一种考虑裂缝扩展路径的混凝土细观数值模拟方法

文章提出一种能够考虑混凝土裂缝扩展过程中绕过骨料或穿过骨料发展的细观数值模拟方法。首先,回顾了用于类混凝土材料I-型断裂分析的自洽有限应力模型的基本原理;进而,采用有限元分析方法,从局部能量等效和宏观力学等效两个维度验证了基于自洽有限应力原理建模和常规建模之间的等效性;最终,发展了基于自洽有限应力原理和细观裂缝扩展路径准则的数值模拟方法,在细观尺度上实现模拟混凝土裂缝绕过骨料发展和穿过骨料发展等细观断裂破坏行为。文章研究成果可为后续发展基于细观尺度断裂破坏准则的高效数值分析方法奠定基础。     

温湿度耦合效应下早龄期混凝土的相对湿度场

早龄期混凝土温度和相对湿度的时间空间变化规律是揭示混凝土早期开裂的关键。为此,建立了早龄期混凝土温度湿度耦合作用分析模型,采用无条件稳定向后差分格式,考虑水化作用、自干燥作用、温湿度扩散作用以及温湿度耦合机制,分析早期混凝土相对湿度的时间空间变化规律,定量揭示相对湿度的空间不均匀性,分析了水灰比、环境相对湿度以及表面水分交换系数等对相对湿度及其空间变化规律的影响。与实验结果的对比验证了模型的合理性,结果表明:温湿度扩散作用对相对湿度的影响随距扩散表面距离的增加而减小,水灰比对相对湿度的影响与位置无关,而环境相对湿度和表面水分交换系数主要影响混凝土扩散表面附近的相对湿度场。     

冻融循环作用下岩石表面裂纹扩展过程细观研究

对页岩进行冻融循环试验,借助激光扫描显微镜对岩石在垂直和平行层理两个方向上的表面裂纹的扩展过程展开细观研究。采用数值模拟对冻融循环作用的温度应力分布、裂纹扩展过程及其机制进行研究。研究结果表明：裂纹深度、裂纹宽度和表面积比均随着冻融循环次数的增加而增大。部分颗粒在冻融循环作用下会发生破碎和崩落。垂直层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较小,曲线较平缓。而平行层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较大,曲线较陡。层理面表现出较为明显的弱面特征。裂纹更容易沿着层理面扩展。裂纹的形成和扩展会导致应力场的重分布。应力集中现象出现在层理面与表面的交界处。表面裂纹大都发端于表面层的自由边界,而后向内部扩展。     

温度应力作用下混凝土裂缝分析及COMSOL仿真模拟

以经典传热方程为理论基础,结合COMSOL三维热固耦合方法与实测数据,对混凝土受热膨胀产生裂缝进行了模拟分析及计算,得到了混凝土内部温度、最大主应力和最高温度随外界温度变化的函数关系:混凝土温度与外界环境温度的温差最小时,其最大拉应力最小。这一结果能为大体积混凝土施工提供实践指导,合理选择施工周期可以控制混凝土裂缝的产生。     

基于裂缝扩展的堆石料流变细观模型

根据堆石颗粒破碎具有时间效应的特点来研究堆石料的流变性质。首先建立了基于亚临界裂缝扩展的堆石流变细观模型;其次研究流变数值试验的模拟方法,确定合理的颗粒破碎模式,根据两步循环判定法的思想计算宏观时间,并编写了相应的颗粒流程序;最后结合室内流变试验,开展单轴压缩条件下数值流变试验,拟合室内流变试验曲线,确定细观参数。计算表明：数值试验与室内试验流变曲线发展趋势基本一致;颗粒破碎模式对结果有一定的影响,越接近块体实际情况,模拟结果越好;流变的大小主要由瞬时颗粒破碎决定;流变的长期性由微裂缝扩展导致的延时颗粒破碎造成。     

基于细观尺度的混凝土热膨胀性能研究

用细观力学方法对混凝土有效热膨胀系数和温度应力进行研究,提出了有效热膨胀系数理论公式.同时假定混凝土为骨料和砂浆组成的两相复合材料,用代表性体积单元(RVE)建立混凝土三维随机椭球形骨料模型,并对此模型进行有效热膨胀系数和温度应力的数值计算.将所提出的有效热膨胀系数理论公式、其他经典理论公式与数值计算结果对比后发现:对于混凝土有效热膨胀系数的预测,所提出的混凝土有效热膨胀系数理论公式预测精度最高,自洽法次之,而稀疏解法精度较低且只适用于骨料体积分数较小的情况.提出的理论解与数值计算结果吻合较好,其误差随骨料体积分数的增大而增大;当骨料与砂浆的弹模比小于1时,理论解小于数值计算结果,当弹模比大于1时,理论解大于数值计算结果.     

考虑细观裂纹分形扩展的损伤多尺度分析

依据焊接区细观裂纹扩展形态的分形特征,建立了分形损伤变量,推导了应变—损伤耦合本构方程,结合多尺度数值分析模型,研究了焊接构件从细观裂纹开始到构件断裂的跨尺度损伤演化过程,结构表明:数值模拟结果与实验观测相一致,分形损伤变量具有正确性和合理性。     

静水压力环境下混凝土裂缝扩展长度试验研究

混凝土裂缝扩展一直是工程界研究的热门课题,而水压下混凝土裂缝扩展的研究对于混凝土坝的安全运行有着极为重要的作用。基于此背景,开展了大型混凝土试件在水压装置作用下的裂缝扩张长度的研究,通过全桥应变连接的试验方法和双K断裂理论,分别得到了裂缝扩展长度,并根据对应长度计算了失稳断裂韧度和黏聚断裂韧度。结果表明裂缝扩展长度在两种方法下的误差较小。断裂韧度的最大误差相对较大,但平均误差仍在工程允许范围内。     

剪切荷载作用下砂岩细观开裂扩展演化特征研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置,对砂岩在剪切荷载作用下微裂纹的开裂扩展过程及其破坏后细观裂纹的分布特征进行试验研究,同时借助图像处理技术,探讨砂岩在剪切荷载作用下微裂纹的时空演化规律。研究结果表明：在剪切荷载作用下,砂岩试件外观损伤在加载过程中的大部分阶段不明显,而砂岩的开裂扩展在相对较短的时间内完成,且开裂扩展过程中产生的变形较小,其明显的开裂扩展过程多发生在峰值应力后的破坏阶段,且总体上是自下往上发展的;砂岩断裂破坏过程中既有绕晶破裂,也有穿晶破裂产生,但其开裂扩展主要产生于颗粒边界和胶结物中,这主要是该破裂方式需要消耗的能量较少;由于受砂岩表面矿物颗粒的排列组合方式、胶结程度等因素的影响,细观裂纹的开裂扩展方向具有一定的不规则性,与预定的剪切面方向有一定程度的偏差。     

混凝土的裂缝扩展与断裂

一、引言由于混凝土具有不均匀性和有微裂缝存在,所以其断裂过程是复杂的。断裂路程可能穿过水泥浆,穿过骨料,穿过水泥浆和骨料的界面。断裂路程的组合视各组成部分断裂表而能而定。试验表明断裂韧性K_(IC)能反映出有裂缝的材料在受外力作用时的性状。因此,为控制混凝土的质量,进行其断裂性状的研究就显得很有必要。笔者在本文中就这方面的几篇文献作了简要的综述。二、在混凝土文献中常见的断裂力学公式     

钢纤维混凝土中裂缝扩展研究

研究钢纤维混凝土中裂缝扩展规律,对钢纤维混凝土应用有重要意义。文章介绍了钢纤维混凝土开裂的过程与特点、阻裂机理、断裂模型,并概述了裂缝扩展表征与测试方法以及钢纤维对裂缝扩展的影响,为钢纤维混凝土应用提供参考。     

周期性温湿度作用下混凝土体积变形试验研究

为研究周期性温湿度作用下混凝土体积变形规律,该文设定周期性温湿度变化环境,对三种不同水灰比混凝土内部温湿度分布及体积变形进行试验研究。试验结果表明:周期性温湿度条件下,混凝土边界处相对湿度随龄期的增长而呈逐渐下降趋势,而混凝土中心位置相对湿度缓慢降低,混凝土内外形成湿度差,且随龄期的增长而逐渐增大。对于养护28d以后的混凝土,在周期性温湿度变化条件下,不同水灰比混凝土收缩变形均随着周期性温湿度变化而周期性变化,且变化幅度随龄期的增长而逐渐缩小,并逐渐趋于稳定;高温低湿环境对低水灰比混凝土收缩变形影响较大,低水灰比混凝土在高温作用下其膨胀变形更大。     

基于裂缝扩展准则的混凝土重力坝裂缝扩展全过程数值分析

将裂缝扩展准则应用于混凝土重力坝裂缝扩展全过程分析,结合虚拟裂缝模型计算了经典混凝土重力坝模型的断裂特性,并与其他数值方法进行了对比.结果表明:利用该数值方法得到的混凝土重力坝模型的外荷载-裂缝口张开位移曲线及裂缝扩展路径与试验结果均吻合良好;当给定了混凝土材料的起裂断裂韧度、断裂能、抗拉强度等参数后,即可采用该数值方法对混凝土重力坝裂缝扩展全过程进行分析.     

从混凝土温湿度变化谈裂缝控制对策

1混凝土温度变化及其影响因素
　　混凝土亦适用于一般固体冷缩热胀的原理。因此混凝土体积亦会随温度变化而改变。混凝土发生温度变化的原因在于水合作用初期所产生热量较高,受制于本身导热不良,无法由热传导作用将热量完全移除至大气或其他介质,故热量逐渐于混凝土内累积,温度亦随之升高,水合作用逐渐减缓,所累积的热量又逐渐由混凝土内部传导至温度较低的外界环境,混凝土温度于是随之缓缓下降,直至与外界温度达到平衡为止。     

谈变形作用下混凝土结构裂缝

结合工程实践经验,参考国内外文献,对现浇混凝土结构中变形作用引起的裂缝的成因、影响因素和裂缝形态进行了初步的探讨和总结,以期有效防止混凝土结构裂缝的形成。     

考虑渗流–应力耦合作用的裂缝扩展追踪分析模型

应用无单元法,考虑渗流场与应力场的耦合作用,对岩体内初始裂缝的扩展进行追踪。应力场和渗流场的耦合作用通过以渗透压力和渗透系数为交互因子的迭代计算考虑,其中裂缝区还考虑了裂缝中水对缝壁的拖曳力。首先采用断裂力学最大周向正应力理论,对裂缝的继续开裂扩展做出判断,并确定开裂角,然后对新的结构再进行渗流-应力耦合分析,直至裂缝稳定为止。算例分析表明,所建数值模型能较真实地反映水流对裂缝扩展的影响,并能较好地模拟渗流-应力耦合作用下的裂缝扩展过程。     

张拉作用下页岩裂缝扩展演化机制研究

为深入认识张拉作用下页岩裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应,通过三点弯曲和巴西劈裂试验,系统研究张拉作用下不同层理方位页岩裂缝的扩展演化形态,探讨裂缝的扩展演化机制及其层理方向效应。结果表明:(1)三点弯曲时,裂缝沿Arrester方位扩展时,会出现弱层理开裂和断裂路径偏移,易分叉、转向形成复杂的扩展形态;裂缝沿Divider方位扩展时,会出现断裂路径偏移,易剪切转向;裂缝沿层理扩展时,断裂路径为层理,较平直,无转向现象。(2)巴西劈裂时,层理方位对裂缝的起裂点、起裂机制、扩展路径和扩展机制等影响较大;垂直或斜交层理加载时,裂缝多自加载鄂起裂,扩展路径一般呈弧形,多伴随沿层理和贯穿层理的剪切破裂,且扩展中张拉和剪切断裂此消彼长,共同控制裂缝的扩展形态;仅Short-Transverse方位裂缝自圆盘中心起裂,扩展路径为层理,无转向现象,为纯张拉裂缝。(3)张拉裂缝沿层理扩展时,应力能促使其转向;而当张拉裂缝垂直或斜交层理扩展时,易出现分叉、转向和弱层理开裂等复杂扩展行为,形成相对较复杂的扩展形态;裂缝的复杂扩展行为与受力条件、裂缝与层理的相对方位直接相关,层理和受力条件对裂缝的扩展起主控作用。     

天然裂缝群与地应力差作用下水力裂缝扩展试验

通过室内真三轴水力压裂试验,研究裂缝性储层中天然裂缝群与地应力差的组合作用对水力裂缝扩展的影响。采用内含大量随机天然裂缝的300 mm×300 mm×600 mm人工试件模拟裂缝性储层,改变地应力差、天然裂缝尺度以及压裂液排量与黏度条件,分析水力裂缝形态与地应力差、天然裂缝尺度的关系。根据水力裂缝复杂程度将其分为体积裂缝、分支裂缝和单一裂缝3类。结果表明:天然裂缝尺度越大、地应力差越小,水力裂缝形态越复杂;对含天然裂缝群的储层,当地应力差大于8 MPa时,压裂不会产生体积裂缝;当地应力差大于14 MPa时,天然裂缝群对水力裂缝形态不会产生影响,形成单一裂缝;水力裂缝的非稳态扩展易受到天然裂缝群的影响,从而有利于产生缝网结构。