CN116893104A - 一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法，根据断裂损伤力学理论，构建外部高渗透压力作用下，致使脆性固体材料发生劈裂破坏的理论方程式，根据该理论方程可以呈现外部高渗透压力，反映了脆性固体材料的强度与变形特征，通过测取不同渗透压作用修改的脆性固体材料的应力与应变曲线，对比分析本发明提出的理论方程计算结果与试验测取的结果，确定理论方程中的参数，评价高渗透压对脆性固体材料的劈裂破坏影响规律，为工程设计和施工等提供理论支撑。

Description

一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法
技术领域
本发明涉及固体力学工程技术领域，尤其涉及一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法。
背景技术
脆性固体材料是不同的工程领域，例如土木工程、航天工程、交通工程等，应用广泛的一种材料，具体脆性固体材料包含玻璃、陶瓷、混凝土、岩石等，这些脆性固体材料可以承受较大的压缩荷载，因此工程中经常利用这些材料的抗压性能设计各种满足工程需求的结构。但是这些材料的拉伸力学性能较差，在这些脆性固体材料工程结构中，难免会受到来自外部拉伸荷载的影响因素，进而导致脆性固体材料工程结构产生断裂破坏的风险。
因此，能够很好的评价脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能具有重要意义。此外，这些脆性固体内部往往存在着大量的微裂隙，这些微裂隙对于脆性固体直接拉伸断裂力学性能起着至关重要作用。目前能够通过理论方程，来解释脆性固体材料内部微裂纹扩展导致直接拉伸断裂力学性能的方法很少，因此，提出一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学的评价方法，将对于脆性固体材料工程结构安全设计具有重要实践价值，需要一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术问题而提出的一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明包括以下步骤:
A、选取脆性固体材料通过测取不同渗透压力作用下，脆性固体材料的压缩应力与压缩应变关系曲线；
B、通过三维电镜扫描技术扫描所述脆性固体材料，确定其内部缺陷体积，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数D o，初始损伤取值大于0且小于1；
C、利用三点弯曲断裂力学实验，确定脆性固体材料的断裂韧度K IC，通过直接剪切试验仪器确定该材料的滑动摩擦系数μ；
D、基于断裂损伤力学理论，建立高渗透压和外部压缩应力与脆性固体材料变形之间的理论关系方程，方程式如下：
(1)
式中：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
E、确定参数a，参数m，参数φ，参数β后计算得到不同高渗透压作用下的压缩应力-压缩应变曲线用于评价脆性固体材料高渗透压破裂破坏力学特性。
进一步地， 所述参数a，参数m，参数φ，参数β具体值根据步骤D中的理论计算得到的压应力与压应变关系理论曲线，与步骤A中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析计算确定，所述参数m选取值1、2、3，参数β取值大于0且小于1, 参数a是脆性固体材料内部初始缺陷平均尺寸，取值一般小于4mm， 参数φ时初始缺陷角度，其取值大于0且小于90。
进一步地， 参数ε0可以通过步骤A中的压应力与压应变关系曲线中压应变的最大值确定。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明利用脆性固体材料承受单轴动力冲击压缩荷载作用下的试验，确定材料的压应力与压应变之间的关系曲线，并通过固体断裂力学基础理论，给出能够评价脆性固体材料直接拉伸作用下的压应力与压应变的关系曲线的理论方程,通过该曲线可以用来评价承受不同外部动力冲击荷载影响下，不同脆性固体材料的变形与强度力学特性。通过采用霍普金森压杆动力冲击试验仪器，将动力冲击压缩荷载作用于脆性固体材料试样上，测取该固体材料的单轴压应力与压应变关系曲线,测取该固体材料的单轴压应力与压应变关系曲线,该方程可以进一步去评价预测不同固体材料，在不同受力状态下的断裂力学性能，进而能够为脆性固体材料工程设计、施工等提供一定的理论支撑。
附图说明
图1为 实施例花岗岩脆性固体材料不同高渗透压力下的压应力与压应变关系理论计算曲线结果示意图；
图2为实施例花岗岩脆性固体材料不同高渗透压力下的压应力与压应变关系试验曲线结果示意图；
图3为实施例花岗岩脆性固体材料不同高渗透压力下的压应力与压应变关系理论与试验对比曲线结果示意图；
具体实施方式
参照图1-3，下面选取花岗岩脆性固体材料为例子，来验证该发明中理论方程的可靠性。
为了实现以上目的，本发明包括以下步骤：
1.预制一种长宽高为5cmm*5cm*10cm 脆性固体材料试样，利用可以考虑高渗透压力的压缩试验仪器，测取不同渗透压力作用下，脆性固体材料的压缩应力与压缩应变关系曲线。
2.利用三维电镜扫描脆性固体材料试样内部的微缺陷特征，确定脆性固体材料内部缺陷体积，该体积与材料试样体积比值，为该体材料微缺陷密度D 0，其值小于1。
3.预制含有裂纹的脆性固体试样，利用三点弯曲试验仪器，测取该脆性固体材料的断裂韧度K IC。
4.利用两个相同且表面光滑的脆性固体材料，通过直接剪切试验仪器，确定该材料的滑动摩擦系数μ。
5.依据断裂损伤力学理论，建立了高渗透压、外部压缩应力与脆性固体材料变形之间的理论关系方程：
(1)
式中：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
上面计算公式中，参数D 0可以通过步骤2确定；参数K IC可以通过步骤3确定；参数μ可以通过步骤4确定。轴向压缩应力σ 1与横向压缩应力σ 3与渗透压P p取负数。
6.方程（1）中参数a是脆性固体材料内部初始缺陷平均尺寸，取值一般小于4mm，具体值根据步骤7中的理论计算得到的压应力与压应变关系曲线，与步骤1中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析确定。
7.方程（1）参数φ时初始缺陷角度，其取值大于0且小于90，具体值根据步骤5中的理论计算得到的压应力与压应变关系曲线，与步骤1中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析确定。
8.方程（1）中参数ε0可以通过步骤1中的压应力与压应变关系曲线中压应变的最大值确定。
9.方程（1）中参数m一般选取值1、2、3，具体值根据步骤5中的理论计算得到的压应力与压应变关系曲线，与步骤1中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析确定。
10.方程（1）参数β一般取值大于0且小于1，中具体值根据步骤5中的理论计算得到的压应力与压应变关系曲线，与步骤1中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析确定。
11.确定了某脆性固体材料的上述所有参数，根据步骤5确定脆性固体材料的压缩应力、压缩应变与高渗透压关系方程，可以预测分析不同高渗透压作用下的压缩应力-压缩应变曲线，进而可以评价脆性固体材料高渗透压破裂破坏力学特性。
下面选取花岗岩固体材料为算例，来进一步说明本发明的合理性。
表1中给出了针对花岗岩材料，本发明理论方程中的参数具体值。图1给出了本发明理论计算得到的不同高渗透压作用下花岗岩的压缩应力与压缩应变关系曲线。图2给出了高渗透压力与外部压缩荷载试验仪器测取的花岗岩的压缩应力与压缩应变关系曲线。图3给出了理论与试验对比曲线，验证了本发明的合理性。
表1 花岗岩参数
参数 m ε o a/mm φ/ o K IC/ MPa.m1/2 β μ D o
取值 1 1/12 3.8 30.87˚ 0.79 0.366 0.61 0.013
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤
A、选取脆性固体材料通过测取不同渗透压力作用下，脆性固体材料的压缩应力与压缩应变关系曲线；
B、通过三维电镜扫描技术扫描所述脆性固体材料，确定其内部缺陷体积，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数D o，初始损伤取值大于0且小于1；
C、利用三点弯曲断裂力学实验，确定脆性固体材料的断裂韧度K IC，通过直接剪切试验仪器确定该材料的滑动摩擦系数μ；
D、基于断裂损伤力学理论，建立高渗透压和外部压缩应力与脆性固体材料变形之间的理论关系方程，方程式如下：
(1)
式中：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
E、确定参数a，参数m，参数φ，参数β后计算得到不同高渗透压作用下的压缩应力-压缩应变曲线用于评价脆性固体材料高渗透压破裂破坏力学特性。
2.根据权利要求1所述的一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法，其特征在于， 所述参数a，参数m，参数φ,参数β具体值根据步骤D中的理论计算得到的压应力与压应变关系理论曲线，与步骤A中试验得到的压应力与压应变关系曲线对比分析计算确定，所述参数m选取值1、2、3，参数β取值大于0且小于1, 参数a是脆性固体材料内部初始缺陷平均尺寸，取值一般小于4mm， 参数φ时初始缺陷角度，其取值大于0且小于90。
3.根据权利要求1所述的一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法，其特征在于， 参数ε 0可以通过步骤A中的压应力与压应变关系曲线中压应变的最大值确定。
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