不同种类纤维加筋土力学性能试验研究

通过对碳纤维加筋土、玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土进行直剪试验和无侧限抗压强度试验,得到了不同种类纤维对土体力学性能增强效果的差异。并对3种纤维进行了表面微观观察和拌和效果的比较,总结3种纤维表面物理性质与分散性的异同,分析补强效果差异产生的原因。试验结果表明:试验所用的3种纤维中,碳纤维表面最为粗糙,玻璃纤维与聚丙烯纤维表面较为光滑;在纤维长度12mm、纤维掺量0.3%的条件下,聚丙烯纤维对土体强度补强效果最好,玻璃纤维和PAN基碳纤维相对较差。     

考虑初始缺陷的水泥基复合材料细观开裂研究

为了研究微观初始缺陷对水泥稳定碎石基层材料（CTB）细观开裂的影响，基于离散元法（DEM）和随机算法构建了细观非均质随机骨料数值模型，结合参数反演确定了模型细观参数，并引入裂隙网络（DFN）来表征水泥砂浆内部的微观初始缺陷。通过虚拟半圆弯曲（SCB）试验模拟了细观开裂过程，比较分析了数值模拟结果和试验结果，并进一步研究了裂隙密度和宽度对结构细观开裂的影响。结果表明：细观断裂模型的数值模拟结果和试验结果基本吻合，模型能较好地表征细观随机开裂行为；材料的宏观开裂是由于细观损伤的累积导致，宏观裂纹的产生经历了平稳扩展和快速贯通的过程；张力是裂纹演化的驱动力，裂纹通常沿着砂浆与骨料的界面薄弱区进行扩展；微观缺陷显著影响水泥基材料的力学性能和断裂行为，初始裂隙通过诱导微裂纹的扩展与贯穿，降低结构整体强度，但是在一定程度上增大了结构的容许形变，其中20~40 m·m^-2的裂隙密度和0.3~0.45 mm的裂隙宽度对材料强度影响最为显著，施工过程中合理控制裂隙密度和宽度对于提高材料抗裂能力有益。所构建的细观模型可以很好地捕捉微裂纹的扩展和贯穿过程，能够实现对细观断裂的精确模拟，为探索水泥基复合材料的破坏过程和机理提供了一种新的研究手段。     

短纤维增强混凝土破坏过程及其尺寸效应数值模拟

基于细观力学理论建立纤维混凝土细观结构模型,并利用数值模拟技术分析了纤维混凝土单轴受压破坏过程及其尺寸效应。首先将纤维混凝土视为由粗集料、硬化纤维水泥砂浆及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,然后建立了纤维砂浆延性损伤力学模型和内聚力界面模型。计算结果表明,标准试件的计算结果与实测结果差异较小;纤维混凝土抗压强度随试件尺寸增大而逐渐减小,且变化幅度逐渐降低,峰值后应力应变曲线的下降速率随着试件尺寸增大而加快;尺寸效应是由试件内部断裂裂纹的萌生、扩展和损伤带演化形成过程中应变能的耗散所引起。     

干湿循环作用下受荷炭质页岩损伤特性与能量特征研究

为了研究干湿循环对岩石损伤特性与能量耗散的影响,在RMT-150C岩石力学试验系统上对不同干湿循环炭质页岩进行单轴压缩试验。研究结果表明：干湿循环次数的增加能有效促进岩样内部裂纹萌生与扩展,使得破坏阶段能够延伸到更高水平,从而降低了炭质页岩单轴抗压强度和弹性模量。单轴压缩下炭质页岩耗散能演化规律可分为平静期-稳定发展期-加速期-爆发期4个阶段;峰值U、U^e、U^d随干湿循环次数增加呈指数减小,炭质页岩的储能极限逐渐降低。炭质页岩能量损伤演化机制很好地反映了岩石内部裂纹发育、扩展、贯通至破坏的渐进破坏过程。研究结果可为水-岩作用下岩土工程稳定性分析提供参考。     

基于图像技术的沥青混合料细观损伤演化研究

借助于CT图像技术,以AC20、SMA16、ATB25混合料为试验研究对象,从细观角度对沥青混合料单轴压缩条件下的损伤演化规律进行了探讨。研究结果表明：在混合料损伤演化过程中,空隙对试件的变形起着控制作用;加载速度对内部裂纹的扩展速率和发育程度有重要的影响;温度对混合料的极限强度和裂纹扩展行为有显著影响;内部CT数等值线与外部同值等值线的连通可以作为启裂位置和损伤产生的判据。体应变为0的应力阶段所对应的损伤值可作为损伤门槛值,且损伤分维数与应力之间呈非线性关系,并随着损伤的演化发展逐渐增加。     

玻璃纤维加筋土强度特征试验研究

为了揭示玻璃纤维加筋土的加筋机理,进行多因素多水平的室内三轴试验,研究玻璃纤维加筋土的强度和变形特性,并采用多元回归分析,得出考虑多因素影响的玻璃纤维加筋土强度指标公式.试验结果表明:玻璃纤维加筋土的应力-应变曲线近似呈双曲线;玻璃纤维的掺入可改变砂土结构,提高纤维土的强度,特别是强度指标粘聚力提高显著,但是对元筋砂土内摩擦角影响不大;玻璃纤维加筋土粘聚力c与纤维长度l,纤维掺加比例m存在非线性关系;抗剪强度增加幅度与纤维掺加比例之间是非线性关系,与纤维长度之间近似呈线性关系.     

岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析

利用最新研制的与ＣＴ机配套的专用加载设备，进行了三轴（单）荷载作用下岩石破坏全 细观损伤扩展规律的动态ＣＴ试验。得到了在不同葆载作用下岩石从微孔洞坟密到微裂纹萌生、分叉、发展、断鲜明、破坏直到卸载等各个阶段清晰的ＣＴ图像。对得到的ＣＴ数等进行了分析，给出了应力损伤门槛值，得到损失扩展的初步规律。     

闪长岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟研究

采用微机控制伺服岩石三轴剪切流变试验机对闪长岩进行单轴压缩试验,利用RFPA分析系统模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下闪长岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。研究结果表明:闪长岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的36.6%、55.5%、75.6%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立闪长岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了闪长岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;针对闪长岩应力～应变曲线出现"阶梯式下降"现象,结合试样破坏前后对比分析,发现是由于初始试样中存在一条富含石英颗粒的斜面所导致,提出闪长岩单轴压缩下破坏模式为竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA模拟得到闪长岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的54.1%时,闪长岩内部出现微裂纹,当加载应力达到峰值应力的75.4%时,闪长岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致闪长岩的宏观破坏;通过试验和模拟对闪长岩的破坏强度、裂隙随应力变化规律、破坏模式方面进行相互印证,分析了单轴压缩下闪长岩的单轴压缩破坏过程。     

竖转钢-混凝土组合拱桥PBH剪力件疲劳性能试验

针对钢箱预制、立柱拼装、转体成拱的快速施工竖转钢-混凝土组合拱桥,基于PBL提出了新型PBH剪力件。以PBH剪力件的疲劳力学性能为研究目标,开展了一组11个试件的高周疲劳试验。分析不同箍筋直径、开孔直径PBH剪力件的疲劳破坏模式和损伤演化规律,并与PBL剪力件进行比较。结果表明：PBH疲劳破坏模式为钢板开孔内混凝土在循环荷载作用下的损伤累积,裂缝发展过程中发生裂缝尖端钝化,混凝土榫局部粉末化并向下迁徙导致了钢箱与混凝土界面滑移累积并最终破坏。解剖发现孔内混凝土粉末化,与之对应的PBH静载破坏模式为混凝土榫处主裂缝在荷载增加过程中扩展延伸,混凝土榫劈裂,裂缝反射至表面导致试件破坏,二者区别明显;PBH疲劳损伤演化曲线可分为3个阶段：由黏结力和摩擦力损伤主导的损伤弹塑性阶段、由孔内混凝土裂缝积累破碎主导的损伤累积阶段以及变形累积失控后的损伤破坏阶段,损伤弹塑性阶段约占整个疲劳寿命的10%,损伤累积阶段占全部疲劳寿命的70%以上且滑移量增加缓慢,损伤破坏阶段累积滑移量急剧增加,裂缝发展,剪力件随即发生疲劳破坏,疲劳破坏表现出明显的塑性特征。PBH与PBL损伤演化规律总体相似,但PBH较PBL有更加显著的第2阶段,即疲劳破坏损伤累积过程,表明PBH剪力件在疲劳破坏过程中的塑性破坏性能更佳。     

荷载作用下沥青路面表面开裂的扩展

为了研究荷载作用下沥青路面表面开裂的机理,采用不规则颗粒及颗粒接触界面生成的二维算法子程序,在指定的级配类型范围内随机生成沥青路面仿真体,分别赋予级配碎石颗粒和沥青粘结体相应的材料参数,对刹车荷载作用下沥青路面开裂的细观响应进行了分析。数值模拟结果表明:表面裂纹是随机的产生、裂纹路径的扩展是非连续和跳跃式的,局部裂纹相互干涉最后形成贯通的裂缝微扩展带导致了路面的开裂损坏。模拟结果证明了开裂的非连续性。     

基于交变载荷下沥青路面使用寿命研究

运用断裂力学的相关理论,结合有限元方法,建立含表面裂缝的沥青路面结构三维有限元模型,计算了表面裂缝尖端的应力强度因子,通过分析裂缝的疲劳扩展来预测沥青路面的使用寿命。研究结果表明:表面裂纹形成初期,水平荷载对路面表面裂缝扩展影响较大。裂纹扩展阶段,张开型破坏占裂纹扩展的主导作用;增加面层厚度能有效抑制沥青路层裂缝的扩展;面层厚度增加,基层厚度增加,基层模量增大,面层模量降低,沥青路面疲劳寿命增速越大,疲劳寿命越长,但基层模量增加过大,易导致路面干缩开裂。     

炭质泥岩渐进破坏过程的变形特性及损伤演化研究

为研究软岩渐进破坏过程的变形特性和损伤演化规律,通过对炭质泥岩开展不同围压的三轴压缩试验,分析了围压对炭质泥岩宏观力学特性的影响;并将损伤岩石细观模型概化为岩石颗粒、裂隙损伤和孔隙3个部分;根据岩石细观结构损伤机制,结合应力-应变曲线特征,分段建立了炭质泥岩损伤演化方程:压密阶段,以孔隙率为损伤变量,建立了考虑孔隙压缩...     

基于直接拉伸试验的钢纤维混凝土损伤特性研究

结合DIC技术对预埋螺栓式钢纤维混凝土试件展开直接拉伸试验，研究了钢纤维体积掺量、钢纤维长度和钢纤维类型对钢纤维混凝土开裂模式、抗拉强度、峰值应变以及裂后延性的耦合影响规律。研究结果表明：钢纤维混凝土在直接拉伸过程中的开裂声响、裂缝形态及裂缝数目等特性受钢纤维掺量影响显著；掺入钢纤维后混凝土的抗拉强度、峰值应变及裂后延性均有不同程度增加；相较于铣削型钢纤维浇筑时易出现重叠和成团现象，端钩型钢纤维更易浇筑均匀及密实，与混凝土基体间形成更加紧密的黏结，拉伸后期端部弯钩的变形抵抗力提升了桥联作用，端钩型钢纤维对抗拉强度和裂后延性的提升表现较优越。结合DIC结果进一步揭示了钢纤维混凝土直接拉伸作用下的细观破坏机理，钢纤维混凝土拉伸破坏可以分解为4个阶段：Ⅰ弹性阶段、Ⅱ细观裂缝稳定扩展阶段、Ⅲ裂缝失稳扩展阶段、Ⅳ纤维拔出阶段。根据试验结果建立了综合考虑混凝土基体特性、钢纤维体积掺量、钢纤维长度及钢纤维类型影响的钢纤维混凝土应力-应变模型，在此基础上，引入拉伸损伤因子综合考虑抗拉强度、峰值应变以及裂后延性对钢纤维混凝土损伤发展特性的影响。     

SPR联接疲劳失效的研究

自冲铆接疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹扩展和疲劳断裂等几个大的阶段。由于疲劳裂纹扩展占了自冲铆接大部分寿命,本文主要探讨了自冲铆接疲劳裂纹扩展的机理。对于连接中没有细观缺陷的地方,疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移、裂隙和显微开裂等引起的,然后经过裂纹扩展后达到疲劳失效;有缺陷的地方也可直接经裂纹扩展后最终疲劳失效,自冲铆接的疲劳扩展往往在铆接孔上发生。提出了提高疲劳强度的方法,对工程实践具有一定的指导性。     

UHPC微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制

为了在蒸汽环境中快速修复超高性能混凝土（UHPC）浇筑过程中产生的收缩裂纹和结构服役过程中产生的裂纹，加速UHPC结构刚度和抗渗性能的恢复，需要确定不同损伤程度的微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制。因此，选取拉伸变形（应变为1 000×10^-6，1 500×10^-6，2 000×10^-6）作为损伤指标，将损伤开裂后的UHPC试件分别放置在蒸汽环境中1，3，5 d，研究微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制。通过直接拉伸试验、气体渗透试验和声发射分析不同拉伸变形的UHPC试件在蒸汽环境中的自愈合行为。拉伸试验结果表明：放置在蒸汽环境中，预裂试件的弹性模量的恢复程度随着拉伸变形的增大而减小，但依然大于预裂至相同拉伸应变的未愈合试件（放置在室内环境中）的弹性模量。刚度恢复程度随着放置在蒸汽环境时间的增长而增大，但愈合到一定程度后，延长放置时间对愈合的效果不明显。采用气体渗透试验表征了微裂纹的愈合程度，结果表明蒸汽环境中的微裂纹能快速愈合，但随着拉伸变形的增加，自愈合的程度减小，表明拉伸变形越大，微裂纹越多，自愈合产物填充所需时间越长。声发射分析表明：UHPC内部发生损伤时才会产生声发射源，在重新加载阶段，对于已经愈合的微裂纹，在微裂纹的2个界面之间新形成的晶体会再次开裂，此时会检测到声发射源。然而，对于未愈合的微裂纹重新张开时，则不会产生声发射源，直至旧裂纹发展和新裂纹的产生才会产生声发射源。     

聚丙烯纤维加筋土路用性能试验研究

在土中掺加聚丙烯纤维可以有效的改善土体的力学性能,为了解掺加聚丙烯纤维对土体路用性能的影响,采用了击实试验、CBR试验和回弹模量试验,研究了掺加纤维、击实功对各指标的影响。试验结果表明,掺加聚丙烯纤维降低了土体的最佳含水量和最大干密度,尤其是对最佳含水量的影响比较显著;掺加聚丙烯纤维可以显著的提高土体的CBR值和回弹模量,并且随着纤维掺量的增加(纤维与干土的质量比:0%~0.6%),纤维加筋土的CBR值和回弹模量也随之增加,加筋土的CBR值受到试验击实功的影响比较显著,提高击实功有利于纤维加筋作用的发挥,因此,在土中掺加聚丙烯纤维可以改善土体的路用性能。     

原状Q_3黄土剪切破损机理及其本构模型研究

原状Q_3黄土具有显著的结构性与湿陷性,其结构性对力学性状的影响非常复杂。为揭示原状Q_3黄土在三轴剪切试验过程中的细观结构变化,构建描述原状黄土Q_3剪切破坏细观结构破损演化规律的本构方程,揭示其结构性对力学性状的影响,采用了应力控制式CT–三轴仪对非饱和原状Q_3黄土进行围压为50,100,200,400 k Pa的固结排水三轴剪切试验,同时利用CT机将试样的5个断面分别按固结完成时、微裂纹产生时、剪切破损发展演化Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和剪切破坏时6种损伤状态进行实时无损量测。结合三轴剪切试验时应力应变状态、对应的CT扫描CT数及方差的物理意义定义了原状黄土破损结构势参数与破损率,建立了破损率与轴向应变、偏应力的演化方程,充分利用CT图像上的细观物理信息研究了原状Q_3黄土结构破损演化过程及力学行为。试验结果表明:在峰值偏应力前后弱软化型试样随轴向应变的增大CT数先增大后减小、方差先减小后增大,而硬化型试样则CT数单调增大、方差单调减小;剪切破坏时软化型试样破损结构势参数先小幅增长后快速减小,硬化型试样其值变化不大;根据定义的破损率与轴向应变、偏应力函数关系将不同围压下破损前和破损后分段拟合进行归一化处理建立的本构方程可以很好地表述原状黄土剪切破坏细观结构破损演化全过程。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

粘土龟裂动态发育过程试验研究

粘土龟裂现象十分常见,并造成了越来越多的工程事故和经济损失。该文对不同配比的膨润土进行了龟裂动态发育过程室内试验研究,结果表明:1土体失水龟裂过程可分为孕育阶段、快速发展阶段和稳定阶段。孕育阶段无裂纹产生,失水较快;快速发展阶段是主要裂纹的发生和发育期,含水量降低加快;稳定阶段细小裂纹继续发育,裂纹宽度持续缓慢变宽,但龟裂格局不变,表观裂隙率基本稳定;2龟裂受边界条件影响较大,首条裂纹往往在边界处产生,延伸一段距离后以大角度向中间发展,二期裂纹基本上与首期裂纹垂直,将试样分割成多边形,其中以四边形为主,这是粘土龟裂符合分形理论的根本原因;3砂子添加量对龟裂影响显著。添加砂子试样的开裂时间比纯膨润土试样晚,但裂纹发育较快,进入稳定期较纯膨润土早,快速发展期较短。随着砂子添加量的增加,裂纹宽度和最大块面积逐渐减小,块数增多,收缩率减小;4龟裂过程与失水密切相关,主要受剪胀和拉张力控制,裂纹在水平和垂直方向发育,无扭转现象产生。     

砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律研究

为探讨砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律，借助核磁共振与SEM电镜扫描技术对砂岩开展100、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃的循环热处理试验。结果表明： 400 ℃后，砂岩试样的表观形态、质量和体积等物理参数均发生显著变化，砂岩物理参数发生变化的临界温度在400 ℃左右； 400 ℃后砂岩的微裂纹及孔洞开始发育，700 ℃后新生裂纹快速萌生、扩展和贯通； 300 ℃后孔隙度缓慢增加，热损伤开始发育，500 ℃后岩样受热应力及相变耦合作用，裂纹发育迅速，致使孔隙度急剧增加；渗透率与孔隙度呈现出不同的演化规律； 砂岩小孔呈现出先增加、后降低，中孔呈现出先降低、后增加，大孔则呈现出先增加、后降低、再增加的变化趋势。