考虑体积塑性应变的岩石损伤本构模型研究

采用Eshelby等效夹杂方法建立岩石弹塑性损伤本构模型是一种有效方法,但相关文献目前还极少。在连续介质损伤力学框架内利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了考虑损伤相塑性体积变形的岩石的Helmholtz自由比能函数。利用连续介质损伤力学方法推导出了考虑损伤相塑性变形的岩石损伤本构关系,给出了损伤演化方程和塑性应变发展方程。并通过数值模拟证实该模型能够反映岩石体积塑性应变、损伤的变化规律和损伤部分不能承受拉应力等力学特性。     

含损伤复合材料的湿热弹性响应

依据不可逆热力学理论, 未引入任何附加假设, 建立了湿热弹性各向异性损伤复合材料的一般理论。应用建立损伤本构方程的本构泛函展开法, 推导出湿热弹性损伤材料全部本构方程的一般形式, 其中包括比自由能密度表达式、 应力-应变关系、 熵密度方程、 损伤应变能释放率表达式、 吸湿对偶力表达式、 湿-热-固-损伤耦合的热传导方程和损伤演化方程。研究表明, 在本构方程中含有若干损伤效应函数, 表征损伤对材料宏观力学性能与湿、 热性能的影响, 其具体形式可由细观力学解确定, 从而使连续损伤力学与细观损伤力学有机结合在一起。最后, 从细观力学与实验观测两个角度, 举例说明损伤效应函数与系数张量的确定方法, 为分析变温变湿环境下复合材料的损伤问题提供重要的理论依据。      

含椭球夹杂耐热梯度功能材料细观结构优化应力方程

梯度功能材料具有复杂的细观结构组合方式,对其进行细观力学的研究是当前的主要发展方向。本文作者对非均质、耐热、含椭球夹杂梯度功能材料的细观结构与性能进行了分析,研究其细观力学建模和在机械/热载荷下的损伤演化和破坏。结果可应用于多相夹杂梯度功能材料的细观应力分析和细观性能预测,并均以显式给出,以便于工程应用。     

水分与冻融环境下岩石动态拉伸试验及细观分析

利用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率及冻融环境下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察(SEM),立足于细观尺度分析断口形貌特征,并对断口裂隙网络进行量化处理。试验结果表明:饱水、冻融循环处理均会削弱岩样的静动态拉伸强度,其中动态拉伸强度表现出显著的应变率增强效应;基于动态拉伸强度定义软化系数与抗冻系数,该软化系数随应变率的增长近似指数下降,而抗冻系数随应变率的增长近似指数上升;红砂岩破坏断口细观形貌特征主要有3类,分别对应不同的宏观力学性质。以裂隙网络的面积作为损伤变量,探究动态劈拉破坏中的水-应变率效应、冻融-应变率效应对岩石内部损伤扩展的影响,并基于此分析了不同状态下红砂岩的动态劈裂破坏机理,对寒区岩体工程的建设、后期维护具有一定指导意义。     

基于变分渐近法预测饱和多孔介质流固耦合性能的细观力学模型

饱和岩土类多孔材料内固、液相不同属性产生的各向异性和多孔微结构的不均匀性使得材料的细观力学特性计算变得十分复杂。为准确预测岩土类材料的有效弹性性能和细观应力-应变场,基于Biot多孔弹性介质理论,建立可描述岩土类多孔材料固液相运动的能量泛函和相应的多孔弹性本构关系;利用细、宏观尺度比作为小参数将能量变分泛函渐近扩展为系列近似泛函;以场变量波动函数为未知量,通过解决近似泛函的最小化问题(驻值问题)得到波动函数的解析解,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型,并通过有限元技术得以数值实现。多孔介质材料细观力学特性算例表明:与经典均匀化理论(将液体类比为具有较高泊松比的固体材料)相比,基于变分渐近均匀化细观模型预测的多孔介质材料细观力学特性更精确,尤其是能准确重构多孔微结构内局部应力-应变场分布,为损伤破坏、局部断裂分析奠定了坚实基础。      

混凝土冻融损伤演化方程的初步建立

冻融是造成混凝土内部损伤的重要因素之一,目前越来越多的研究学者使用残余应变来表征由冻融引起的混凝土内部损伤程度。本文通过作图分析残余应变的变化规律,建立了残余应变变化规律演化方程,并对该演化方程及其参数进行了分析和准确性验证。结果显示,混凝土的残余应变随着冻融循环的进行而逐渐增大,残余应变变化规律演化方程能够反映其变化规律;该演化方程可分为单段变化模式和双段变化模式,双段变化模式比单段变化模式更符合冻融损伤的机理;利用该演化方程计算的混凝土各冻融阶段的残余应变计算值和实测值之间具有较高的吻合度,对建立混凝土冻融损伤寿命预测模型具有一定的指导意义。     

ECC单轴受拉损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

通过单轴拉伸试验,讨论了PVA纤维体积掺入量和水胶比对工程用水泥基复合材料(ECC)受拉力学性能参数(开裂应变、开裂应力、峰值应变、峰值应力、极限应变以及应力-应变关系曲线)的影响规律。基于此,从损伤力学的角度讨论了ECC在单轴受拉过程的开裂前阶段、应变硬化阶段以及应变软化阶段的损伤演化机制。进而,基于ECC受拉损伤演化机制提出ECC受拉损伤本构模型,并给出模型相关参数的计算方法,分析表明:该文提出损伤模型得到的ECC受拉损伤演化曲线能更为合理的描述ECC的损伤演化全过程。最后,该文损伤模型计算的ECC受拉应力-应变关系曲线和试验曲线对比结果表明,所提出的模型能够合理的描述ECC受拉非线性应力-应变关系特征,且具有良好的精度。     

冲击荷载作用下混凝土缺陷模型细观损伤演化定量分析

通过对传统数字混凝土模型的改良,建立了带有内部缺陷的数字混凝土模型,在对内部缺陷分区的基础上,结合双折线损伤演化模型,对试件在三种速率冲击荷载作用下的细观损伤、应力和应变的分布规律进行了讨论,并对结果进行了定量描述,建立了混凝土材料细观损伤与宏观裂纹演化之间的联系,为混凝土材料的物理试验和在工程中的应用起到了辅助作用。     

爆炸载荷作用下的岩石损伤断裂研究

岩石爆破机理是一个复杂的问题,目前理论研究还不是很成熟。根据以往经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,是无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;采用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程。岩石爆破损伤断裂机理是由岩石爆破机理和岩石细观损伤力学理论组成的。本文在分析研究现有岩石爆破模型的基础上,指出了现有的岩石爆破损伤模型存在的不足及发展方向;并进行了水中爆炸实验,分析了激波对水泥试样的损伤特性。     

爆炸载荷作用下的岩石损伤断裂研究

岩石爆破机理是一个复杂的问题,目前理论研究还不是很成熟。根据以往经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,是无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;采用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程。岩石爆破损伤断裂机理是由岩石爆破机理和岩石细观损伤力学理论组成的。本文在分析研究现有岩石爆破模型的基础上,指出了现有的岩石爆破损伤模型存在的不足及发展方向;并进行了水中爆炸实验,分析了激波对水泥试样的损伤特性。     

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。     

冻融损伤低矮RC剪力墙数值模拟方法

出于冻融环境下RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,通过理论分析与试验回归相结合的方法对8榀冻融损伤低矮RC剪力墙拟静力试验结果进行分析,得到了综合考虑冻融损伤参数和轴压比影响的低矮RC剪力墙剪切恢复力模型,进而提出了考虑不均匀冻融损伤分布组合剪切效应的低矮RC剪力墙数值模拟方法。通过模拟结果与试验结果对比发现:采用该模拟方法得到各试件的滞回曲线、骨架曲线以及最终破坏时的累积耗能均与试验结果符合较好,表明该文所提出的数值模拟方法可较为准确地反映冻融损伤低矮RC剪力墙的力学性能和抗震性能,可用于严寒地区在役RC剪力墙结构的抗震性能评估。     

围压下岩石的冲击力学行为及动态统计损伤本构模型研究

采用改进后具有主动围压加载装置的f100mm 分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,研究了斜长角闪岩在不同围压等级(0MPa~6MPa)和不同应变率(50s-1~170s-1)下的冲击压缩力学性能。试验结果表明:在相同围压下,斜长角闪岩的动态抗压强度随应变率的增加而近似线性增加,动态增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,体现了显著的应变率相关性;在同等级应变率范围内,随着围压的增加,岩石的增强效果逐渐增强,显现出较强的围压效应。采用组合建模的方法,将统计损伤模型和粘弹性模型相结合,建立了基于Weibull 分布的动态损伤本构模型。验证发现,修正后的模型曲线和试验曲线吻合较好,表明所构建本构模型是合理的,可为进一步研究和工程应用提供一定的参考。     

冲击荷载作用下花岗岩动力特性试验分析

利用SHPB试验设备,研究花岗岩在不同冲击气体压力下的压缩力学性能,讨论岩石类材料的应力-应变特性和破坏过程。结果表明,花岗岩的平均应变率与冲击气体压力有明显相关性,在不同冲击压力下,应变率时间历程曲线明显不同;岩石的应力-应变曲线可分成初始压密、稳定变形、非线性弹性与破坏4个阶段,且冲击气压存在一个使岩石破碎效果明显的合理值;其破坏形式大多以沿轴向的劈裂破坏为主,但在较高的冲击气压作用下,岩石则呈压碎破坏形式。     

不同超低温温度区间冻融循环作用混凝土受压强度试验研究

通过混凝土经历3种温度区间（10~℃-40℃、10~℃-80℃和10~℃-160℃）的冻融循环作用试验,探讨不同的超低温温度作用区间对混凝土受压强度的影响。结果表明:经历不同超低温温度区间各种冻融循环作用次数的试件,上下限温度时加载的破坏形态虽基本上呈对顶锥状,但其破坏过程声响和破坏状况等不尽相同;经历超低温冻融循环作用混凝土的受压强度变化规律明显不同于遭受自然环境温度下冻融作用,各超低温温度区间的冻融循环作用影响也不同。下限温度较高温度区间的冻融循环作用初期,混凝土受压强度将提高,但之后随冻融循环作用次数的增加呈波动状的恶化态势;不同超低温温度区间的混凝土单次冻融循环作用损伤指标和累积冻融循环作用损伤指标存在明显的差异。对于下限温度较高的温度区间,下限温度时它们经历较多次冻融循环作用后仍为正值,而下限温度较低的温度区间则经历数次冻融循环作用后便始终为负值,表明混凝土累积损伤较前者严重。这些结果可为可靠地进行液化天然气储罐类混凝土结构设计提供参考。     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

Laboratory investigations on the mechanical properties degradation of granite under freeze-thaw cycles

To understand the deteriorate characteristics of granite in cold regions, the influences of freeze-thaw cycles on the mechanical properties need to be investigated. The rock specimens (biotite granite from Tibet in China) were frozen and thawed in a temperature and humidity controlled container where the temperature varied from + 40 to − 40 °C and the humidity was kept at 100% continuously. The freeze-thaw tests were conducted for one cycle including 4 h of freezing and 4 h of thawing, and the number of cycles was from 0 to 150. The deterioration of the specimens was examined by the changes of strength, deformation characteristics, elastic modulus, cohesive strength and internal frictional angle in a series of uniaxial and triaxial compression tests. The experimental results show that (1) the axial strain corresponding to the peak stress increases with an increasing of confining pressure and freeze-thaw cycles; (2) The compressive strength decayed exponentially with the number of freeze-thaw cycles, as well as elastic modulus and cohesive strength; (3) the internal frictional angle remained constant in the process of freeze-thaw cycles; (4) The interrelation among compressive strength, confining pressure and number of cycles can be described by Mohr-Coulomb strength criterion.     

Strain and damage sensing properties on multifunctional cement composites with CNF admixture

Both strain and damage sensing properties on carbon nanofiber cement composites (CNFCCs) are reported in the present paper. Strain sensing tests were first made on the material’s elastic range. The applied loading levels have been previously calculated from mechanical strength tests. The effect of several variables on the strain-sensing function was studied, e.g. cement pastes curing age, current density, loading rate or maximum stress applied. All these parameters were discussed using the gage factor as reference. After this first set of elastic experiments, the same specimens were gradually loaded until material’s failure. At the same time both strain and resistivity were measured. The former was controlled using strain gages, and the latter using a multimeter on a four probe setup. The aim of these tests was to prove the sensitivity of these CNF composites to sense their own damage, i.e. check the possibility of fabricating structural damage sensors with CNFCC’s. All samples with different CNF dosages showed good strain-sensing capacities for curing periods of 28 days. Furthermore, a 2% CNF reinforced cement paste has been sensitive to its own structural damage.     

钢筋混凝土柱冻融损伤模型研究

为研究冻融后钢筋混凝土柱在地震作用下的响应,根据冻融损伤在构件截面分布的不均匀性,基于纤维截面分析方法,提出可考虑该分布的混凝土强度退化模型,以及等效冻融循环次数的计算方法。根据8榀考虑冻融影响的钢筋混凝土柱拟静力加载试验数据,对该文提出的模型进行了验证,同时与既有考虑冻融的混凝土模型进行了对比分析。结果表明:与未考虑冻融损伤分布的既有模型相比,该文模型的计算承载力较小,与试验数据吻合更好,即能够更准确地模拟不同程度冻融损伤后钢筋混凝土柱的地震反应。