Strength and elastic properties of sandstone under different testing conditions

A laboratory experimental program performed on Wuhan sandstones was presented under monotonic loading, partial cyclic loading during loading path and sine wave cyclic loading with different strain rates to compare uniaxial compression strength and elastic properties （elastic modulus and Poisson ratio） under different conditions and influence of pore fluid on them. When the loading strain rates are 10^-5, 10^-4 and 10^-3/s, uniaxial compression strengths of dry sandstones are 82.3, 126.6 and 141.6 MPa, respectively, and that of water saturated sandstones are 70.5, 108.3 and 124.1 MPa, respectively. The above results show that the uniaxial compression strength increases with the increase of strain rate, however, variation of softening coefficient is insignificant. Under monotonic loading condition, tangent modulus increases with an increment of stress （strain） to a maximum value at a certain stress level, beyond which it starts to decline. Under the partial cyclic loading during loading path condition, unloading or reloading modulus is larger than loading modulus, and unloading and reloading moduli are almost constants with respect to stress level, especially unloading modulus. Under the sine wave cyclic loading condition, tangent modulus and Poisson ratio display asymmetric ‘X＇ shape with various strain, and the average unloading modulus is larger than the average loading modulus.     

高温多轴变幅疲劳损伤累积

为进行高温多轴变幅疲劳寿命预测,以应力幅作为损伤变量,采用经典的Chaboche模型进行多轴疲劳损伤计算.多轴加载下等效应力的确定是根据单轴加载下的本构关系,利用多轴等效应变求出等效应力.修正Chaboche疲劳累积损伤模型中应力指数表达式的形式,根据Chaboche损伤累积模型,求解变幅加载下的疲劳损伤.推导出多级加载的Chaboche疲劳损伤累积公式,将其用于变幅加载块的疲劳损伤估算.寿命预测结果与试验结果接近,误差基本在2倍因子之内,说明了寿命估算方法的可行性.     

Statistical damage constitutive model for concrete materials under uniaxial compression

According to the damage mechanism of concrete material during the uniaxial compressive failure process,this paper further establishes the statistical damage constitutive model of concrete subjected to uniaxial compressive stress based on the statistical damage model under uniaxial tension. The damage evolution law in the direction subjected to pressure is confirmed by the tensile damage evolution process of lateral deformation due to the Poisson effect,and then the compressive stress-strain relationship is defined. The peak nominal stress state and the critical state occurring in the macro longitudinal distributed splitting cracks are distinguished. The whole loading process can be divided into the even damage phase and the local breakage phase. The concrete specimen is divided into the failure process zone and the resting unloading zone. The size effects during the local breakage phase under the uniaxial monotonic compressive process and the hysteretic phenomenon under the cyclic compressive loading process are analyzed. Finally,the comparison between theoretical results and experimental results preliminarily verifies the rationality and feasibility of understanding the failure mechanism of concrete through the statistical damage constitutional law.     

循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型

针对高混凝土坝地震过程中复杂的材料非线性问题,建立循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型。模型分别选取符合混凝土实际变形特性的拉伸与压缩骨架线以考虑材料拉压异性,骨架线中含有软化段系数以适应试验结果的离散性。采用不依赖于骨架线形状的滞回效应加卸载特征点表达式,搭建能够反映混凝土循环荷载作用下软化段滞回效应的卸载路径与重新加载路径,并建议设立残余应变临界值解决残余塑性应变与卸载应变比值随应变增长的持续发散问题。模型将复杂多轴问题转化至单轴等效应变空间中求解,计算参数少,数学表达式简单,并通过混凝土循环荷载试验与Koyna重力坝的震害模拟验证了模型在非线性问题求解上的正确性与高效性。     

冻融损伤混凝土重复受压本构关系

为研究冻融损伤对混凝土重复受压力学性能的影响,完成了两种强度等级混凝土试块的快速冻融及重复受压试验.结果表明,冻融损伤混凝土重复受压力学性能显著降低,动力本构特征曲线也发生改变,包络线及再加载曲线在峰值应力之前因存在明显压实效应而表现出下凹形态,卸载曲线应变滞后现象严重且曲线逐渐趋于重合.在试验研究基础上,探讨了冻融循环次数、混凝土强度等级与冻融后混凝土力学性能参数及本构模型参数之间的关系,建立了冻融损伤混凝土动力本构模型.     

盐岩损伤测试中卸载模量研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对盐岩和大理岩进行了单轴压缩下的7级加卸载试验和低周循环加卸载试验测试,对盐岩和大理岩的卸载模量进行了探讨。低周循环试验加载波形采用正弦波,频率1Hz,循环应力幅值小于其平均抗压强度,单级应力幅值为30个振动循环。通过试验,得到了盐岩应力应变滞回环均为条带状,大理岩则均为尖叶状;盐岩在加卸载部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢,大理岩则反之;盐岩卸载模量变化趋势受加载测试方法影响较大,而大理岩在2种试验条件下得到的卸载模量变化趋势相似;加载应力幅值比加卸载循环数对盐岩不可逆变形增量影响更加显著。损伤变量研究结果表明,利用低周循环加卸载方法测试具有显著时间效应变形岩石的损伤弹性模量,能更真实反映其损伤特征。     

混凝土单轴受压本构模型及其应用

通过一个细观模型,从损伤的角度解释混凝土在压应力作用下应力-应变关系的非线性和应变软化,根据等效应变假设和损伤力学基本原理,建立了单轴受压混凝土的弹塑性损伤本构模型,可导出已有单轴受压本构关系,并能反映混凝土的刚度退化和卸载后的残余变形;提出一类损伤函数和塑性变形经验表达式,利用应力-应变曲线特征条件和优化算法确定模型参数;与已有受压试验结果相比较,结果吻合良好.     

基于破坏类型的本溪灰岩本构关系研究

根据单轴和三轴条件下本溪灰岩的压缩试验和峰后循环加载试验,总结本溪灰岩的强度、变形随围压的变化规律,研究不同围压下本溪灰岩的破坏过程和重复加载过程,分析不同应力条件下本溪灰岩破坏的方式.结果表明:本溪灰岩在应力刚过峰值且未完全进入残余强度阶段,其弹性模量与峰前相同,此阶段进行循环加载时,新的峰值应力低于卸载点应力;在残余强度阶段,残余强度不再随重复加载发生明显变化;采用比较峰值时的环向弹性应变值与环向应变值的方法来判别本溪灰岩的破坏类型是可行的;不同围压下,本溪灰岩的破坏方式有张性破坏和剪切破坏2种类型,这2种破坏方式下本构模型的控制参数是不同的.分别选取了环向应变和剪切应变作为控制参数建立了本构模型,该模型很好地描述了本溪灰岩峰后阶段的应力脆性跌落现象及应力与应变的关系.     

基于数字图像相关法的A7N01-T4铝合金焊接接头循环变形行为实验研究

为研究A7N01铝合金MIG焊焊接接头单轴拉伸性能和循环变形特征,采用数字图像相关方法(DIC)分析A7N01铝合金焊接接头在单调拉伸和循环加载下的应变场分布,结合焊接接头显微硬度获取焊接接头整体、焊缝、热影响区和母材的平均应力-应变曲线。实验结果表明:焊接接头母材在单调拉伸和循环变形中一直处于弹性变形,焊接接头整体的塑性变形由焊缝和热影响区主导,体现出循环稳定特征和棘轮安定状态,焊接接头的棘轮应变值依赖于当前的应力水平和加载历史。     

初始应力状态对侧限条件黏土动态压缩过程和力学性能的影响

黏土的初始应力状态对其动力学性质有显著的影响。本文采用长时、分级、高压固结方式模拟了黏土的原始应力赋存环境,采用SHPB实验装置对侧限条件下的高压固结黏土进行应变率范围为200~800 s_^-1的冲击压缩实验,分析了黏土应力记忆效应、应变率效应和动态压缩过程。实验结果表明,黏土的应力历史影响了其动态压缩过程,试样依次经历压实段—线弹性加载段—线性卸载段,在动载下黏土压实段与线弹性加载段应力拐点的均值为3.8 MPa,与先期固结应力4.2 MPa具有相关性,并且压实段应变均值约为试样破坏应变的33%;采用200 mm和300 mm的短子弹进行冲击加载时,黏土试样未发生稳定的塑性变形,分析应力-应变率曲线发现,黏土的压实过程吸收了一部分动载能量,使其无法持续进行动态压缩行为,但进入动态压缩阶段后黏土受子弹长度影响较小;黏土试样动态加卸载段模量随应变率同步增加,但加卸载模量的比值稳定在0.45左右,表明更高的冲击速度没有造成试样进一步的损伤,这与冲击后的宏观破坏现象及塑性变形分析相互印证。实验结果也说明,针对软弱、松散颗粒体材料,高压固结方式为研究其动力学性质提供了一种思路。     

混凝土率相关单轴塑性损伤本构的开发及应用

为了对爆炸作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)构件动力响应进行简化分析,需要合理描述混凝土和钢筋的应变率效应,而LS-DYNA中缺乏能够考虑混凝土应变率效应的单轴本构模型,因此,结合Faria单轴塑性损伤模型,通过黏性规则化方法调整率无关模型的损伤阈值演化律以考虑应变率效应,并利用LS-DYNA将该模型编制为用户材料子程序VUMAT.以单个单元测试了高应变率下材料的基本性能;基于纤维模型模拟了RC梁在爆炸、冲击作用下的动力响应.结果表明:该本构模型能反映混凝土受拉应变率效应高于受压应变率效应的事实,同时也能较准确地模拟爆炸与冲击作用下RC梁的动力响应.     

轻集料混凝土局部受压试验及动力本构分析

为探究轻集料混凝土单轴局部受压动力特性,采用试验机对轻集料混凝土单轴局部受压本构关系进行相关试验研究.考虑了5种不同加载应变率和4种不同加载面积,在位移控制下,得到轻集料混凝土单轴局部受压应力-应变曲线.根据应力-应变曲线特征点的峰值应力、峰值应变和弹性模量,分析不同加载应变率与加载面积对特征点的影响.同时根据混凝土黏弹塑性损伤本构模型,考虑不同加载应变率和加载面积的影响修正模型参数,并通过试验数据验证理论模型的合理性.研究结果表明:加载应变率和加载面积对轻集料混凝土应力-应变曲线影响明显;不同加载面积对轻集料混凝土弹性模量、峰值应力及峰值应变有较大影响;所提出的理论模型能够准确描述轻集料混凝土材料局部动力荷载作用下的应变率效应和非线性行为.     

Mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression

To study the mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression,we analyzed the stress strain curve characteristics,deformation and strength properties,and failure process and characteristics of sandstone samples under different stress states.The experimental results reveal that peak strength,residual strength,elasticity modulus and deformation modulus increase linearly with confining pressure,and failure models transform from fragile failure under low confining pressure to ductility failure under high confining pressure.Macroscopic failure forms of samples under uniaxial compression were split failure parallel to the axis of samples,while macroscopic failure forms under uniaxial compression were shear failure,the shear failure angle of which decreased linearly with confining pressure.There were significant volume dilatation properties in the loading process of sandstone under different confining pressures,and we analyzed the damage evolution properties of samples based on acoustic emission damage and volumetric dilatation damage,and established damage constitutive model,realizing the real-time quantitative evaluation of samples damage state in loading process.     

超高性能轻质混凝土的循环拉伸力学性能

超高性能轻质混凝土(ultra-high performance lightweight concrete, UHPLC)是一种具有高拉压比和拉伸应变强化特性的轻质水泥基材料。为了阐述UHPLC与钢筋在钢筋屈服点之前的协同受拉机制,针对一种密度为1 789 kg/m~3、抗压强度为63.1 MPa、极限拉伸应变约为2.4×10~(-3)～2.8×10~(-3)、极限抗拉强度约为6.9～7.8 MPa的UHPLC,采用自主研发的拉伸测试装置,研究其循环拉伸力学性能,分别考虑了4种加载条件(循环应变分别是2.0×10~(-4)、5.0×10~(-4)、1.0×10~(-3)、1.5×10~(-3))。试验结果表明:不同加载条件的UHPLC的循环拉伸应力-应变曲线的包络线与单调拉伸应力-应变全曲线具有较高的重合度;循环加载曲线的残余应变、加载刚度、卸载刚度均反映了桥接微裂纹的纤维脱黏状态,残余应变越大,说明纤维的脱黏长度越长,将导致UHPLC的加载、卸载刚度降低;UHPLC在循环加载作用下的累积应变小于其极限拉伸应变时,多次循环加载主要是对已脱黏部分纤维的循环拉伸作用;UHPLC的循环加载刚度退化率与累积残余应变的关系符合幂函数关系,拟合度为0.99。UHPLC的循环拉伸加载刚度本质上由纤维参与受拉的有效长度(脱黏部分)决定,可用累积残余应变来表征。     

混凝土的一种梨形边界面本构模型

为研究混凝土材料在多轴循环荷载作用下的非线性特性,基于经典塑性力学理论和边界面模型理论,提出一个改进的边界面模型.模型中,屈服面为封闭、光滑曲面,在子午面内为梨形;边界面与屈服面的形状相似;选择应力的第一不变量和应变偏量作为屈服面函数中的自变量;相应的加卸载判据中的微分变量也是上述两种变量;根据屈服面和边界面形状的相似性,通过比例关系定义映射法则;对于处在屈服面上的任意一个当前应力点,根据此法则,都能够找到与之对应的处在边界面上的映射点,两个点对应的曲面法线方向相同;采用非相关流动法则描述塑性变形.对沿着偏平面上的压缩方向,对混凝土试块分别进行单调加载和循环加载时的试验结果,用本构模型进行模拟,模型计算结果与试验结果吻合.模型能够统一地描述应力-应变曲线的上升-下降段,能够描述剪胀现象.     

高温后灌浆料静动态单轴受压力学性能

灌浆料是套筒灌浆连接的关键组成部分。通过36个试件的单轴受压试验,设置静、动态加载应变率,研究高温后灌浆料的力学性能。结果表明：预烘干(105 ℃、120min)结合升温速率5 ℃/min的复合措施抑制了灌浆料(抗压强度85.7MPa)的爆裂;灌浆料试件的失效模式为竖向通缝式开裂;动态加载应变率(0.067s-1)下的高温后试件峰值应力普遍高于静态下的值,最高可达29.6%;高温后灌浆料应力-应变归一化曲线包括上升、下降两部分,二者均呈现非线性发展特征;通过试验数据的拟合分析,建立高温后灌浆料单轴受压归一化静动态本构模型,并将其应用于高温后套筒灌浆连接高应力反复拉压的有限元模拟分析,率先实现模拟对象的套筒外钢筋断裂,且模拟对象的荷载-位移曲线、峰值荷载等特征与实测结果吻合度较高,并得到400℃为高温作用后套筒灌浆连接失效模式转变的临界温度。     

高温后灌浆料静动态单轴受压力学性能

灌浆料是套筒灌浆连接的关键组成部分。通过36个试件的单轴受压试验,设置静、动态加载应变率,研究高温后灌浆料的力学性能。结果表明：预烘干(105 ℃、120min)结合升温速率5 ℃/min的复合措施抑制了灌浆料(抗压强度85.7MPa)的爆裂;灌浆料试件的失效模式为竖向通缝式开裂;动态加载应变率(0.067s-1)下的高温后试件峰值应力普遍高于静态下的值,最高可达29.6%;高温后灌浆料应力-应变归一化曲线包括上升、下降两部分,二者均呈现非线性发展特征;通过试验数据的拟合分析,建立高温后灌浆料单轴受压归一化静动态本构模型,并将其应用于高温后套筒灌浆连接高应力反复拉压的有限元模拟分析,率先实现模拟对象的套筒外钢筋断裂,且模拟对象的荷载-位移曲线、峰值荷载等特征与实测结果吻合度较高,并得到400℃为高温作用后套筒灌浆连接失效模式转变的临界温度。     

混凝土单轴压缩过程中损伤演化与声发射分析

为了研究混凝土单轴压缩状态下的损伤演化过程,利用声发射设备采集试样破坏过程的声发射数据,基于声发射信号建立声发射能量表述的损伤本构方程,对损伤程度进行量化表述,提出了损伤因子在启裂强度和损伤强度的取值区间.基于连续介质损伤力学,对微裂纹的发育过程和声发射能量数综合分析.结果表明,理论应力-应变曲线与试验曲线吻合较好,混凝土单轴压缩过程各阶段吻合度较高,混凝土单轴压缩损伤本构模型具有一定的合理性.     

循环荷载三面本构模型及与实验结果比较

为探求形式简洁,参数较少,便于工程应用的循环本构模型,本文基于边界面模型和多面模型理论,建立了一个可描述金属材料三轴循环加载力学行为的三面本构模型.把塑性应变分解成塑性应变1和塑性应变2,塑性应变1对应于一套屈服面-边界面模型,塑性应变2对应于一套单屈服面模型.提出了当前应力点与边界面上对偶点之间距离的演变公式,基于一致性条件得出边界面模型中塑性模量的计算与运动硬化准则的联系.采用塑性应变作为硬化参数,应用关联流动法则计算塑性应变.相比于经典的边界面模型,本文模型形式简明;相比于前人修正随动硬化准则模型,本文模型需要的材料参数较少.结合金属稳定材料U71Mn的单轴循环实验结果,对其4种力学行为进行模拟,分析了非对称应力循环下平均应力和应力幅值对稳定材料棘轮效应的影响,以及对称应变循环下材料的最大应变幅值记忆效应.研究结果表明,本文模型的模拟结果与前人文献的实验结果一致性较好,可为研究材料的本构行为提供一条新的途径.     

定侧压混凝土双轴变幅拉-压疲劳累积损伤研究

为了调查混凝土在双轴拉-压交变荷载作用下的疲劳性能和累积损伤规律,利用改造的MTS疲劳试验机对变截面棱柱体混凝土试件进行了定侧压下轴心拉-压单级等幅和多级高-低、低-高变幅疲劳试验．总结了实测等幅与变幅疲劳应变与变形模量的衰减规律,基于疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了两阶段的损伤演化方程,依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳累积损伤模型,并给出了利用本文模型进行疲劳损伤分析和剩余寿命预测的方法．模型预测的剩余寿命与实际试验结果的对比验证了模型的精度与有效性．