软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

石墨化碳素钢室温压缩过程中的不均匀变形行为

将0. 46%含碳量(质量分数)的石墨化碳素钢在万能材料试验机上进行室温压缩变形,试验钢表现出良好的压缩变形性能.根据载荷-位移曲线的变化特点,试验钢的压缩变形过程以位移7. 0 mm(对应相对压下量为58. 3%)为节点分为两个阶段:在位移≤7. 0 mm的压缩阶段,载荷呈线性增加,压缩试样的鼓度值逐渐增加而达到一个极大值(14. 6%),压缩试样中心位置的维氏硬度增幅最大,为38. 1 HV,至位移7. 0 mm时试样端面径向伸长率的增幅为34%;而在位移> 7. 0 mm的压缩阶段,载荷呈指数增加,压缩试样的鼓度值从极大值开始逐渐减小,至位移为10. 72 mm时(相对压下量为89. 3%),试样端面的径向伸长率相比于位移7. 0 mm时增加了83. 1%,压缩试样的中心位置的维氏硬度增幅最小,为32. 7 HV.上述试验数据表明,在位移≤7. 0 mm的压缩过程中,压缩试样内的三个不均匀变形区的位置与传统压缩模型一致,但是当压缩变形进入位移> 7. 0 mm的压缩过程中,试样中心位置已不再是传统压缩模中变形程度最大的变形区了,即在这个阶段试样中的3个不均匀变形区的变形程度发生了改变.正因这种不均匀变形区变形程度的改变导致了变形过程中载荷的急剧增加和鼓度值的减低.另外,在压缩变形过程中,三个不均匀变形区中石墨粒子的微观变形量总是高于铁素体基体,其原因之一可以归结为石墨粒子中层与层之间容易于滑动的结果.     

某下承式系杆拱桥吊杆锚固区局部受力分析

以某跨径为130m的下承式钢梁钢拱肋系杆拱桥为工程背景,建立精细化的局部有限元模型,分析其吊杆-系梁锚固区和吊杆-拱肋锚固区在外力作用下的局部变形和应力状态。结果表明:(1)在最不利荷载组合作用下,吊杆-系梁锚固区最大位移为0.55mm,吊杆-拱肋锚固区最大位移为0.36mm。(2)在最不利荷载组合作用下,吊杆-系梁锚固区最大应力为217MPa,吊杆-拱肋锚固区最大应力为184MPa,均出现在吊耳板的销孔内部。此外,锚固区横隔板、系梁、加劲梁应力均不超过100MPa。锚固区各部件强度均符合规范设计要求。     

车辆荷载作用下综合管廊变形特性研究

为研究城市综合管廊在车辆荷载作用下的变形特性,建立了综合管廊-路基土-车辆荷载有限元模型,并通过数值模型计算与实测结果对比分析,探讨了行车速度、车辆荷载加载位置对综合管廊顶板位移的影响规律。研究表明,车辆动载作用下管廊会产生明显的动位移,以行车速度60km/h为例,其增量幅值为静载作用的33.10%,加载6s后管廊振动趋于平稳;跨度最大舱中跨中位置竖向位移最大,沿顶板向两侧减少;车速越小,管廊顶部的竖向位移越大;存在最不利加载位置,即当车辆荷载位于管廊边侧墙正上方时,管廊顶板左右侧竖向位移差最大,达到了4.46mm,在综合管廊设计和施工中应引起注意。     

围压及钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学特性的影响

对钢纤维掺量(体积分数)分别为0%,0.3%,1.0%,1.7%,2.4%的活性粉末混凝土(RPC)圆柱体试样(φ43.6×130mm)在5档围压(0,10,20,40,70MPa)下进行了常规三轴试验.结果表明:围压对RPC试样的抗压强度、变形能力及破坏形态影响显著;在单轴加载时,钢纤维掺量对RPC试样的抗压强度、变形能力及破坏形态都有影响;在轴向加载过程中维持围压分别为10,20,40和70MPa时,钢纤维仅对RPC试样的破坏形态有影响,对其抗压强度和变形能力几乎没有影响.分别用Mohr-Coulomb准则与Willam-Warnke模型拟合了所测抗压强度数据,拟合结果表明Willam-Warnke模型能更好地描述RPC试样的抗压强度发展规律.     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

三维岩样单轴压缩自由面剪应变率及位移分布数值模拟

以往FLAC对岩样变形、破坏进行数值模拟主要是针对平面应变二维问题,离三维岩样单轴压缩的试验条件还有不少差距。因此,本文采用FLAC-3D研究了三维岩样在单轴压缩及强烈端面约束条件下,自由面的剪切应变率、离面位移及面内位移的分布及演变规律,研究了自由面垂直对称轴上定点位移随时步的演变规律。在应力峰值之前及之后,本构模型分别取为线弹性及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明:在应力–时步曲线的应力峰值之前,自由面上的剪切应变率由均匀向不均匀分布转变;在应变软化阶段,试样的变形由对称性向非对称性转变。通过分析各个自由面的剪切带图案发现,在试样内部形成了两个空间剪切带,其中一个更占优势。在试样变形的对称性丧失之前,三维离面及面内位移曲面是光滑的、平坦的;在对称性丧失之后,三维曲面已变得凹凸不平了。在剪切带的位置,面内位移有显著的改变。自由面垂直对称轴上的离面位移在应力–时步曲线应力峰值之前发生了分离,而水平及垂直位移–时步曲线转折于应力峰值稍后或应变软化阶段。从离面位移易于识别出试样破坏的前兆。此外,在应变软化阶段,随着时步的增加,还观测到了离面位移的三种不同的变化规律:基本保持不变、增加及降低(反弹)。     

深埋隧道围岩及支护结构稳定性分析

运用FLAC3D应变软化模型,模拟分析了共和隧道深埋段某断面围岩及支护结构稳定性以及围岩塑性区的变化特点,结果表明:(1)拱顶位移>拱腰位移>拱脚位移,拱顶最大位移量约20 mm,底板有膨胀现象,但其绝对位移较小,为4.5 mm;(2)随着掌子面的向前推进,模拟特征断面上围岩及支护结构的位移及应力均有所增加;当掌子面与特征断面之间的距离大于30 m时,特征断面上各特征点的位移及应力基本趋于稳定,拱顶、拱腰和拱脚的位移收敛值分别为18 mm、15 mm及10 mm,竖向应力收敛值分别为31 MPa、22.5 MPa及7.5 MPa,水平应力收敛值分别为8.1 MPa、6.0 MPa及2.5 MPa。     

基于精细化数值模拟的EPS轻质土宏细观变形机理研究

EPS轻质土是双固相组分（水泥土与EPS颗粒）、具有特殊细观结构的混合土。当前对其宏观力学特性研究较多，而对细观力学响应规律研究甚少。为此，分别在Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型框架内，基于水泥土和EPS材料试验结果规律总结，发展了二者的简单实用本构模型；基于水泥土和EPS材料界面剪切试验，总结了界面剪切硬化/软化规律；对EPS轻质土三轴剪切试验进行精细化数值模拟，再现了EPS轻质土宏观应力-应变响应规律和试样变形模式。基于精细化模拟分析发现，EPS轻质土的整体剪切、局部鼓胀、整体均匀3种宏观变形模式是细观力学响应的结果，EPS颗粒与水泥土两种材料力学特性的差异引起试样内部应力、应变的非均匀分布，EPS颗粒的非均匀排列强化应力、应变非均匀分布程度，两种因素共同决定试样宏观变形的非均匀性。     

基于ABAQUS的泡沫混凝土棱柱体数值模拟

通过微机控制电液伺服机(300k N)对150mm×150mm×300mm泡沫混凝土棱柱体进行了轴心单轴压缩试验,测得泡沫混凝土弹性模量、应力-应变本构关系等力学性能。在ABAQUS中建立与实验尺寸相同的泡沫混凝土棱柱体三维模型,并设置泡沫混凝土材料本构关系参数。对模型采用时间-位移的线性加载方法进行了单轴轴心压缩模拟,以验证ABAQUS中泡沫混凝土模型的正确性。通过对模型输出的荷载-时间曲线、荷载-位移曲线、应力-塑性应变曲线分析表明,设置的ABAQUS泡沫混凝土模型能较好地模拟泡沫混凝土轴心单轴压缩实验结果。     

循环荷载下断续裂隙岩体的变形特性

断续裂隙岩体在地震、波浪冲击、动力机器运转等动力循环荷载作用下的疲劳特性是岩石力学的一个基础课题。采用预制断续裂隙类砂岩模型试样单轴动循环加载试验,借助测试到的荷载–位移曲线从不可逆变形与总变形随循环次数的演化规律入手探讨了含2、3条裂隙试样循环荷载下的疲劳变形规律,并对影响裂隙试样疲劳变形的加载频率、循环荷载水平及裂隙空间位置等因素进行了讨论分析。研究发现:断续裂隙岩体的疲劳变形演化规律与完整岩石、完全离散的节理化岩体一致,均可划分为3个阶段:初始变形阶段、等速变形阶段与加速变形阶段;其疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限荷载在静态荷载–位移曲线峰值后区对应的变形量相当;同时,断续裂隙岩体疲劳变形除受加载频率及荷载水平的影响之外,还受到裂隙空间位置的明显影响。     

循环荷载下黏性土单轴拉伸特性试验研究

为研究循环荷载对黏性土单轴拉伸特性的影响规律,利用自主研发的新型土工单轴拉伸试验仪对3种不同循环荷载作用下黏性土的单轴拉伸特性进行了试验研究。研究结果表明:不同循环荷载作用下,黏性土单轴拉伸的应力-变形关系曲线均产生滞回圈;3种循环荷载作用产生滞回圈的形状、面积及位置不完全相同;3种循环荷载作用均对黏性土的单轴抗拉强度及峰值位移产生影响,但影响程度不同;3种循环荷载作用所产生滞回圈的卸载模量均大于再加载模量,且二者均大于同等应力下的初始加载模量。     

含孔洞岩石试样三维破裂过程的并行计算分析

岩石破裂过程中裂纹的萌生、扩展、贯通和相互作用都呈空间三维分布，采用三维数值模拟才能更真实地模拟岩石的破裂过程。基于东北大学的大规模并行计算环境，利用 RFPA ^3D -Parallel 程序进行了含孔岩石试样在单轴、双轴和三轴加载条件下破裂过程的数值模拟。数值模拟表明：①数值模拟再现了单轴载荷作用下孔洞周边裂纹区的分布规律，这证实了数值模拟程序的正确性；②在双轴压缩载荷作用下，试样的承载能力的提高非常有限，含孔试样的破裂模式为劈裂破裂，破裂面大致平行于加载平面；③在三轴压缩条件下，试样的承载能力大幅度提高，试样的破裂模式与最大主应力的作用方向有关，在平行于孔轴的高压应力和侧向约束条件下孔周围岩才会发生分区破裂。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

实时温度下花岗岩动态压缩破坏特性试验与数值研究

为了研究黑云母花岗岩热动力学性能,对不同实时温度(20℃,100℃,200℃)下的花岗岩试样力学响应和破坏过程进行了室内试验和数值模拟分析。结果表明:在所研究的温度范围内,20℃时岩样的抗压强度和弹性模量值最大,100℃时最小,且100℃下岩样的破碎程度比20℃和200℃的明显偏大;随着加载速率的提高,应力–应变曲线上的峰值应力和峰值应变增加,岩样内部裂纹演化及破坏程度也随之增大;低加载率时试样周边易萌生裂纹,高加载率下试样内部裂纹在加载初期甚至也可被激活;所提出的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型参数确定方法是可行的,数值模拟能较好地描述热处理岩样在冲击荷载作用下力学特性;HJC模型与相关失效准则相结合,能逼真地展现岩样动态压缩破裂过程及其形破坏态变化。     

偏心加载钢筋混凝土结构破坏过程的数值模拟

用材料破坏过程分析系统MFPA2D(material failure process analysis)数值模拟方法对钢筋混凝土桥墩在偏心加载条件下的受力、变形与内部裂缝萌生、扩展及最终破坏的全过程进行了数值模拟.数值模型中引入了统计分布函数,反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹脆性本构模型及破坏单元材料性质退化方法,利用偏心加载方式对钢筋混凝土构件实施加载.数值试验得出的荷载-位移曲线及破坏模式图与文献的试验结果较接近,数值试验还给出了试件破坏过程图及应力分布图,再现了整个破坏过程,而且通过对模型中受拉区2个多单元信息剖线的提取,对剖线中不同位置点应力随加载步的变化情况进行了研究和分析,揭示了结构破坏的机理.数值试验结果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律有参考价值.     

现场裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统研制与应用EI北大核心CSCD

为突破能反映岩体特性、岩体结构、初始应力及应力路径等多因素交互影响的水岩作用机制试验研究瓶颈,研制HMTS–1200型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统。该试验系统由高水压密封试验舱系统、试验荷载加载与反力系统、耐高水压变形测量系统、高精度伺服控制系统等组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)采用试样外封闭思想,构造直径为1.6m水压力密封试验舱,模拟裂隙岩体水压力环境,将岩体试样与力学试验装置整体置于试验舱内开展力学试验;(2)试样尺寸310 mm×310 mm×620 mm,试验轴向荷载12 000 kN,侧向荷载3 000kN;(3)实现高水压下岩体变形直接测量,变形传感器耐水压力3 MPa,测试分辨率0.001 mm,线性度小于0.05%。利用该系统开展玄武岩在不同荷载组合下的水力耦合试验。试验结果表明,水压力的力学效应与岩体试样的变形响应与岩体结构特征、初始应力状态和水力变化路径有关。水压力对试样的力学作用主要表现为两种形式的力学作用及其相互耦合,一种是作为附加面力施加于试样表面,压缩岩体;另一种是水渗入裂隙中产生渗透水压力,降低裂隙面的有效应力,引起裂隙剪切错动和岩样膨胀变形。该设备的成功研制可为高坝水库蓄水及运行引起的库岸岩体变形及诱发滑坡等复杂环境裂隙岩体水力耦合问题和工程应用研究提供新的试验手段。     

非贯通裂隙岩体单轴压缩破坏的数值模拟研究

为了研究非贯通裂隙岩体在单轴压缩荷载作用下的损伤破坏情况,采用二维的真实破裂过程分析软件RFPA2D进行了相应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:(1)由于RFPA2D软件考虑了岩石材料的非均匀性,所以模拟出的宏观单轴抗压强度小于细观单元平均单轴抗压强度;(2)在弹性加载阶段,最大剪应力的最大值出现在预制的两条裂隙的尖端,随着轴向应力的不断增大,最大剪应力的最大值也随之不断增大,待加载到峰值附近,宏观裂隙形成;(3)破坏过程声发射模拟结果,有效地反映了预制非贯通裂隙岩样在受到单轴压缩荷载时,内部累积损伤、形核、宏观裂纹出现直至断裂失稳的过程。     

单裂隙砂岩蠕变模型参数时间尺度效应及颗粒流数值模拟研究

深部高应力环境下硬岩的蠕变变形不可忽略,尤其是裂隙岩体的蠕变变形。为研究含裂隙硬岩的长期蠕变变形行为及蠕变模型,采用高速水射流技术在红砂岩试样中预制了一条贯穿的α=45°单裂隙。确定了该裂隙岩石在围压30 MPa下的三轴压缩强度,采用单级加载方式对试样进行长期压缩蠕变试验,蠕变应力水平约为峰值偏应力的80%。试验结果表明:经历539 h(约22 d)的含45°单裂隙红砂岩只出现衰减和稳态蠕变变形,未发生加速蠕变破坏。为描述裂隙岩石的蠕变变形,在Burgers模型基础上基于有效应力原理建立了考虑损伤的蠕变模型。通过最小二乘法得到的蠕变模型参数显示出显著的时间效应,据此提出了考虑时间尺度的损伤蠕变模型,该模型可以描述裂隙岩石在不同时间尺度下的蠕变变形。最后,采用颗粒流程序PFC~(2D)对试样的三轴压缩及蠕变进行了数值模拟,数值计算结果与试验结果吻合程度较高。研究工作为进一步研究裂隙硬岩的蠕变变形和模型提供了一定的参考价值。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。