岩样单轴拉伸损伤不均匀性分析——第一部分：基本理论

研究了损伤变量(率)的局部化特征。基于非局部理论，将损伤变量作为非局部变量，它与局部损伤变量及其二阶梯度有关。岩石的本构关系取为双线性应变软化。利用弹性区与损伤局部化区域交界处的交界条件(局部损伤变量为零)及损伤局部化区域的宽度为局部损伤变量达到最大值时所对应的宽度的假设，得到了应变软化阶段局部损伤变量、局部损伤变量率及损伤局部化区域的宽度的解析解。此外，在应变软化阶段，拉应力、拉应变及非局部损伤变量的关系与经典损伤模型在应变软化阶段的定义方式不相同，其差别在于非局部损伤变量前的系数是2而不是l。这样定义的优越性是可以保证局部损伤变量的最大值为l，意味着在损伤局部化区域的中部试样完全被拉断，与人们的常识相符。局部损伤变量在损伤局部化区域的平均值就是非局部损伤变量，而且，最大局部损伤变量是平均损伤变量的2倍。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力-应变曲线

基于梯度塑性理论，考虑了应变局部化，提出单轴拉伸条件下岩样全程应力一应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成：可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律，弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关，局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设，在峰后线性应变软化本构关系的情形下，得到全程应力一应变曲线的解析解。通过与DeBorst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比，分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力-应变曲线的影响。研究有关的本构参数（弹性模量及软化模量）及试样高度对全程应力-应变曲线的影响。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力–应变曲线

基于梯度塑性理论,考虑了应变局部化,提出单轴拉伸条件下岩样全程应力–应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成:可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律,弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关,局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设,在峰后线性应变软化本构关系的情形下,得到全程应力–应变曲线的解析解。通过与De Borst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比,分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力–应变曲线的影响。研究有关的本构参数(弹性模量及软化模量)及试样高度对全程应力–应变曲线的影响。     

多孔介质岩土材料剪切带孔隙特征研究(1)——孔隙度局部化

基于梯度塑性理论，分析了剪切局部化引起的剪切带内部孔隙度的不均匀性。以剪切带内部的微小单元体为研究对象，假设剪胀引起的局部塑性剪切应变与局部塑性体积应变成比例，比例系数为扩容角，得到了局部孔隙度的解析解。结果表明，剪胀后的孔隙度、孔隙比、孔隙度增量、孔隙比增量、孔隙度变化率及孔隙比变化率均具有局部化特征，在剪切带中部其值最大。在应变软化过程中，剪切带内部的孔隙度、孔隙比、孔隙度增量及孔隙比增量越来越不均匀。随着剪应力卸载率的增加，孔隙度变化率及孔隙比变化率越来越明显。内部长度越小，剪胀后剪切带内部孔隙比梯度越大。内部长度不影响剪切带内部最大孔隙比，而剪切降模量则影响剪切带内部最大孔隙比和孔隙比梯度。     

不同应变率下混凝土受压损伤试验研究

通过在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室的大型静动态电液伺服试验系统上对普通混凝土受压试件在应变率为10-5/s～10-2/s范围内进行动态单轴直接抗压试验,分析了动态荷载下混凝土的抗压强度、弹性模量以及临界应变随应变率的变化规律,结果表明,混凝土的弹性模量随应变的增加而增加,混凝土的抗压强度和临界应变与应变率之间呈线性关系,并给出了抗压强度、临界应变受应变率影响的经验公式;以切线模量的退化来量度损伤,从损伤的角度分别在应力和应变空间分析了混凝土动态损伤槛值随应变率的变化规律和混凝土的动态损伤演化规律。研究表明,随着应变率的增大,混凝土损伤应力槛值增加,但损伤应力槛值与最大应力的比值变化不大,损伤应变槛值及其与临界应变的比值随着应变率的变化影响不大;在相同的应力比或应变比条件下,混凝土损伤值随着应变率的增加而减小。     

岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究

 岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。     

CRTSⅠ型CA砂浆动态受压损伤试验

在电子万能试验机上对现场取样的水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)试件在应变率1×10-5～1×10-2S-1下进行动态单轴抗压试验,分析了动态荷载下CA砂浆的抗压强度、弹性模量及临界应变随应变率的变化规律.结果表明:CA砂浆的抗压强度随应变率的增加而增大,CA砂浆的抗压强度、弹性模量及临界应变与应变率之间呈幂函数关系,并给出了抗压强度、弹性模量及临界应变受应变率影响的经验公式.以切线模量的退化来度量CA砂浆的损伤程度,分析了CA砂浆动态损伤槛值随应变率的变化规律:当加载到相同的应变时,应变率越低,CA砂浆的损伤程度越严重;随着应变率的增大,CA砂浆损伤应力槛值及损伤应变槛值均增大;当应变率较高时,应变率对损伤应力槛值与平均抗压强度的比值和损伤应变槛值与平均临界应变的比值影响不大.     

原状黄土硬化屈服的损伤试验研究

进行了原状黄土三轴剪切试验过程中的CT扫描,结合CT数据与应力-应变曲线,利用损伤理论方法解释了土硬化屈服破坏过程。提出了损伤应力和应变门槛值的确定方法,并定义了六种损伤变量(横观各向同性有效弹性模量损伤变量、简单有效弹性模量损伤变量、密度损伤变量、体积损伤变量、体积密度损伤变量、面积密度损伤变量),在此基础上得出了硬化屈服损伤过程中的损伤演化曲线和演化方程。     

岩石损伤力学模型分析

采用作者曾建立的损伤力学模型，分析了岩石全应力—应变曲线的峰值点参数；用数学方法证明了损伤变量定义的随意性和不同损伤变量的等效性，说明了同一数学模型可用不同的方式表示；给出了损伤变化速率曲线，分析了其变化特点及其与全应力—应变曲线的关系，解释了岩石试验中声发射规律。     

砖混再生粗骨料混凝土损伤本构关系EI北大核心CSCD

为了研究取代率和配合比设计方法对砖混再生粗骨料混凝土力学性能的影响,采用应变等价性原理并基于Weibull函数分布建立了砖混再生粗骨料混凝土损伤本构模型,并结合分布参数与取代率的函数关系,修正了损伤本构模型,探讨了损伤变量和损伤变量发展速率与应变的关系.结果表明:本构模型曲线与试验曲线的相关性较高,模型参数a,b与取代率之间满足二次函数关系,分别反映了峰值应力、峰值应变和混凝土的脆性;砖混再生粗骨料混凝土的总损伤D由初始损伤DR和荷载损伤DC组成,掺入砖混再生粗骨料对混凝土造成了初始损伤,总损伤变量随应变增加呈S型单调递增,损伤变量发展速率呈先增大后减少的趋势;砖混再生粗骨料混凝土的配合比设计方法对其损伤程度和损伤变量发展速率有一定影响.     

混凝土损伤模型在ANSYS上的实现

随着混凝土结构损伤的产生和发展,将引起弹性模量等材料参数的一些变化,造成应力与应变场的重新分配。将损伤变量引入应力与应变场的计算中,采用含损伤的本构方程对结构进行分析。虽然有限元软件ANSYS本身不具有非线性的损伤模型,但可通过其二次开发语言APDL实现混凝土结构在软件上的损伤分析。本文利用语言编程,把混凝土分段曲线损伤模型应用到某地下工程衬砌结构的有限元损伤分析中。     

干湿交替对地基岩体变形影响及模量损伤

为明确开挖地基岩体所处环境湿度干湿交替作用对其力学特性损伤劣化作用,设置4种工况8组方案共24试样,探究了泥质粉砂岩在此因素下的变形规律及模量损伤程度。结果表明,与开挖初始状态相比,当环境湿度干湿循环变化时,泥质粉砂岩受荷变形显著增大,且其塑性变形比例增大,变形模量及永久变形模量显著降低。泥质粉砂岩岩体模量受干湿循环作用损伤劣化的程度,取决于不同应力状态塑性变形增量大小,其塑性变形增量与干湿循环次数符合对数变化规律。将岩体塑性变形增量作为干湿循环作用下岩体力学性质损伤变量,当采用刚性承压板法测定岩体模量时,建议将损伤变量、变形模量与永久变形模量相结合来评价环境湿度干湿作用对红层地基岩体模量损伤规律。     

拉伸载荷下准脆性材料微裂纹损伤宏细观损伤变量关系初探

给出一种建立拉伸载荷下准脆性材料微裂纹损伤宏细观损伤变量关系的方法,用于发展连续损伤力学和细观损伤力学思想相结合的损伤力学模型。通过假设宏观损伤分析和细观损伤分析所得到的有效模量等价得到宏细观损伤变量的联系,将宏观损伤变量赋予与细观损伤机制相关的物理意义,并以单轴拉伸为例表明这种分析方法的可行性。     

基于黏弹特性的沥青疲劳损伤演化规律分析

以疲劳过程中沥青黏弹本构模型参数的变化分析沥青的疲劳机理.首先,结合常规疲劳损伤试验和频率扫描试验设计了循环频率扫描-疲劳试验,并采用该试验测试分析了2种基质沥青在应变控制模式下的疲劳损伤演化规律;其次,建立了沥青损伤过程中黏弹参数主曲线簇变化规律,结合广义Kelvin-Voigt模型分析了沥青黏弹模型特征参数的变化规律;最后,基于敏感性分析,提出沥青疲劳损伤变量指标,并以此阐述了沥青疲劳损伤演化规律.研究发现:沥青疲劳损伤过程中,随着归一化模量值的降低,沥青黏弹参数主曲线簇均向纵坐标轴反方向移动,且其移动间距不断变化,相位角主曲线簇在高频范围内逐渐偏离低频范围时的线性趋势,复数模量-相位角主曲线簇曲线长度呈现两端先缩短后增长的趋势,沥青损耗模量-储存模量主曲线簇长度不断缩短;广义Kelvin-Voigt模型特征参数中仅E_2,E_3,E_4和η_0这4个参数存在2个明显的变化阶段.基于参数敏感性分析,提出以参数(E_2+E_3)/2作为沥青疲劳损伤变量,并验证了疲劳损伤变量变化规律与沥青疲劳裂纹扩展机制的相关性.     

不同损伤程度下橡胶改性再生骨料混凝土的阻尼特性

资源化利用废旧轮胎制备的再生橡胶颗粒和废弃混凝土制备的再生骨料是建筑材料可持续发展的重要途径之一。橡胶改性显著影响再生骨料混凝土(RAC)的阻尼特性和损伤发展。考虑橡胶取代率、硅烷偶联剂和消泡剂等因素影响,采用悬挂自由振动法,测试橡胶改性再生骨料混凝土(RRAC)经历不同应力幅值单轴受压循环加载后的一阶固有频率和阻尼比,定量评价其动态弹性模量和耗散模量,揭示RRAC阻尼特性随损伤指数的演变规律。研究结果表明：无损伤状态下,随橡胶取代率增加,RRAC一阶阻尼比增加10.2%～30.6%,动态弹性模量降低4.2%～22.0%;而硅烷偶联剂浸泡预处理橡胶颗粒及外掺消泡剂可提高RRAC动态弹性模量5.1%～21.0%,但其一阶阻尼比降低7.1%～17.2%。RRAC损伤指数随应力幅增加先快后慢地增加,与RAC变化趋势相反,且高于RAC损伤指数,这归因于橡胶颗粒的薄弱界面;RRAC一阶阻尼比随损伤指数增加呈线性增大。10%橡胶掺量可同时提高RRAC一阶阻尼比和耗散模量,增加RRAC的耗能能力。     

岩体在冲击载荷作用下的各向异性损伤模型及其应用

建立了一个各向异性的损伤模型，用于描述岩土工程中预留岩体在冲击载荷下的损伤演化特征。以二阶张量为损伤变量，推导了依赖于损伤变量的弹性模量表达式，利用一个等价状态，建立损伤岩体的本构关系。为了反映冲击载荷下岩石材料的应变率敏感性，对损伤的门槛值进行粘性调整。研究结果表明，该损伤模型能够模拟岩石材料在冲击载荷下的损伤特征，可以为岩土工程中经历过冲击扰动作用的岩体的稳定性分析提供理论依据。     

季节性冻土区水泥固化土冻融损伤模型

为探究水泥固化土在冻融循环作用下的疲劳损伤发展规律,基于对比不同水泥掺量改良土的应力-应变关系曲线,定义了水泥土强度损伤破坏方式;结合冻融损伤试验结果,分析了冻融损伤内部缺陷产生和发展的过程;以弹性模量作为损伤变量,得到了以弹性模量表征的水泥固化土冻融损伤模型;通过对试验数据的拟合,得到了各试验参数.采用其他地区不同试...     

混凝土单轴动态受拉损伤试验研究

混凝土结构在使用过程中,都要遭受地震、爆炸、冲击等动态荷载作用,在动态荷载作用下,混凝土的动态特性及损伤特性将发生很大改变.通过在MTS试验机上对普通混凝土受拉试件在应变率10-5%～10-1/s范围内进行动态单轴直接拉伸试验,以切线模量的退化来量度损伤,从损伤的角度把混凝土受拉应力一应变上升段曲线分为3个阶段,即初始损伤未发展阶段、损伤稳定发展阶段、损伤不稳定阶段.研究表明,随着应变率的变化,损伤未发展阶段的最大应力水平也随之增加.同时分析了动态荷载下混凝土的抗拉强度、弹性模量、临界应变及泊松比的变化,结果表明混凝土的弹性模量和泊松比随着应变率的增加变化不大;混凝土的抗拉强度、临界应变与应变率之间呈线性关系,并给出了抗拉强度、临界应变受应变率影响的经验公式.     

盐冻环境下氧化石墨烯混凝土力学损伤试验研究

为了研究盐冻循环作用对氧化石墨烯(GO)混凝土力学性能的影响,分别对GO混凝土进行0、50、100、150、200次快速冻融循环,对经历不同盐冻循环的试件进行了单轴压缩试验,研究了盐冻循环后试件的质量变化和应力-应变曲线等的变化规律,在此基础上分析了盐冻循环作用下,GO混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:随着盐冻次数的增加,GO混凝土劣化模式表现为砂浆脱落、微裂纹扩展、剥蚀和块状脱落等多种形式相结合;试件的应力-应变曲线随着盐冻次数的增加趋于扁平,峰值应力逐渐减小,峰值应变逐渐增加,弹性模量显著减小;此外,GO混凝土盐冻损伤变量与冻融循环次数呈良好的指数关系。     

冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究

为探究冻融及轴向载荷作用下灰岩力学特性演化规律及内部细观结构渐进损伤特征,开展不同冻融循环次数灰岩单轴声发射试验,获得相应的物理力学参数,分析声发射信号与冻融灰岩内部微裂纹活动的相关性,定量研究冻融灰岩损伤累积变化规律,阐明冻融灰岩损伤劣化机制。结果表明：随着冻融次数的增加,灰岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低,冻融80次后分别折减61.43%,48.42%,17.33%,峰值应变点逐渐后移;声发射振铃计数变化过程可分为平静阶段、增长阶段、陡增阶段;随着冻融次数增加,灰岩单轴声发射信号活跃且呈局部高密度释放特征,声发射b值呈“V”型变化,动态b值局部突降表明大尺度裂纹产生,灰岩内部裂纹类型由剪切裂纹向拉伸裂纹阶段过渡,对应岩样由剪切破坏转为劈裂破坏;冻融0,10,20次灰岩损伤变量呈突变或渐进突变特征,冻融40,60,80次灰岩损伤变量呈分段渐进式增长;水冰相变引起孔隙结构体积膨胀、孔隙局部冰结造成的细观水压致裂现象及自由水动力学响应是造成灰岩冻融损伤的主因。