盐岩的压剪疲劳特性与位错损伤研究

 开展不同剪切角度的压剪试验和疲劳试验,研究压剪作用下盐岩的力学特性和晶体位错特性,基于损伤力学观点,建立以位错为量度指标的损伤关系模型。得到的主要结论有：(1) 大于45度角剪切时,盐岩晶体位错的滑滞阻力较小,盐岩抗变形能力、峰值应力和最大变形量均随着剪切角度的增大而减小。裂纹以剪切面附近扇形裂纹发育为主;(2) 疲劳寿命和循环荷载的上限应力水平相关。剪切角度不同时,若应力水平相同,则其疲劳寿命(循环数)基本相同;若应力大小相同,则剪切角度越大,疲劳寿命越短。(3) 变向剪切对盐岩的疲劳寿命影响巨大,使疲劳寿命下降90%以上。(4) 盐岩疲劳裂纹的成核和位错的不断挤入挤出有关,裂纹扩展是多滑移系交替滑移的结果。建立了基于位错理论的盐岩损伤模型,使损伤能从本质上表达盐岩的破坏过程。越大的疲劳损伤使盐岩的承载能力下降越明显。     

不同应力路径下深埋软岩力学特性试验研究

为探讨深埋软岩在不同应力路径下力学性质的差异,对取自丹巴水电站右岸平硐深埋软岩分别进行室内三轴加载试验和不同围压等级、不同卸荷应力水平、不同卸荷速率的恒轴压卸围压试验,并对岩样卸荷破坏面进行微观形貌扫描,分别探讨不同条件下岩样的变形、强度及破坏特征,结果发现:(1)相比三轴加载试验,同等级围压的软岩在卸荷条件下的强度、峰值应变及力学参数都有减小,应力–应变曲线从延性向脆性转换;(2)软岩峰值轴向应变、极限强度、残余强度与卸荷应力水平、卸荷速率均呈正相关性;(3)相比Hoek-Brown经验强度准则,Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述软岩强度特性,不同应力路径对抗剪强度参数影响有差异性,卸荷速率对c值的影响更为显著,而卸荷应力水平对?值的影响更为显著;(4)软岩加、卸载条件下都发生剪切破坏,加载时除主裂纹外基本没有衍生微裂纹,卸载时,低卸荷应力水平下岩样破坏后的次生裂纹更发育,且卸荷速率越大岩样破坏程度越强烈;低围压下卸荷破坏时,岩石断面微观形貌演化自由度较高,破坏面粗糙度大。     

考虑围压效应的修正软岩热弹黏塑性本构模型

 大量的软岩三轴剪切试验表明,不同的围压下,软岩力学特性变化非常大。随着围压的增加,软岩的应变软化和剪胀性变弱;当围压足够大时,甚至表现为应变硬化和剪缩。已有软岩热弹黏塑性本构模型针对不同的围压大小,需要设定不一样的参数,使其应用到数值分析上带来一定困难。为了能用统一参数来描述软岩受围压影响的力学性质,对已有的软岩热黏弹塑性本构模型进行修正。修正模型中所有参数都具有明确的物理意义且都可通过常规三轴试验确定。通过实验数据与计算结果对比,验证了修正本构模型的正确性。     

钢砼组合结构PBH剪力键的疲劳性能

为了研究钢箱-砼组合结构中PBH剪力键在反复荷载作用下的疲劳性能,设计制作了PBH剪力键试验模型,进行了24万次疲劳推出试验。在疲劳破坏形态和试验滑移及应变数据分析的基础上,利用数值工具开展肋板开孔孔径、穿入钢筋直径、混凝土强度3个参数的PBH剪力键疲劳寿命影响因素分析。研究表明:PBH剪力键的疲劳破坏形态与静载破坏相似,表观表现为混凝土面多处斜向劈裂裂缝、内部榫孔混凝土压碎、穿入钢筋局部屈服;疲劳破坏演化过程分为疲劳损伤开始、发展、破坏3个阶段,其中疲劳发展阶段占整个疲劳阶段的91.7%,结构刚度在疲劳损伤开始和发展阶段退化较慢,在疲劳破坏阶段退化较快;肋板开孔孔径、穿入钢筋直径、混凝土强度3个参数对PBH剪力键疲劳寿命影响均有明显影响,其中穿入钢筋直径对疲劳寿命的影响尤为突出。     

页岩烧结保温砌块砌体基本力学性能试验研究

通过对页岩烧结保温砌块砌体轴心抗压、沿通缝抗剪、剪压复合抗剪性能试验研究,分析其破坏特征和破坏机理。试验结果表明:页岩烧结保温砌块砌体受压破坏时,在竖向灰缝附近形成主裂缝,接近极限荷载时砌体出现表皮剥落现象;沿通缝抗剪破坏模式主要为单剪破坏,脆性明显;剪压破坏有剪磨、剪压和斜压3种类型;实测轴心抗压强度平均值高于规范值,沿通缝抗剪强度、复合抗剪强度平均值低于计算值,并分别给出砌体轴心抗压强度平均值、抗剪、剪压复合受力抗剪强度平均值建议公式;剪压复合抗剪强度随着压应力的增大而增大;建立了页岩烧结保温砌块砌体受压应力应变关系表达式;给出该类砌块的弹性模量和泊松比的建议值。     

水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐"变软"的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;(2)在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;(3)在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。     

钢丝裂纹扩展估算模型及其在预腐蚀疲劳寿命计算中的应用

为给桥梁缆索高强度钢丝损伤容限分析提供实用的裂纹扩展计算参数,根据钢材相关试验的结果统计了珠光体钢丝门槛值ΔKth和裂纹扩展计算数据,建立适用于不同屈服强度和应力比的钢丝裂纹扩展经验模型。在此基础上,提出基于一维裂纹扩展假定的预腐蚀钢丝疲劳寿命预测方法,并对锈蚀钢丝恒幅和变幅疲劳寿命进行实例分析。结果表明,珠光体钢材的屈服强度和门槛值之间的相关性随着屈服强度和应力比的提高而增强|提出的钢丝裂纹扩展模型和初始裂纹深度假定可较好地模拟腐蚀钢丝恒幅疲劳试验的离散性和疲劳极限性质|腐蚀钢丝变幅疲劳评估结果对门槛值变化较敏感|按保守门槛值的预测寿命显示,轻微均匀锈蚀钢丝若及时采取养护措施,可在桥梁常规检修期内继续使用。     

基于分数阶热弹塑性理论的软岩力学特性描述

软岩具有复杂的热力学行为,可能同时存在热增强和热减弱效应,即软岩的强度会随着温度升高增大或减小。为了描述软岩的力学特性,将其视作重超固结黏土,并假定其前期固结应力近似的等于单轴抗剪强度。基于分数阶热弹塑性理论,建立考虑温度影响的软岩分数阶下加载面模型,该模型能够在不引入塑性势函数的情况下统一描述相关联和非相关的流动法则。模型计算结果表明,软岩的热增强和热减弱效应与软岩的塑性流动方向和加载方向之间的夹角密切相关。在三轴压缩不排水试验过程中,采用非关联的流动法则会导致软岩的应力路径越过其临界状态线并最终达到临界状态,此时软岩的不排水剪切强度会随着温度的升高而逐渐上升;反之,则将观察到热减弱现象。此外,由于软岩的前期固结应力会随着温度的升高而减小,在p-q平面其初始下加载面可能会位于温度加载面外部,此时超固结比OCR将小于1。给出的模型能够合理地描述常温下太古石的三轴压缩排水试验结果,分析结果表明,软岩的应力-应变曲线具有应变硬化和软化特点,同时伴随着剪缩和剪胀现象的发生;针对不同温度下Ohya软岩的三轴压缩排水试验计算结果表明,随着温度的升高,软岩将逐渐由脆性破坏转变为延性破坏,其最终剪胀量也会随之减小。相比较修正剑桥模型,本文模型仅额外的引入了线膨胀系数aT和与软岩剪胀特性相关的模型参数m,两者具有明确的物理意义,可以通过常规的室内试验结果加以确定。     

软岩隧道锚渐进破坏演化特征的模型试验研究EI北大核心CSCD

针对软岩隧道锚的渐进破坏问题,通过相似模型试验,运用数字图像相关技术,研究软岩隧道锚承载全过程中岩体裂纹的起裂与渐进扩展演化规律。结果表明:软岩隧道锚的承载过程经历近似线弹性变形、非线性变形、塑性变形和完全破坏4种状态,隧道锚的渐进破坏由早期单一的岩体破坏转为岩体破坏及锚–岩接触面滑移–脱黏的双重破坏,具体为:塑性变形状态下隧道锚首先进入剪裂纹从锚体拱顶和底板后端的岩体中萌生的破坏阶段I;而后进入岩体压剪和拉剪破坏以及接触面滑移的双重破坏阶段Ⅱ;完全破坏状态下隧道锚进入裂纹延伸至地表及接触面脱黏的破坏阶段Ⅲ。锚体上部岩体中的裂纹在向地表延伸的过程中,经历剪切破坏→拉–剪复合破坏→拉伸破坏的演变,锚体下部岩体中的裂纹则以近似平行于锚体轴向的剪裂纹为主。地表裂纹自锚体在地表的投影处起裂,并经历拉伸破坏→剪切或拉剪复合破坏→拉伸破坏→拉剪复合破坏的演变过程。岩体内部被裂纹切割而成的块体形态,自锚体拱顶后端起向前由条状过渡为块状,相邻块体间的竖向位错值由后向前依次降低。岩体内部的裂纹随剥离深度的增大逐渐由上凸的喇叭状转变为下凹弧状,破坏区域向浅层地表和锚体拱顶前端收缩。     

混凝土多孔砖砌体材料抗剪性能试验研究

通过试验,系统研究了混凝土多孔砖的抗剪性能,提出了混凝土多孔砖砌体材料抗剪强度的计算方法,给出了灰缝的剪应力-剪应变本构关系计算模型,为制定<混凝土砖建筑技术规范>(CECS257:2009)提供了支持.结果表明:混凝土多孔砖砌体的抗剪强度大于同等级下普通砖砌体;抗剪强度随块型的不同而有少许差别;有初始压应力混凝土多孔砖砌体的抗剪强度较无初始压应力的小;有加载历史砖砌体的抗剪强度较无加载历史的大;压-剪复合作用下混凝土多孔砖砌体抗剪强度在一定范围内符合Mohr-Coulomb准则;灰缝剪应力-剪应变曲线的初始斜率较大,当接近破坏应力时,应变迅速增大,曲线接近水平.     

循环荷载下软黏土强度弱化研究及其动力计算应用

滨海软黏土在波浪循环荷载作用下会发生强度弱化,从而降低软黏土地基承载力,影响结构稳定性。以烟台港原状淤泥质粉质黏土为研究对象,通过室内动三轴试验,以围压、初始静偏应力、循环动应力和循环次数为试验变量,分析不同应力组合作用下的淤泥质粉质黏土的孔压发展规律和不排水抗剪强度弱化规律。根据孔压发展规律拟合出软黏土双曲孔压计算模型,同时利用等效超固结比理论,将得到的孔压模型和强度规律结合起来,提出了综合考虑围压、静偏应力、动应力和循环次数适用于整个动态循环过程的不排水抗剪强度弱化公式,并通过试验对公式进行了验证。最后将公式应用于烟台港防波堤数值模型的动力计算中。从试验到数模,比较完整地提出了一套便于应用于工程实践的考虑地基土体循环弱化效应的动力计算方法。     

基于断裂力学的焊接钢梁疲劳寿命数值分析

研究应用断裂力学理论和有限元方法来数值模拟和预测焊接钢结构疲劳寿命的方法。首先基于两种具有不同焊接构造细节的钢梁疲劳试验中裂纹形成位置和扩展途径,建立了基于应力强度因子概念的疲劳裂纹扩展模型及相关参数;然后讨论如何利用有限元软件ABAQUS进行疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘的单元网格划分和应力强度因子的J积分计算,给出了疲劳寿命预测计算流程。最后经预测结果与试验结果的比较,验证了焊接钢结构疲劳寿命的数值分析模型和方法的适用性。     

页岩烧结保温砌块超薄灰缝砌体剪压复合受力性能试验研究

为了解实际页岩烧结保温砌块房屋在横向荷载和竖向荷载共同作用下的受力性能,根据竖向压应力的不同设计并制作了6组36个剪压试件,通过自行设计的自平衡剪压加载装置进行页岩烧结保温砌块超薄灰缝砌体剪压复合受力性能试验。试验结果表明:剪压复合受力作用下试件分为剪摩破坏、剪压破坏和局部破坏3种破坏形态;根据剪压试验结果绘制了页岩烧结保温砌块砌体剪压相关曲线,并提出了剪压相关曲线方程;在该方程基础上,结合现有的变摩擦系数剪摩理论,得到页岩烧结保温砌块砌体静力抗剪强度计算式,并将该式与现有的砌体静力抗剪强度计算式进行比较,发现所提出的算式与试验结果符合较好,建议采用该算式作为页岩烧结保温砌块砌体静力抗剪强度计算表达式。     

高温后钢纤维混凝土压-剪复合受力研究

为研究高温后钢纤维混凝土压剪复合受力下的力学性能,以压应力比和温度作为参数,对20组钢纤维混凝土分别开展直剪试验和压剪试验,对比分析不同试件的破坏形态,探究了温度和压应力比对剪切强度的影响,并基于3种理论建立了高温后钢纤维混凝土压剪复合应力状态下的破坏准则。结果表明压剪复合受力状态下,混凝土剪切强度主要由接触摩阻力贡献,钢纤维混凝土峰值剪切强度随压应力比增大而增大,随温度升高而降低;随着压应力增大,剪切面上摩阻系数降低,峰值剪切强度增长幅度降低。依据试验数据,对比基于不同理论所建立的高温后钢纤维混凝土压剪破坏准则,考虑精确度和适用性,基于应力不变理论建立的破坏准则效果最好。     

基于扩展有限元的组合梁推出试验精细化分析

大量工程实践表明,组合梁的破坏主要源于抗剪栓钉的疲劳破坏。在疲劳荷载下,承受拉压循环应力的栓钉裂纹萌生、扩展至最终断裂,使钢梁与混凝土的组合作用失效,所以研究栓钉中裂纹萌生及扩展规律对实际工程具有重大意义。扩展有限元(eXtended Finite Element Method,XFEM)是近年来发展起来的一种求解涉及移动非连续问题的有效方法。基于ABAQUS平台利用此方法建立了组合梁推出试验的模型,进行了静力承载力以及疲劳寿命分析,模拟了栓钉中裂纹从萌生到断裂失效的过程,并根据计算结果拟合推出了试验中栓钉的应力幅-寿命曲线,与试验结果及相关规范进行了对比。结论表明扩展有限元的方法具有较强的裂纹模拟能力,计算方便,结果精确,可推广应用于此类断裂问题。     

层状软岩力学特性现场试验研究

水布垭水电站地下厂房薄层页岩、粉砂岩互层岩体及层间剪切带属于层状软岩，针对其进行原位承压板法变形试验、直剪试验及三轴试验，对通过不同试验得到的力学参数进行了对比分析，结果表明：变形模量的围压效应明显，通过三轴试验得到的变形模量大于承压板法变形试验的变形模量，且随围压的增加而变大；三轴试验有整体拉裂破坏和较软层首先拉裂而导致破坏两种破坏方式；通过三轴试验求出的抗剪强度参数明显大于以层面为剪切面的直剪试验抗剪强度参数。     

考虑围压依存性的软岩结构性下加载面模型

软岩具有典型的弹塑性变形特点,同时由于其内部的胶结作用具有较强的结构性,因此将软岩视作结构性超固结黏土。软岩残余强度随围压变化是软岩峰后力学特性的一个显著特性,在实际工程中具有显著的意义。通过对孔隙比之差的概念进行扩展,使之能够同时考虑软岩的结构性和超固结性,并且给出合理的发展式。通过引入结构性下加载面的概念,在剑桥模型的基础上建立起软岩的结构性下加载面模型。该模型能够反映围压对软岩结构性破坏速率的影响,最终导致不同围压下软岩达到残余强度变形阶段时所保留的残余结构性存在差异,使得软岩的残余强度随围压变化。将理论计算结果与软岩的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明该模型能够较好的描述软岩的应变硬化和软化特性及体积变形剪胀特性,同时能较好的描述软岩的残余强度随围压变化这一力学特性,并给出合理解释。     

烧结多孔砖砌体复合抗剪机理与强度

通过90个烧结多孔砖砌体三砖模型在不同轴压比下的抗剪试验,初步探明了多孔砖砌体在剪压复合受力下的破坏形态及破坏机理。经对试验数据的回归分析得到抗剪强度计算公式,并与实心砖砌体进行了比较分析,揭示出砖孔洞对砌体复合抗剪能力的影响规律,从而对剪压复合受力理论及抗剪强度计算方法进行了补充与发展,给出了相应的算式。     

长期循环荷载作用下温州结构性软黏土的应变特性研究

针对软黏土存在的结构性特征,在不同围压下对天然温州软黏土进行了不排水静剪和大数目（50000次）循环加载试验,研究了结构性对土体强度的影响,并进一步分析了结构性软黏土在长期循环荷载作用下的应变特性。研究表明：围压较低时,土体的结构性在固结过程中没有或很少被破坏,软黏土表现为较高的归一化强度;随着围压的增大,归一化强度逐渐降低;当围压高于土体屈服压力时,土体结构性在固结过程中被完全破坏,此时土体的归一化强度达到稳定值,与重塑土强度相同。这种特性使得软黏土在循环加载试验中,即使在相同动应力比（mtml_13-0310_bak/img_0.png26.013.95= 0.45）下,不同围压下的应变行为也表现出明显的不同。这种区别表现在应力-应变滞回曲线、回弹特性和累积塑性应变等方面。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。