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经历冻融循环处理的花岗岩在混合模式加载下的动态断裂特性与判据
Dynamic fracture properties and criterion of cyclic freeze-thaw treated granite subjected to mixed-mode loading
1. 主要摘要
本文研究了冻融循环处理后花岗岩在混合模式I/II加载下的动态断裂特性。通过对刻痕半圆弯曲（NSCB）试样使用分离霍普金森压力棒（SHPB）系统进行实验，探讨了冻融循环和混合模式加载对花岗岩断裂韧性、断裂过程及断裂表面形貌的影响。实验结果表明，动态断裂韧性随加载速率增加而提高，且随着冻融循环次数增加，断裂韧性下降，尤其在30次冻融循环后下降明显。此外，与最大切向应力判据（MTS）相比，基于广义最大切向应力的半解析判据（SA-GMTS）更能准确预测断裂韧性。
2. 引言
在高海拔或寒冷地区，如青藏高原，岩石常经历冻融循环，导致其物理和力学性能显著退化，可能引发严重的地质灾害，如滑坡和崩塌。岩石中的预裂纹在动态加载下尤其易发生混合模式断裂，理解此类断裂行为对于工程结构的长期稳定性至关重要。现有研究大多集中于纯模式I或II的动态断裂，而对混合模式I/II下的研究较为有限，因此本文重点探讨经冻融循环处理的花岗岩在动态混合模式加载下的断裂特性。
3. 主要内容
1.实验准备与方法
本文使用SHPB系统对NSCB花岗岩试样进行动态断裂实验，试样经过不同次数的冻融循环处理，采用三点弯曲加载模式。通过高精度的数字图像相关技术（DIC）和3D扫描技术，分析了花岗岩在不同加载模式下的断裂过程及断裂表面粗糙度。实验设置了不同的切口角度以模拟纯模式I、纯模式II及混合模式I/II的加载条件。
2.实验结果
（1）动态力平衡：验证了试样在SHPB实验中动态力的平衡性，确保实验数据的准确性。
（2）动态断裂韧性：结果显示，花岗岩的动态断裂韧性随加载速率的增加而提高，但随着冻融循环次数的增加，韧性显著下降，尤其是在30次冻融循环后下降幅度最大。
（3）断裂过程与表面粗糙度：加载模式与断裂路径密切相关，纯模式I的裂缝呈直线扩展，而混合模式加载下的裂缝路径呈曲线。随着冻融循环次数的增加，裂缝传播速度加快，断裂表面的粗糙度也随之增加。
3.理论分析
对比了MTS判据和SA-GMTS判据在预测断裂韧性方面的表现，结果表明SA-GMTS判据更能准确反映冻融循环处理后的花岗岩在动态混合模式加载下的断裂特性，预测误差在7%以内。
4. 主要结论
本文系统研究了冻融循环处理后花岗岩在混合模式加载下的动态断裂特性，发现冻融循环会显著降低花岗岩的断裂韧性，且SA-GMTS判据在预测其断裂韧性方面表现出较高的准确性。本研究为寒冷地区工程结构的安全性评估提供了理论依据。
5. 主要结果图
6. 参考文献
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一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
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一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
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一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
