岩石时-温等效原理的理论与实验研究——第一部分:岩石时-温等效原理的热力学基础

第一部分基于不可逆过程热力学内变量理论，对岩石类材料进行了系统的非线性热力学分析，建立了非线性应力－应变－温度方程，得到了岩石时－温等效原理的一般理论表述，同此表明了岩石时－温等效原理的客观存在。     

花岗岩时-温等效原理的进一步验证

考虑岩石材料蠕变特性的时间、温度的相关性，认为岩石蠕变与应力水平、材料组成、温度、时间有关，相同应力水平下的同种岩石的蠕变具有时间．温度等效效应。通过采用国际上公开发表的花岗岩蠕变的相关试验结果(温度变化为20～400℃)，分析了花岗岩蠕变的时-温等效性，计算出相应的水平移位因子并获得了其蠕变柔量的主曲线。     

基于能量原理的岩石损伤研究

岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料,由于岩石力学性质的复杂性,目前还没有建立成熟和实用的岩石损伤演化模型。针对前人模型存在的问题,以岩石的各向同性弹性损伤为例,根据最小耗能原理,在应变等效原理前提下提出了一种新的损伤演变模型,同时给出了岩石损伤临界值的计算方法。最后采用室内试验和数值分析软件分析花岗岩从细观损伤到宏观破坏的整个过程,得出了整个过程中的轴向应力应变关系曲线,并将其与经典的Marzars损伤理论、数值模拟曲线进行对比研究,发现基于最小耗能原理的损伤演变方程更能反映岩石的损伤过程,且更符合实际情况。     

岩石力学原理

本文结合工程实际论述了岩石力学的原理和岩石力学中新的研究方向与方法,文中把完整岩石受压时的应力应变曲线与地下洞室的开挖过程联系起来;基于岩石中的破裂或非连续性,提出了岩样基本特征体积的概念;解释了地应力测量中的若干力学问题;强调了岩石力学中各种因素的耦合作用及其矩阵表示方法。     

超高速弹撞击岩石的地冲击效应等效计算

本文主要研究岩石中超高速撞击与浅埋爆炸的等效转换计算方法。基于超高速动能弹丸撞击岩石的地冲击效应与岩石中浅埋装药爆炸效应的相似性,将表面弹坑作为引起地冲击的震源,根据超高速撞击弹坑与浅埋爆炸弹坑辐射出的地冲击能量相等条件,建立超高速撞击与装药爆炸的地冲击效应的等效关系。通过理论推导,得到超高速撞击效应的等效装药量与无量纲撞击速度的关系,并给出能量换算系数与无量纲撞击速度的简化表达式。依据超高速弹体撞击花岗岩的试验结果,证明等效装药爆炸与超高速撞击的地冲击应力波形十分吻合,验证等效方法的有效性。计算分析表明当弹丸撞击速度足够大(Ma≥1.5)时,可以进行爆炸等效转换,撞击速度不断增大时,等效装药量不断增大,能量换算系数不断增大。根据本文提出的地冲击效应等效计算方法,得到5,10,15马赫撞击速度下不同弹丸质量与最小防护层厚度间的关系曲线。     

岩石统计损伤本构模型及其参数反演

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较大,因此应选取合适的岩石破坏准则。运用岩土工程反演分析方法,求解了本构模型中的统计分布参数,使所得的统计损伤本构模型能够考虑应力状态对模型曲线的影响。与前人理论曲线和试验结果的比较表明,所建立模型合理且具有工程实用价值。     

遥感-岩石力学（V）——岩石粘滑过程中红外辐射的影响因素分析

利用双轴加载实验装置和热红外成像仪器对岩石剪切滑移过程中的红外辐射进行了成像实验。研究表明，摩擦速率、正应力、摩擦面粗糙度、岩石强度与矿物颗粒硬度是影响岩石粘滑过程红外辐射的重要因素：(1)摩擦以等速率进行时，岩石摩擦裂隙表面平均红外辐射温度的时间曲线为直线型，局部最高温度的时间曲线为3次曲线型，而岩石表面平均红外辐射温度与所受机械功线性相关。当所受机械功相等时，摩擦速率越高，温升幅度越小；(2)红外辐射强度与正应力线性相关；(3)摩擦面粗糙度对平均红外辐射温度影响不大，但对局部最高辐射温度影响较大；(4)岩石强度或其矿物颗粒硬度越高，红外辐射温度就越高。     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

岩石损伤演化的能量方法研究

 岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料，其力学性质非常复杂，因此，目前尚无成熟的岩石损伤演化模型。为了解决这个难题，基于各向同性损伤的基本假设，采用最小耗能原理，以应变等效原理为前提，提出一种从能量角度进行描述的岩石损伤演变模型。最后，通过分析花岗岩从细观损伤到宏观破坏的整个试验过程，得到基于能量原理的花岗岩损伤演变方程，并将其与经典的Marzars损伤理论进行对比研究，发现基于能量原理的损伤演变方程能更合理地描述岩石的损伤发展过程，且与试验得到的岩石破坏过程更加吻合。     

沥青混合料松弛特性的时间-温度-老化等效关系

通过不同老化程度和不同温度下AC-13C型沥青混合料的应力松弛试验,结合时间-温度的等效关系原理和WLF公式分析,得到了不同老化程度沥青混合料的松弛模量主曲线簇及其黏弹性参数值;以材料黏度的自由体积理论为基础,推导出了沥青混合料的老化程度与温度、时间之间的等效关系式,并通过已有应力松弛试验数据进行了验证.结果表明:老化后的沥青混合料应力松弛特性可以用未老化沥青混合料在较低温度或较低荷载作用时间下的性能来分析.     

Effizienzsteigerung von Textilbeton durch Einsatz textiler Bewehrungen nach dem erweiterten Nähwirkverfahren

Textilbeton ist ein neuer, effektiver und sehr innovativer Baustoff zur Verstärkung von Tragwerken. Im Rahmen der laufenden Forschung stehen die weitere Verbesserung des Verstärkungsverfahrens und die stetige Weiterentwicklung der Faser‐Matrix Kombination im Mittelpunkt der Untersuchungen. Aufgrund der hohen Garnzugfestigkeiten sind bei Verwendung textiler Bewehrungen aus Carbon sehr effektive Verstärkungen herstellbar. Bei ungünstiger Konfiguration der textilen Bewehrungen können jedoch verbund‐ und festigkeitsschädigende Rissbildungen innerhalb zugbeanspruchter Textilbetonbauteile auftreten. Diese Rissbildungseffekte werden in Abhängigkeit von der Belastung maßgeblich durch die wirkenden Verbundkräfte und die verarbeitungsbedingte Garnwelligkeit beeinflusst. Dabei ist die Gefahr eines Verbundversagens durch Delamination besonders in den Bereichen der Lasteinleitung in die textile Bewehrung, wie z. B. Endverankerungen und Übergreifungsstößen, kritisch. Dies führt zu einer Reduzierung der nutzbaren Zugtragfähigkeit der textilen Bewehrung im Gesamtbauteil. Um die Effizienz der textilen Bewehrung zu erhöhen, wurde daher ein verbessertes Textilherstellungsverfahren auf Basis der Nähwirktechnik entwickelt. Dadurch wird die ungünstig wirkende Garnwelligkeit deutlich reduziert. Der vorliegende Aufsatz beschreibt vergleichende Untersuchungen der Verbund‐ und Festigkeitseigenschaften zugbeanspruchter Textilbetonbauteile. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Entwicklung des erweiterten Nähwirkprozesses ein maßgeblicher Schritt im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Textilbetons erreicht werden konnte. Efficiency Increase of Textile Reinforced Concrete by Use of Textile Reinforcements from the Extended Warp Knitting Process The composite material textile reinforced concrete (TRC) is a new, effective and very innovative method for the strengthening of load bearing structures. Apart from further improvements to the strengthening methods, a continual further development of the fibre‐matrix combination is at the centre of ongoing research. Due to the high tensile strengths of textile reinforcements made of carbon, it enables very effective strengthening of concrete constructions. However, if the textile fabrics are unfavourably configured, bond and strength damaging crack formations within TRC members can occur. Depending on the load, these crack formation effects are substantially influenced by the bond and the size of yarn undulation, which depends on the processing of the fabric. The danger of bond failure by delamination, which particularly occurs in areas of concentrated load introduction into the textile reinforcement, such as final anchorages and overlaps, is especially critical. It results in a reduction of the usable tensile load bearing capacity in the entire member. For this reason, an improved textile manufacturing method based on warp knitting technology was developed. By means of this method, yarn undulation can be reduced considerably. The article on hand describes comparative examinations of the bond and strength properties of tensile loaded TRC elements. The results show that the development of the extended warp knitting process was a substantial step toward a further improvement of the properties of TRC.     

Feuchtesensoren in der Bauwerksüberwachung

Die Bestimmung des Wassergehalts und insbesondere der orts‐ und zeitabhängigen Feuchteverteilung in Baustoffen hat in der Forschung, Baustoffentwicklung, Bauwerksdiagnose und Bauwerksüberwachung einen besonderen Stellenwert. Bei der Untersuchung von Schadensursachen muss an Bauwerken in der Regel die Baustofffeuchte mit bewertet werden, da sowohl wesentliche Baustoffeigenschaften als auch die Dauerhaftigkeit von Bauwerken in entscheidendem Maße von deren Wassergehalt abhängig sind. In jüngster Zeit werden Feuchtesensoren eingesetzt, um die Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Instandsetzungs‐ bzw. Schutzmaßnahmen zu kontrollieren. Dies soll es dem Bauherrn ermöglichen, rechtzeitig Maßnahmen einleiten zu können, bevor Schäden infolge von Wasser‐ bzw. Chloridzutritt auftreten können. Condition Assessment with Moisture Sensors The determination of the water content in construction materials and in particular with regard to its depth and time dependent distribution is of high interest in the area of research, material development and condition assessment of structures. The assessment of the reason of damages mostly require to regard the moisture content of structures, because the moisture content basically affects material properties and the durability of structures. Recently moisture sensors have been used to control the functionality and durability of repair and protection measures. This enables the owner to carry out accurately timed measures to prevent damages due to the ingress of water and chlorides.     

Umlagerungsverhalten von Plattentragwerken aus Stahlfaserbeton

Das Tragverhalten von Platten aus Stahlfaserbeton ist von starker Nichtlinearität durch Rissbildung und großen traglaststeigernden Umlagerungen geprägt. Für ihre Berechnung und Bemessung wird ein nichtlineares Verfahren vorgestellt. Es basiert auf einer elasto‐plastischen Schädigungsbeschreibung des Faserbetons mit eingebetteter Betonstahlbewehrung und einer Finite Elemente Diskretisierung des Stabstahls und der Platte mit regularisierter Verschmierung der Rissbildung im Elementnetz. Das Verfahren wird an einer punktgestützen Stahlfaserbetonplatte eines Großversuchs angewendet und verglichen mit anderen gängigen Methoden, nämlich einer linear‐elastischen Schnittgrößenermittlung bzw. der Bruchlinientheorie. Zur Bemessung erweist es sich als sehr geeignet, allerdings – ähnlich den beiden anderen Verfahren – abhängig von der angenommen Rissbildung, der Nachrisszugfestigkeit und geometrischen Größen. Redistribution Effects of Steel Fibre Reinforced Concrete Slabs Numerical Computation and Design The bearing behaviour of steel fibre reinforced concrete (SFRC) slabs is mainly affected by nonlinearity due to cracking and redistribution effects leading to an increased bearing capacity. A nonlinear approach for structural analysis and design of such structures is presented. It is based on an elasto‐plastic damage theory to model material behaviour of SFRC and allows for additional embedded rebars. By adopting a finite element discretisation of the slab structure a regulated smeared modelling of cracking is achieved. Further the nonlinear model is applied to a full scale test of a SFRC flat slab structure and results are compared to alternative already well established methods, namely a linear elastic analysis and the yield line theory. The proposed method is proven to be very suitable for design but – alike the alternatives – depends on assumed crack patterns, residual tensile strength of the SFRC and geometrical parameters.