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。     

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。     

基于D-P准则千枚岩变形破坏统计损伤本构模型研究

在分析岩石变形机理基础上，选用Drucker-Prager准则和推广的Lemaitre应变等价性原理，在统计损伤变形理论基础上考虑岩石初始损伤阈值，建立能表达绢云母千枚岩变形破坏全过程的统计损伤本构模型，对岩石三轴围压条件下应力-应变曲线进行拟合。引入损伤修正参数q对完全破坏阶段的变形过程进行修正，利用公式法代替传统比较法所得到的参数；修正后模型能更好地反映绢云母千枚岩处于完全破坏阶段变形特征，常规物理力学试验即可得到相应模型参数。探讨不同围压下分布参数对本构模型影响，验证该模型的准确性和可行性。     

基于最小耗能原理的海棠山隧道围岩蠕变损伤模型

为了研究海棠山隧道围岩的长期稳定性,采用MTS815.02试验机对砂岩展开不同围压作用下的三轴蠕变试验,进而分析了围岩在不同围压作用下的长期变形特性。通过结合最小耗能原理建立损伤模型,以能量角度研究岩石的性能劣化规律和蠕变特性。研究结果表明:岩石在变形过程中的能量耗散规律与岩石内部损伤演化规律是一致的,结合最小耗能原理引入内变量,较好地反映岩石内部应力-应变变化状态,将岩石损伤演化规律以能量变化方式呈现出来,也较好地描述了岩石内部能量耗散具体过程;当施加在岩石的应力水平较高时,才会出现稳定蠕变和加速蠕变现象,否则蠕变变形只有衰减蠕变变形,同时,围压的增高不仅增大了试样的破坏应力水平,同时延缓了轴向蠕变变形。最终通过砂岩蠕变试验曲线与模型曲线的高吻合度,这说明了基于最小耗能原理来建立非线性蠕变损伤模型,对砂岩蠕变全过程演化规律描述是合适可行的,也充分地说明将岩石作为耗散结构来确定岩石损伤程度以及反映岩石蠕变全过程变形规律是正确的;该模型对于不同围压作用下花岗岩蠕变特性也有较好地描述,计算曲线和试验数据拟合度较高,说明了该损伤模型的适用性广泛,对实际工程具有指导意义。     

基于弹塑性损伤本构的混凝土裂缝扩展分析

该文提供了一种能有效模拟混凝土裂缝扩展的方法,即利用有限元程序中的材料弹塑性损伤本构关系,分别考察了无初始裂缝和有初始裂缝缺陷的钢筋混凝土梁裂缝扩展的过程,从损伤开始到裂缝扩展再到破坏的整个过程中,可以明确地捕捉到混凝土裂纹的产生和扩展演变过程,得到混凝土损伤特性图和损伤状态下的混凝土与钢筋的应力变化。结果表明:钢筋与混凝土共同作用时,能均匀分布混凝土塑性损伤影响区,均匀出现多条损伤裂缝,裂缝扩展形式与实际相符,这种模拟混凝土开裂的方法能够容易得到各荷载阶段的塑性损伤破坏单元;利用塑性损伤模型对构件预制和运输过程中出现的开裂缺陷情况进行模拟,了解到初始裂缝对承载能力有一定影响,应做好构件使用前的开裂检查工作。     

岩石损伤破坏过程声发射试验及其能量特征分析

声发射是岩石变形破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个本构参量.通过三轴应力条件下大尺度岩石损伤破坏声发射试验,得到了3类岩石破坏全过程力学特征和声发射特征.试验中利用高速多通道声发射数字记录系统,获得了岩石试件破坏前微破裂活动的详细时空分布数据.基于试验结果,研究了3类岩石(花岗岩、砂岩、大理岩)压缩变...     

动荷载作用下钢结构涂装的累积损伤机理与量化模型

为研究动荷载作用下公路钢桥涂装层与基体间的协同变形和破坏机制,开发了钢结构涂装层试件的动荷载试验系统,研究了疲劳荷载作用下涂层的破坏模式、附着力、弹性厚度、应变等随循环加载次数的发展规律。结合涂层破坏模式和发展规律,构建了涂层疲劳累积损伤度的计算模型,提出了基于损伤度的涂层破坏分级方法,并结合试验结果进行了验证。结果表明:疲劳荷载将引起涂层的附着力下降、弹性厚度降低和应变松弛,进而导致涂层出现附着破坏、内聚破坏及其组合。涂层附着损伤度是涂层损伤的主要因素,且随加载次数持续增大,当加载次数较大时内聚损伤贡献突出。试验涂装体系在22万次应力循环后附着损伤度最大为0.34,内聚损伤度最大为0.27,总损伤度达0.61,属于严重损伤。提出的损伤度模型及破坏分级方法与试验规律吻合良好,可应用于公路钢桥涂装层受动荷载作用下的寿命预测。     

一种新的岩石长期强度确定方法

从岩石蠕变过程中的变形特点出发,引入流变损伤概念,对岩石蠕变过程中变形、损伤及长期强度之间的关系进行了分析;在经典岩石流变H-K模型的基础上,得到了岩石长期强度与损伤变形阈值及屈服应力的理论计算公式。定性分析及实例验证结果证明,该理论计算公式可反映岩石长期强度随岩性变化的规律,且参数少、求解过程简便,具有较好的工程应用参考价值。     

不同破坏模式桥墩地震易损性及震后剩余承载力评估

震后桥梁通行能力预测与评估是抢险救援工作顺利进行的技术需求。桥墩是桥梁结构中重要的承载构件,地震作用下易发生损坏,由于设计参数的不同,将呈现弯曲破坏、弯剪破坏等不同破坏模式。应用理论易损性曲线法,以位移延性比来定义损伤指标,确定地震作用下桥墩弯曲破坏和弯剪破坏两种破坏模式的损伤程度判断标准,得到易损性曲线。为了分析桥梁震后通行能力,引入竖向承载能力折减系数作为损伤指标,对不同等级地震动作用下竖向承载能力的折减进行分析,并回归得到该损伤指标与地面震动加速度的函数关系。分析结果显示,相比弯曲破坏模式,桥墩在地震作用下发生弯剪破坏时达到中等破坏和完全破坏状态的概率随着地面震动加速度的增大而急剧增加。在弯剪破坏模式下,桥墩竖向剩余承载能力随着地面震动加速度的增加而下降的幅度也更大。需要在桥墩设计中合理选择参数避免弯剪破坏的发生。     

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...     

基于声发射技术的石灰岩三轴加载试验研究

通过室内三轴加载及声发射同步试验,研究了完整及损伤石灰岩在围压作用下变形破裂的声发射机理.试验研究表明:损伤石灰岩贯通破坏时,岩石轴向应力突降与声发射参数值突增时间具有一致性,沿着1条主裂缝发生贯通破坏;完整石灰岩贯通破坏时,岩石轴向应力突降时间滞后于声发射参数值突增时间,出现多条裂缝;声发射参数值可作为评估危险石灰岩...     

反复循环载荷作用下钢筋混凝土矩形桥墩塑性铰区弯矩曲率关系试验研究

桥墩关键截面的弯矩曲率分析仅仅是对一个固定的截面进行分析,而实际情况下桥墩的破坏是在一个区域内（塑性铰区）发生.另一方面,截面分析也不能考虑钢筋混凝土在反复载荷作用下的损伤累积裂纹扩展等因素的影响,那么截面分析结果与实际反复载荷作用下的构件的弯矩曲率曲线的一致性就决定了分析结果的可信程度.本文通过对桥墩模型弯矩曲率关系的计算和试验分析,得到其一致性并讨论了进行分析时的注意事项.     

Lagrange-EulerF算法在沥青路面疲劳损害的应用

运用Lagrange-EulerF算法来进行有限元网格划分,构建基于半刚性沥青路面的疲劳损伤-裂缝形成、扩展-结构破坏全过程。对比分析了无损沥青路面和基底层预制反射裂缝的裂缝扩展规律和疲劳损伤累积规律。研究结果表明:无损沥青路面结构下,疲劳损伤和裂缝形成均是由底基层底部形成累积,在沥青路面全寿命阶段,随荷载水平的增加,疲劳寿命快速下降,分阶段中疲劳裂缝扩展速率先匀速发展,在裂缝长度40 cm处速率开始逐渐下降;预制反射裂缝的沥青路面,由于裂缝扩展主拉应力遵循先大后小的变化规律,反射裂缝扩展到距基层1 cm后停止扩展,因而避免了裂缝向路表的进一步扩展。当底基层存在初始裂缝时,基层反射裂缝形成阶段跨度较小,扩展速率达到2 cm/万次,表现出快扩展速率和短扩展寿面的早期病害特征。路面底基层底部损伤速率表现出前期较小,后期呈线性增长的趋势,疲劳损伤主要集中于裂缝附近,并未形成大面积损伤,因而保证了路面良好的承载能力。     

不同地应力条件下楔形掏槽爆破的岩石损伤演化过程研究

为解决掏槽爆破开挖困难的问题,以高速铁路隧道爆破工程入口段为例,设置多组静水地应力和非静水地应力加载工况,对楔形掏槽爆破过程进行数值模拟计算,分析不同地应力条件对岩石爆破裂纹扩展规律的影响。通过与实测数据进行对比,验证模型参数的合理性。结果表明： 1）由于掏槽孔与自由面斜交,应力波叠加区压应力分量增大,使炮孔间内部岩石产生更大的压缩损伤; 同时,远离炮孔处出现一定的裂纹,炮孔间靠近自由面部分岩体也出现拉伸损伤,有利于后续辅助孔的爆破。2）在静水地应力条件下,随着地应力增大,岩石爆破损伤演化受到抑制作用; 在非静水地应力条件下,损伤范围沿最大主应力方向扩展,且槽腔水平裂纹与垂直裂纹的长度差异随侧压力系数减小而愈加显著。3）静水地应力场20 MPa范围内,楔形掏槽角度为60°左右时,岩石爆破效果受地应力的影响较小。     

冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性,将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环,在围压为4 MPa条件下,采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验,试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征,轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大;根据蠕变曲线特征,将蠕变曲线分为2个阶段,即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段;利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程,建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程;基于损伤力学和概率统计理论,采用Von-misses屈服准则,建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程;通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正,建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大,但损伤增加速率减小,最终趋于稳定;冻融和蠕变耦合作用下,冻融作用使得岩石损伤累积,会加快岩石的蠕变破坏;分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律;改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好,且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。     

不同含水率砼单轴压缩下声发射与分形维数试验研究

为研究水对砼破裂过程中声发射及分形规律的影响,选取养护30 d的C35砼,对干燥、自然、饱水条件下试件进行单轴压缩声发射试验,得到不同含水率下单轴压缩应力-应变曲线及声发射参数。结果表明,含水率的增加会使砼的塑性提高、强度降低;声发射参数可较好地反映岩石孔裂隙的产生过程,与岩石破坏过程中的内部细观结构演化规律具有直接关系;声发射计数随着含水率的增加呈下降趋势,水对岩样有软化、润滑作用,在裂纹产生过程中,水会削减剪切破坏、裂纹张开的激烈程度;不同含水率下试件的声发射计数的分形特征具有良好的相似性,其分形维数D呈现上升→突降→最大值→下降的特征。     

页岩循环冻融试验研究

冻融作用导致岩石微结构及力学性质劣化,是诱发岩体变形与破坏的主要原因之一。文中借助核磁共振技术、超声波检测、岩石压缩试验等手段,分析页岩在冻融循环作用下的微观结构及力学劣化特性,揭示受荷岩石冻融破坏机制。结果表明,页岩弹性模量E和单轴抗压强度Rc表现出相同的冻融损伤效应,均随冻融循环次数的增加呈指数衰减,且纵波波速与单轴压强之间存在指数函数关系;试样的核磁共振T2谱分布、孔隙率均随冻融次数的增加呈上升趋势,且表现为冻融初期(前30次)冻融劣化效果明显、冻融后期(后20次)趋于缓和,并结合核磁共振图像动态揭示了页岩的冻融损伤劣化过程。     

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。     

循环荷载下微波照射玄武岩的损伤变形与能量特征

为研究微波处理对循环加卸载条件下岩石的损伤变形及能量特征的影响，分别对未进行微波处理和微波处理后的玄武岩试样进行单轴压缩试验和循环加卸载试验(循环4次，应力上限分别为相应单轴压缩峰值强度的4个等分点)，分析微波作用对循环荷载下玄武岩应力-应变曲线、强度、变形、损伤和能量特性的影响。结果表明： 1) 微波照射后试样的强度、峰值变形与微波照射时间呈负相关关系； 2) 由于微波的作用，加载的损伤随着循环次数增加呈现先减小、后增大的趋势，其中最后一次循环对试样造成的损伤最大，且微波照射时间越长，每次循环的应力上限越低，其损伤变量越小； 3) 微波照射后，每个循环过程中耗散的能量和外力功均随照射时间的增加呈递减趋势，试样破坏需要的能量随微波照射时间的增加而减小，微波照射降低了试样破坏的能量门槛。     

薄层灰岩弯曲变形力学特性试验研究

在岩土工程相关工程建设过程中,常遇到层状岩体稳定问题。鉴于层状岩体在实际工程中经常发生弯折破坏,尤其是薄层岩体,其抗弯性能受岩层厚度的影响最为明显。文中以层理近于水平状的薄层灰岩为研究对象,获取其受弯条件下的力学特性,总结弯曲变形裂纹扩展规律,分析弯曲破坏过程声发射信号变化特点。结果表明,薄层灰岩弯曲受力时试件内部弯曲应力呈线性分布,裂纹起裂点大多始于试件底部中心受拉区域,其扩展路径取决于岩块强度和层面抗剪强度相对大小关系,声发射振铃计数与岩样加载过程的对应关系反映了岩石应力集中破坏的过程,岩石破坏伴随着声发射能量加速释放现象。