Study on the discrete failure induced by dynamic loads

Architectural Engineering August 2014, Volume 2, Issue 3, PP.63-67

Study on the Discrete Failure Induced by Dynamic Loads Zhen Wang, Zheming Zhu#, Jiming Kang School of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.China #

Email: zhuzm1965@163.com

Abstract In recent years, the phenomenon zonal disintegration of brittle materials has received considerable attention in the field of rock mechanics. The traditional method of the static mechanics cannot provide reasonable explanation. In this paper, we give an explanation for the phenomenon of zonal disintegration, and impacting experiments by using concrete bar specimens were implemented. The impact was implemented by a steel bar, and their interaction between the concrete bar and the steel bar lasts for a long time. The research results of this paper on the theoretical analysis and experimental technique will help people to understand the mechanism of the phenomenon zonal disintegration.

Keywords: Concrete Material, Zonal Disintegration, Dynamic Load

冲击载荷作用下混凝土材料不连续破坏现象研究

*

王振，朱哲明，康骥鸣 四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065 摘

要：近年来，冲击载荷作用下的脆性材料不连续断裂现象引起了国内外学者的注意。传统的静力学方法似乎并不能

给出合理的解释。本文通过在较长时间冲击载荷作用下，对混凝土材料不连续断裂的实验探究，给出了其不连续断裂现 象的合理解释。理论分析和试验方法对混凝土材料的不连续断裂破坏及其相关特性具有重要的指导意义。 关键词：混凝土材料；不连续破坏；冲击载荷

1 引言

图一 地壳岩层中的等间距裂纹现象[1]

众所周知，当压力脉冲在杆或板的自由面反射成拉伸脉冲时，将可能再附近的表面产生高拉应力区，一 旦满足某种动态断裂准则，将会引起该处材料的脆性断裂。之后，又会形成新的自由面，压力脉冲将会再次 *

基金项目: 国家 973 项目, 2010CB732005; 四川省科技计划项目(2014JY0002); 油气藏地质及开发工程国家重点实验室资助 项目(PLN1202).

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发生反射，从而逐步的造成材料的不连续断裂。在地壳岩层和岩土工程中，往往会出现的等间距裂纹现象， 如图一。除此之外，在建筑材料中，混凝土材料的不连续断裂似乎更为常见。因此，这一现象引起了国内外 众多学者的研究。 早在上世纪末，R.M.Rauenzahn[2]等对岩石在开挖过程中产生层裂破坏的力学进行了理论研究；张磊，胡 时胜[3]等对混凝土的层裂特性进行了研究，指出混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关。给出了层 裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式。俞宇颖等[4]利用Hopkinson压杆装置研究了铝板的层裂特 性，S.Harald等[5]利用Hopkinson压杆装置，通过层裂破坏试验研究混凝土的动态抗拉强度和动态拉伸破坏能 量的关系。随着计算机仿真技术的发展，左宇军等[6-7]利用数值分析得出，应力波传播至自由面产生反射，诱 发层裂破坏时，除与应力波的峰值、延续时间和波形等有关外，还与应力波传播的方向有关，垂直入射至自 由面更容易诱发层裂破坏；并且平行入射至自由面时不会诱发层裂破坏；并且应力波反射诱发层裂过程的发 生是各个时刻不同加载条件下微破裂累积的宏观体现；黄涛等[8]利用数值模拟计算对岩石层裂现象进行模拟， 再现了拉伸波作用下Hopkinson 层裂过程，计算得到的层裂片厚度和速度等与理论值符合较好。不论是数值 解还是实验解，对层裂现象研究成果层出不穷，但是在脆性材料不连续断裂现象的研究文献少之又少。并且 未曾对其给出合理的解释。 本文采用自制的圆柱形混凝土试件，在冲击棒的撞击作用下，观察试件的断裂情况，统计各段断裂长度， 从而验证混凝土试件的不连续断裂现象的存在。进而对该种现象进行解释论证。其实验手段和理论证明方法 对研究混凝土材料的不连续破坏特性、动态抗拉强度都具有一定的意义。

2 实验方案 本实验的试件材料为普通硅酸盐混凝土，试件的原材料质量配比为：水泥：砂：水=1:3.03:0.44。为了避 免单次试验的偶然性，整个实验准备了3根水泥柱试件。实验装置如图二。

图二 实验装置简图

混凝土材料断裂现象的产生除与材料本身的特性有关外，还与进入试件的应力波的幅值的大小是至关重 要的[9]。考虑到作用力为冲击荷载，因此，采用刚度较大的铁棒进行冲击。在三次实验中铁棒的升高高度以 及水泥柱的规格如下表一。 表一 水泥柱规格及铁棒升高高度 水泥柱标号 

长度

直径

167cm



195cm



171cm

11cm

质量

冲击时铁棒升高高度

33.5kg

118cm

39.5kg

130cm

34.5kg

130cm

在冲击过程中水泥柱两端均为自由端，从左端对进行冲击。冲击后，发现3根水泥柱均发生了不连续的 断裂，如图三。 - 64 http://www.ivypub.org/AE

图三 实验中水泥柱断裂情况

对各段长度进行统计统计，结果如下表二。 表二 水泥柱各段断裂长度（从冲击端为第一段） 水泥柱标号

第一段

第二段

第三段

第四段

第五段

第六段

第七段



17.5cm

18cm

35cm

19cm

28cm

23cm

28cm



49.5cm

49cm

22cm

24cm

12cm

38.5cm



23.5

51cm

20.0cm

20.0cm

33.0cm

23.0cm

3 分析讨论 众所周知，混凝土材料抗压不抗拉，其单轴拉伸强度和压缩强度之比约为0.07-0.11[10]，因此，在分析过 程中，我们可以忽略应力波在压缩过程中对水泥柱造成的破坏，只考虑水泥柱的拉伸破坏。在此实验中，由 于铁棒的刚度远远大于混凝土材料，因此，我们可以不考虑铁棒的变形，视为刚体。在冲击过程中，水泥柱 会发生形变。根据碰撞理论可知，由于水泥柱没有约束，铁棒会与水泥柱作用相当长的一段时间，在水泥柱 中产生缓慢卸载的P-波，如图四。T0时刻为应力脉冲开始进入水泥柱中。图中的曲线为水泥柱试件中产生的 真实应力压缩波，显然是缓慢卸载的的P-波。为了分析简便，我们用AB直线来代替真实的应力曲线，并不影 响分析结论。为了更加简便的解释不连续断裂现象，作者做出如下两个基本假设，其一：是铁棒冲击过程中 产生的入射加载波符合一维应力波假设，并且应力波在自由面附近是稳定传播的，没有能量损失；其二是最 大拉应力瞬间断裂准则。当拉应力达到或超过材料的的抗拉强度  c 时，即    c ，混凝土材料瞬间断裂。

图四 缓慢卸载的 P-波

图五 缓慢卸载的 P-波刚好遇到自由面

图六 第一断裂区产生 - 65 http://www.ivypub.org/AE

图七 第二断裂区的产生

当 P-波遇到自由面时，会反向传播，形成同等强度的拉伸波。为了更加形象的刻画波前强度，用 S 来表 示，如图五。我们将简化的 P-波平均分成六份，每段长度为 d / 6 。假定混凝土的抗拉强度为  c  S / 8 。遇 到自由面后，反向拉伸，在图六中的 A 处，由于压缩波与拉伸波的相互叠加，则  A  S  5S / 6  S / 6  S / 8 ， 因此，第一个断裂段形成。从而产生新的自由面，并且拉伸应力波强度会降低，假定在断裂过程中应力波强 度损失 0.2S，故在下一个时刻，P-波传到 B 处时，该处的叠加强度为  B  S  (1  0.2)  4S / 6  2S / 15  S / 8 ， 故第二个断裂带将会在 B 处产生，如图七所示。之后缓慢卸载的的 P-波继续在水泥柱中传播，当叠加应力满 足    c 时，就会有新的断层产生。 经过上述分析，缓慢卸载的 P-波是引起水泥柱不连续断裂的主要原因。其次，断裂情况也与压力脉冲的 波形相关。朱哲明等[11]通过数值模拟的方法对多孔岩石材料施加动荷载，得出只有缓慢卸载的的 P-波才可以 引起岩石材料的不连续断裂。这与我们的实验与理论分析是一致的。除此以外，真实的混凝土材料中往往存 在着空洞，夹杂等，并非理想的均匀各向同性材料。因此，在某一截面处的缺陷可能会导致断层迁移现象。 这也会使得混凝土试件的断裂长度没有显著的规律。

4 结论 经过上述实验以及理论的分析，我们可以得到如下一些结论： （1）采用铁棒撞击水泥柱，与其作用较长时间，可以产生缓慢卸载的 P-波，该波是导致混凝土材料不 连续断裂的根本原因。 （2）混凝土材料各段断裂长度与 P-波波形以及 P-波强度密切相关。

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International Journal of Rock Mechanism &Mining Sciences. 67(2014), 88-95 - 66 http://www.ivypub.org/AE

【作者简介】 1

王振（1992-） ，男，汉，本科，专业为

力学，四川大学在读。

2#

朱哲明，男，四川大学建筑与环境学院教授、博士生导师，

西南资源环境与灾害防治985工程科技创新平台学术带头人。

Email: 18200288335@163.com

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