特性：5#机组断面上位移最大值发生在洞周至 f14 断 层距离最近位置，主要受 f14 断层及其破碎带的影响。岩层及裂隙面与开挖面基本平行，同时，地下 厂房开挖后，开挖面附近大主应力方向平行洞周分布，在裂缝出露部位，大主应力

20、方向与岩层层面平行。高应力、岩性弱、开挖面附近应力集中导致岩 体劈裂，劈裂的岩板向伍空面弯曲鼓折变形，导致了洞内岩壁大变形，引起表层混凝土脱落、发生掉 块现象(见图 3)。开挖面卸载造成的岩体由三向受力 状态向双向、甚至单向受力状态转化，是非开挖条 件下岩体材料流变和洞壁持续变形的主要原因。4、强柔性支护及其力学机制锦屏一级水电站地下厂房洞室围岩本身具有巨大的变形能，单独采取高强度的支护形式不可能阻 止结构面及其影响范围的变形，正确的做法是在不破坏围岩本身承载强度的基础上，充分释放围岩变形能，实现强度相合，分层次支护。相对于传统新 奥法支护，强柔性支护的初期支护刚度较大，又能够适应围岩在一定范

21、围内的变形，因此对于 IV，V 类围岩来说，这种支护效果更好。在钢筋拱肋支护上喷射混凝土可以有效地增加支护刚度，提高承载力。施工过程中，大跨度、高边墙地下厂房的支护采用图4所示的钢筋拱肋支护。钢筋拱肋的本质是 钢筋混凝土，其区别在于混凝土是喷射到钢筋骨架上的。其具体施工工艺:将焊接绑扎好的钢筋骨架 敷设到围岩表面并固定，然后向钢筋骨架喷射混凝 土，形成钢筋肋拱，初喷后的钢筋肋拱变形大，承载力小，在初喷混凝土达到一定强度后，再次或多次喷射混凝土至钢筋骨架被覆盖。这一过程实施的结果是:钢筋拱肋刚度逐步增大，承载力同步增加， 假定用 K1 代表裸钢筋骨架的支护刚度,K2 代表半 喷射混凝土钢筋拱肋的

22、支护刚度，K3 代表全喷射混 凝土钢筋拱肋的支护刚度，则可得到图 5 所示的支 护特征曲线。这一支护特征曲线上的点 E是钢筋拱肋与围岩共同变形的最佳点。钢筋拱肋这种先柔后刚，既允许围岩发生一定程度的变形，发挥自承能力，又可在达到平衡点前及时提供支护阻力，并在平衡点后刚度不断增加的特性是其他支护方式无 法实现的，较为适宜高应力区围岩及其破碎带的开挖支护。图 4图 55、位移监测及围岩流变控制在地下厂房施工过程中，围岩变形过程与施工开挖关系密切，同时表现出一定的时效变形特征。时效变形的发展随着时间的推移变化表现出2种不同的趋势，一种是随着支护措施的加强及时间推移，时效变形逐步消失;另一种则是时效变

23、形逐步增大，直至围岩破坏或垮塌。取监测断面 4(0+126.8) 为研究对象，研究其上游侧吊车梁部位多点位移计 MZCF4­3监测数据及其变化，多点位移计孔口洞壁位移量随时间和开挖步骤变化曲线见图4，从中可以看出，在主厂房第 IV 层开挖期间，洞壁部位位移量较大，开挖施工间歇时效变形也相对较大。随着开挖向下进行，开挖变形及开挖间歇期时效变形均 逐渐减小，在主厂房第 VIII，IX 层开挖时，变形己不明显，变形量趋于稳定。据图4中位移变化曲线的走向及趋势判断，位移最大值将在达到 4550 mm 后不再增大，围岩趋于稳定。图 4 监测点孔口位移与时间关系曲线 4ZCF4 ­ 3 监测点孔口位移与时间关系曲线岩石材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象，包括蠕变、松弛和弹性后效。就锦屏一级水电站地下厂房围岩流变特征来讲，分为两大类:(1) 节理裂隙岩体包括含有小断层的局部岩体在系统支护完毕后的一定时间段，围岩的变形量随 时间增大