非贯通裂隙岩体经验强度准则的研究

根据单轴、双轴和三轴压缩条件下非贯通裂隙岩体模型的强度试验结果及其规律，通过岩体强度特征的理论分析，本文提出一个考虑中间主应力影响、适用于不同应力条件的非贯通裂隙岩体经验强度准则，并对准则中参数确定与选取进行了讨论。最后，以室内模型试验和现场试验数据，对提出的准则作了应用和验证。     

变化裂隙岩体的压缩破坏RFPA数值模拟

岩体的结构面特征对岩体的变形与破坏产生重要影响,探讨含裂隙岩体破坏过程中裂纹扩展、强度及能量特征具有重要意义。运用数值模拟软件RFPA,选用灰岩物理力学参数,采用单向压缩应力状态,分析了裂隙岩体的初始裂隙不同水平位置、倾角及长度对裂隙岩体破坏的影响,共14个工况。模拟结果表明:裂隙的水平位置对裂纹的上、下扩展角的影响不大,随着裂纹水平位置a的增大,上裂隙扩展线出现的时间越来越早,裂隙水平位置对其峰值强度影响较小;随裂隙倾角的增长,上、下扩展角迅速降低,试件峰值强度随之增加;随裂隙长度的增加,上、下扩展角迅速增长,峰值强度呈减小的趋势;裂隙的水平位置、倾角及长度对裂隙岩体残余强度影响很小。通过对14个工况的能量和声发射活动发现:当预制裂隙远离轴线时岩体破坏呈"双峰"型破坏;当预制裂隙为陡倾裂隙时岩体破坏呈"瘦高"型破坏;当预制裂隙为缓-中倾角裂隙时岩体破坏呈"矮胖"型破坏。研究结果对灰岩地区危岩的防治治理具有重要意义。     

复杂裂隙岩体力学损伤特性与破坏机理分析

针对不同节理状态的岩体受力复杂、力学损伤特性评估困难等问题,采用室内准确预设节理制备试件,模拟不同条件的力学损伤试验,并进行了应力-应变特性、弹性模量和破坏机理分析。结果表明:节理最不利倾角为45°,节理数量越多、贯通度越长、夹层厚度越大,岩体强度越低; 0°和90°倾角节理岩体主要是剪切破坏,其余为复合张-剪破坏,破坏过程存在应力积累和集中释放现象。     

红粘土裂隙发育及与低应力抗剪强度的关系研究

通过Matlab软件的图像处理功能对干湿循环作用后的红粘土表面裂隙参数进行定量分析,并进行低应力条件下的快剪强度试验,探讨了红粘土表面裂隙参数与抗剪强度的关系。结果表明;第1~2次干湿循环作用对表面裂隙最终形态的确定起主要作用。随干湿循环次数的增加,裂隙发育沿着原有裂隙扩展,以变宽、变长为主,新的裂隙较少,最终趋于一种稳定状态。裂隙的产生对土体抗剪强度有重要的影响,可通过裂隙率、分形维数与抗剪强度参数的良好的线性关系,来预测裂隙结构强度参数。     

非共面双裂隙层状岩石破坏特征及工程应用

为了研究层状岩石在预存裂隙作用下的破坏机理，基于颗粒离散元理论，构建能反映岩石各向异性特征的数值模型. 基于该模型，系统研究了含非共面双裂隙层状岩石在单轴压缩条件下裂纹的产生与演化规律，并揭示了双裂隙层状围岩中隧道开挖后岩体的破坏模式. 研究结果表明:存在预制裂隙的岩石，其抗压强度值小于相同条件下的完整岩石，但岩石强度与层理面倾斜角度的关系曲线仍呈U形分布；竖向加载时，试样的破坏形态同层理面倾斜角度（β）与预制裂隙倾斜角度（α）间相对大小有关. 当β < α时，岩石的破坏受预制裂隙控制；当β > α时，岩石的破坏可分为预制裂隙与层理面共同控制与层理面控制两类；隧道围岩的细观破坏模式也与β、α的相对大小有关，但破坏区域均集中在洞周两侧垂直于层理面的一定范围内.      

冻融混凝土本构关系与孔结构特征研究

为分析冻融循环作用下混凝土材料的静态力学性能,并探讨立方体试块轴向压缩破坏过程和形态,依据慢冻法试验标准开展了混凝土冻融循环试验,测定未冻融、冻融25次、冻融50次及冻融75次混凝土的单轴压缩应力应变曲线和劈裂拉伸强度;结合孔隙结构的电镜扫描图像分析其劣化成因;同时利用ABAQUS有限元软件及混凝土损伤塑性模型对混凝土立方体试块的轴向压缩破坏过程及破坏形态进行数值模拟.试验结果表明:混凝土抗压强度、弹性模量和抗拉强度随冻融循环次数的增加而降低,变形增大;冻胀作用导致混凝土内部结构疏松造成其宏观力学性能劣化;数值模拟表明,立方体试件在压缩过程中竖直方向缩短、水平方向膨胀,裂缝在产生最大拉伸应变的区域扩展并最终形成四角锥破坏形态.     

干湿循环作用下充填节理岩石压缩特性

为探明干湿循环作用对充填节理岩石压缩力学强度与变形破坏特征的影响，人工制备多种不同充填物的节理岩石试样，对其进行0(全程干燥)、1、5、10、15、20次干湿循环预处理，使试样产生一定的累积损伤；在此基础上，对充填节理岩石试样进行静态单轴压缩试验和动态冲击试验，并在动态冲击试验过程中借助高速摄像机观察充填节理岩石的冲击破坏特征。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加，充填节理岩石的静态和动态抗压强度不断降低，且降低幅度逐渐变小，20次干湿循环作用后岩样的静态和动态抗压强度总劣化度均为20%～30%;通过拟合发现岩样的动态抗压强度降低规律符合指数函数分布；随着干湿循环次数的增加，静态破坏模式由劈裂破坏逐步发展为剪切破坏，动态冲击中充填节理岩石破碎程度和充填节理层粉碎飞溅程度加剧，验证了干湿循环作用会严重影响充填节理岩石的变形破坏特征和动态抗冲击能力；应力波透射系数随干湿循环次数的增加而不断降低，20次干湿循环作用后岩样的应力波透射系数降低了约10%,说明干湿循环作用对应力波传播能力造成了显著影响。     

高速公路高边坡稳定性数值模拟研究

该边坡地处山岭重丘区，穿越的地形、地貌及地质环境条件复杂。由于路堑开挖形成了50多米的路堑岩质高边坡。本区岩性以碎裂状混合岩和闪长玢岩为主，垂直节理发育，岩石硬度较大。该路段主要沿旧路进行开挖，地表岩层基本全部裸露，开挖前旧路边坡表面有松动的岩块滑落，坡面岩体节理裂隙中等发育，多为垂向节理。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道横向弯曲疲劳试验

为了研究列车疲劳荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横向受力性能,采用实际工程施工现场的材料及施工工艺,利用足尺模型,切割制作6个单承轨台或双承轨台的板式无砟轨道试件,进行橡胶板模拟路基上板式无砟轨道结构的横向弯曲疲劳试验,得出列车疲劳荷载引起的横向弯矩作用下板式轨道试件的应力、变形分布规律及疲劳损伤的发展形态.试验结果表明,在15.0~255.0 kN和42.5~425.0 kN疲劳荷载作用下,模拟路基上单承轨台和双承轨台的试件板中位置轨道板上表面先出现纵向裂缝,随后轨道板横向预应力筋锚固端出现由锚头向轨道板上表面的劈裂裂缝,累计疲劳500万次后,三点弯曲模式下轨道板-充填层复合板试件的自密实混凝土开裂荷载和层间滑移荷载分别减小20%~30%和25%以上,疲劳损伤、层间离缝对轨道板与充填层的协同工作性能有不利影响.      

预裂型水泥稳定碎石强度与温缩特性机理仿真

针对水泥稳定碎石材料易产生裂缝,从而降低路面使用寿命这一问题,基于粗集料预处治技术提出了一种预裂型水泥稳定碎石材料改良思路;通过对水泥稳定碎石中一定比例的粗集料进行预处治,使其表面裹附一层新的物质,从而形成新的界面,分散了收缩过程中降低开裂对材料整体均一性的影响,继而仿真分析了这种新型材料的强度特征和温度收缩裂缝发展的内部机理;基于离散单元法建立了预裂型水泥稳定碎石仿真模型,并分别开展了虚拟无侧限压缩试验和有限制梁温度收缩开裂试验。研究结果表明:在假设预处治粗集料仅影响粗集料界面强度的前提下,试件的无侧限抗压强度与界面强度比和预处治粗集料替换比这2个关键参数之间呈现出良好的线性相关性,可通过回归公式进行计算与预测;当界面强度比大于40%时,预处治粗集料替换比的增加仅会降低材料的强度而不能避免局部贯穿裂缝的产生;当界面强度比小于40%时,随着预处治粗集料占比的增加,试件在收缩过程中产生的裂缝由局部贯穿宽裂缝转变为均匀分布的微裂缝,从而保证了材料在收缩开裂后的整体均一性;当界面强度衰减至未处治材料的30%以下,且预处治粗集料替换比大于30%时,可有效减少试件内部贯穿裂缝的产生,从而缓解了水泥稳定碎石的温缩开裂。      

颗粒离散元分层建模法及颗粒尺寸效应

离散元分析方法是研究岩石力学行为、完善岩石力学基础理论的重要工具之一,为提高颗粒离散元法模拟室内岩石力学及大规模工程尺度试验的精确度,提出分层建模法,该方法对岩石或岩体关注区域采用小尺寸颗粒进行精细化模拟,外侧非重点关注区域采用大尺寸颗粒建模以扩大计算区域. 采用分层建模法进行单轴压缩、巴西劈裂试验并与常规建模计算结果进行对比,初步验证了分层建模法模拟室内力学试验的可行性. 研究结果表明:分层建模法与常规建模一样受颗粒尺寸效应影响,但可以减少颗粒流模型中的颗粒数量,计算效率提高50%以上;分层模型的单轴抗压强度和起裂应力分别与外层对应的常规模型相比,最多仅减小2.7%和1.9%,匹配单轴抗压强度时可先以外层材料常规模型作参照,单轴抗压强度和起裂应力的变异系数（coefficient of variation,COV）普遍大于常规模型,但依然在2%的可接受范围内;分层模型中粒径分布的不均匀性对模型弹性阶段的变形性质影响较小,分层模型的弹性模量与外层对应的常规模型相比减小1.3% ~ 2.3%;分层模型的巴西劈裂抗拉强度与外层对应的常规模型增大了1.32% ~ 2.35%,宏观破裂特征与小粒径常规模型相似,但在加载板附近有更多的裂纹.      

不规则结构面剪切特性试验研究

为对岩体工程中不规则结构面力学特性进行基础性研究,选取N.R.Barton提出的10条标准剖面线中的第1、4、6、8、10条模拟结构面的表面形态对水泥砂浆试件进行不同法向应力水平下的常规剪切试验,并在对试验数据对结构面的剪切特性和剪切扩容现象进行深入分析的基础上,提出了适合水泥砂浆材料的抗剪强度经验公式和反正切函数的结构面剪切特性方程.研究结果表明:粗糙系数越大或法向应力越大,结构面越易表现为切齿破坏;粗糙系数越大或法向应力越小,结构面越易表现出扩容现象.      

钢-ECC/UHPC组合梁负弯矩区力学性能研究

为改善钢-混组合梁负弯矩区混凝土易开裂缺点,引入工程水泥基复合材料(ECC)和超高性能混凝土(UHPC)代替普通混凝土(NC)形成钢-ECC/UHPC组合梁,展开了1片钢-NC组合梁、1片钢-ECC组合梁和2片钢-UHPC组合梁的负弯矩区静力试验;结合有限元分析方法对比了不同类型混凝土的应变、裂缝扩展与分布特点,分析了混凝土类型和配筋对钢-混组合梁破坏形态、承载能力与变形能力影响规律。研究结果表明：钢-混组合梁在负弯矩作用下整体协同工作性能良好,破坏形态均为弯曲破坏;ECC和UHPC裂缝呈现纤细的特点,ECC尤为明显;与钢-NC组合梁相比,钢-ECC组合梁和钢-UHPC组合梁的开裂荷载分别提高了2.00和2.75倍,抗弯刚度分别提高了17.23%和35.73%,抗弯承载力分别提高了9.00%和6.81%,表明UHPC抗裂能力更强,可以有效改善钢-混组合梁负弯矩区桥面板抗裂性能,ECC与UHPC代替NC可以提高钢-混组合梁的抗弯刚度和承载力;配筋与无筋钢-UHPC组合梁的开裂荷载和前期刚度无显著差异,无筋钢-UHPC组合梁破坏时形成贯通裂缝,其承载力相比配筋钢-UHPC组合梁下降了13....     

单组分地聚物砂浆的力学性能和微观结构分析

为了研究不同NaOH浓度、胶砂比及溶胶比在多种固化温度下粉煤灰地聚物砂浆的强度发展规律及其微观机理，进行了力学性能试验，并用扫描电镜（SEM）和压汞试验（MIP）分析了其微观形貌、孔径分布. 分析结果表明: 对浓度为10%的NaOH溶液制备的地聚物砂浆试件，即使在很高的温度下固化也没有观察到明显的强度发展；随着NaOH浓度增加或固化温度上升，单组分地聚物砂浆的抗压和抗弯强度均可获得最佳值，该值出现位置由热固化温度和NaOH浓度的共同决定；地聚物的孔径分布微分曲线为单峰分布，控制NaOH的浓度可以大幅减小孔径微分曲线的峰值，显著降低地聚物的孔隙率；粉煤灰颗粒在NaOH的作用下逐渐溶解，并在其表面形成胶凝物质，当Na+ 浓度较低时，地聚物较少，通过控制NaOH浓度可以使得地聚物变得密实，提高其抗压强度；基于热力学关系的分形模型描述地聚物孔结构形态的效果最好，其次为孔轴线模型，空间填充模型和海绵体模型只能较好地描述胶凝孔隙和过渡孔隙的孔结构分形维数；基于热力学关系与基于海绵模型分形维数计算值均在2.0～3.0之间，与一般水泥基材料的结果相近；适当调整NaOH的浓度可以改善地聚物的孔隙结构.      

考虑各向异性形貌特征的岩体结构面刚度计算模型

为了实现岩体结构面切向刚度和法向刚度的便捷化精准取值，准确分析结构面变形行为特征，以关山隧道闪长岩结构面为例，对结构面形貌信息进行数字化提取，应用3D打印技术制作结构面试样，开展单轴压缩与各向异性直剪试验，提出了各向异性新形貌参数，建立了结构面切向刚度与法向刚度计算新模型。研究结果表明:新形貌参数综合考虑了结构面起伏体上坡段的爬坡角与爬坡高度，有利于反映结构面形貌的各向异性特征，并且同一方向上结构面剖面线的形貌参数服从对数正态概率分布；在物理模型力学试验的基础上，结合结构面形貌参数、结构面壁面强度和法向应力构建的结构面切向刚度计算新模型，不仅降低了计算参数的获取难度，还可以更好地体现结构面切向变形能力的各向异性；改进的双曲函数法向刚度计算模型考虑了结构面初始法向刚度和最大法向闭合量与结构面壁面强度之间的量化关系，避免了复杂的力学测试，简化了法向刚度的获取过程；通过与经典计算模型和力学试验结果进行对比，发现采用新模型计算的刚度更为接近试验值，其中切向刚度与试验值的平均相对误差为2.09%~27.88%，法向刚度与试验值的平均相对误差为3.25%~17.25%，表明结构面切向刚度和法向刚度计算新模型可以更准确和便捷地获取结构面变形参数。      

基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

为探究砂卵石地层中盾构开挖工作面失稳现象的机理,采用CDEM （continuum-based discrete element method）可变形块体离散元方法,建立准连续介质模型,对砂卵石土三轴压缩试验开展数值模拟,以分析其细观力学特性;基于“颗粒流动”、“土拱效应”、“超挖出土”等特点,通过平面三角块体离散元建立模拟砂卵石地层盾构开挖面超挖出土的二维动态离散元模型,研究土拱效应、空洞区发展等开挖面失稳的渐进演化机制. 研究结果表明:砂卵石土三轴压缩试验宏观应力应变曲线可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、理想塑性阶段;卵石作为粗粒相颗粒存在骨架增强作用,砂卵石接触界面对宏观强度具有弱化作用;通过以土拱效应为标定准则的Hopper Flow标定试验可有效得到不同尺度平面三角形离散单元摩擦角的转换关系;土拱效应显著存在于开挖面前方并随着开挖面超挖出土渐进发展,达到极限状态后逐渐破坏消散;空洞区始于螺旋输送机底部,随超挖出土逐步向上方和前方扩展,最终在击穿承载土拱后到达地表,形成“水滴状”空洞区;从不同角度提出了三类超挖量的控制标准.      

水泥路面接缝传力杆周围混凝土损伤塑性分析

为揭示水泥路面接缝传力杆周围混凝土的受力特性与损伤机理,基于ABAQUS有限元软件,介绍了混凝土损伤塑性(CDP)模型及其参数确定方法,应用CDP模型模拟了混凝土试件单轴拉伸和压缩试验,通过对比模型试验结果验证了CDP模型参数的准确性;在此基础上,建立了接缝设置传力杆的水泥路面三维有限元模型,分析了在不同轴载作用下水泥路面接缝传力杆周围混凝土的塑性应变、损伤因子和等效应力的分布和发展规律,对比了采用CDP模型与混凝土弹性模型时传力杆周围混凝土的应力差异。分析结果表明:对于混凝土单轴拉伸、压缩试件,基于CDP模型的应力-变形全曲线模拟结果均与试验结果一致,说明CDP模型及其参数确定方法准确;对于接缝设传力杆的水泥路面,当荷载作用在接缝传力杆黏结端上方板边时,传力杆黏结端混凝土的受力最为不利;随着轴载的增大,传力杆黏结端底部混凝土率先发生损伤塑性,等效应力逐渐减小;当轴载从100 kN增大至250 kN时,传力杆周围混凝土塑性区范围从底部135°~225°扩展至60°~300°,底部150°~210°范围内混凝土发生完全损伤塑性而退出工作,等效应力趋于0,应力重分布导致更多的荷载由传力杆两侧和上部混凝土承担;若传力杆周围混凝土采用弹性模型,传力杆底部混凝土等效应力将不断增大而超过极限强度,因此,分析传力杆周围混凝土应力集中问题建议采用CDP模型。