不同温度和应变率下水工沥青混凝土细观能量演化研究

为揭示水工沥青混凝土在不同温度和应变率下的细观能量演化规律,基于离散元颗粒流程序(PFC3D),根据试件中骨料级配建立三维细观随机骨料模型,利用该模型对不同温度范围应变率条件下的水工沥青混凝土单轴受压试验进行离散元研究。分析水工沥青混凝土破坏全过程中细观能量演化特征,探讨温度和应变率对应变能和耗散能演化特征的影响,从细观层次研究能量演化的机制。研究结果表明,在破坏过程中粘结应变能和线性应变能随变形增大而增大,摩擦耗散能和阻尼耗散能随变形增大而增大;应变率为10-4s-1时,温度从10℃降低至-20℃,应变能储能极限提高11.46倍,能量耗散量提高6.37倍,温度为0℃时,应变率从10-5s-1提高至10-2s-1,应变能储能极限提高6.37倍,能量耗散量提高3.71倍,应变能和耗散能随温度降低和应变率提高而增大。     

硫酸盐腐蚀作用下水工混凝土的细观损伤本构模型

水工混凝土的力学性能是影响水利工程设施稳定性的重要影响因素。采用力学试验与理论分析相结合的方法建立考虑硫酸盐腐蚀效应的细观损伤本构模型。结果表明，硫酸盐腐蚀提高了混凝土破坏后的损伤程度；随着腐蚀时间增加，抗压强度和弹性模量呈指数型衰减规律，破坏应变呈增大趋势；由试验结果求解了形状参数m和尺度参数ε₀,进而求解了考虑硫酸盐腐蚀影响的细观损伤本构模型；通过实测试验数据验证了采用理论模型预测应力—应变关系的合理性。提出的本构模型可为水工混凝土力学行为的预测提供参考。     

应变率效应对混凝土力学性能影响的细观仿真分析

针对混凝土结构在使用过程中经常会遭遇动荷载作用且作为一种率敏感性材料的动态力学性能将直接影响结构的承载力问题,从细观层次出发,结合试验实测的混凝土各组分静动态应力—应变曲线,拟合了混凝土各组分不同应变率下的本构模型,采用自主开发的混凝土非线性有限元软件,对混凝土试件轴拉试验细观数值进行了仿真,探讨了混凝土抗拉强度、弹性模量随应变率的变化规律。结果表明,混凝土抗拉强度和弹性模量均随应变率的增加而增加,但弹性模量的率敏感性低于抗拉强度的率敏感性,且计算结果与试验结果相吻合。     

冻融劣化与荷载预损伤对混凝土应变率效应的影响分析

利用10MN多功能三轴仪和TR-TSDRSL冻融仪,对历经不同冻融循环后混凝土进行一定幅值的加载历史后,按照不同加载速率单调加载直至破坏,开展了冻融劣化混凝土单调荷载历史后的单轴试验。试验结果表明,冻融劣化混凝土预加载历史与峰值应变和残余变形皆呈一次线性关系,同干燥状态下混凝土预加载历史和峰值应变的关系相同;随应变速率和预加载历史的提高,冻融劣化混凝土弹性模量单调增大,预加载历史的增强作用更明显,两类变化均存在明显的阈值;分析了混凝土的破坏形态与破坏机理,冻融劣化混凝土加载过程存在一个"压密"过程,应力应变全曲线在峰值应力处存在"应力平台",冻融次数越大,"应力平台"持续应变越长。     

冻融劣化后预加载历史对混凝土损伤特性影响

为了研究冻融劣化和荷载预损伤对混凝土动态损伤特性的影响,利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪及TR-TSDRSL冻融仪,对历经不同冻融循环后混凝土进行一定幅值的加载历史后,按照不同应变率单调加载直至破坏,并通过Najar能量法对损伤变量D进行了定义,从弹性模量、应变速率和预加载历史三个因素对试件进行损伤分析。试验结果表明,随应变速率的增加,混凝土强度总体呈线性增长,强度增加比例为40%左右,两者拟合后发现预加载历史对混凝土强度的增幅更敏感;随着预加载历史的增大,混凝土强度呈现出先增大后减小的趋势;弹性模量、应变速率和预加载历史三者之间预加载历史的损伤率敏感性更高。随着预加载历史的增大,正式加载时混凝土的压密阶段提前,损伤快速发展阶段提前。     

湿态混凝土常规三轴压缩试验研究

为了研究水饱和情况下混凝土性能(相比于自然湿度混凝土)的变化情况,对不同应变速率时的自然湿度和水饱和混凝土做了常规三轴应力作用下的抗压试验,得到了不同湿度混凝土的应力应变全曲线,分析了不同湿度混凝土的峰值应力与应变、割线弹性模量,并基于损伤力学研究了混凝土的力学损伤特性。研究结果表明,常规三轴压缩状态下水饱和混凝土相同应变所对应的应力值较自然湿度混凝土小,即相同应变作用下水饱和混凝土较自然湿度混凝土破坏严重,这种状态将一直持续到混凝土破坏为止。     

双轴受压下混凝土动态力学特性试验研究

为了解双轴受压下混凝土动态力学特性,采用真三轴材料试验机,对边长为300 mm的立方体混凝土试件在应变速率为10-5、10-4、10-3s-1下进行双轴动态受压试验,研究了双轴受压下混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变等力学特性,并与单轴压缩试验进行了比较。结果表明,双轴应力状态下的力学参数与单轴应力状态时相比均有所提高,且双轴受压时混凝土的各项力学参数受侧压力和加载速率的共同影响,并呈现出不同的变化规律。     

不同配合比参数对沥青混凝土低温抗裂性能的影响

依托易县抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板配合比设计,通过对沥青混凝土进行低温冻断试验,研究了在沥青混凝土面板防渗层配合比设计时使用不同厂家生产的沥青、不同填料含量、不同油石比及不同天然砂掺加比例对水工沥青混凝土低温抗裂性能的影响规律。结果表明,不同厂家生产的沥青对沥青混凝土低温抗裂性能影响不同且差别很大;不同填料含量对沥青混凝土冻断温度影响显著;不同油石比对沥青混凝土冻断应力影响显著;天然砂的掺加比例会影响沥青混凝土的低温抗裂性能。结果可为沥青混凝土面板防渗层配合比参数选择提供参考。     

再生骨料透水混凝土动态破裂数值模拟研究

为了了解再生骨料透水混凝土在碰撞下的破坏机理及其损伤演化规律,基于SCDM三维建模技术和Ls-Dyna的有限元分析方法,通过研究不同孔隙率(15%、20%、25%)和不同碰撞速度(2、5、10m/s)下的混凝土动态破损过程,量化在不同影响因素下破坏过程中的Von Mises应力变化,同时利用响应面法分析单一因子及多因素联合效应对响应值的影响规律。结果表明,再生骨料混凝土在受到低速碰撞时,其破坏以外表面为主,而在高速碰撞下的破裂模式是由中心向四周炸裂扩散,且应变率随着冲击速度的增大而增大,孔隙率对其影响较小。     

冻融循环对混凝土静态双轴受压力学特性的影响

对不同冻融劣化程度的混凝土进行了不同侧压(0、0.06f_c、0.12f_c、0.18f_c、0.24f_c,其中f_c为单轴抗压强度)下的静态(应变速率10~(-5)/s)单双轴压缩试验,分析了冻融次数和侧压力大小对混凝土的峰值应力、峰值应变及弹性模量的影响。结果表明,混凝土的单轴和双轴抗压强度均随冻融次数的增加而减小;冻融次数越多,混凝土峰值应力随侧压的增加,其增幅越大;混凝土单轴受压时的峰值应变随冻融次数的增加而增大;相同冻融次数的混凝土,其峰值应变随侧压的增加呈先增大后减小的趋势,冻融次数越多,峰值应变的拐点所对应的侧压越小,侧压对混凝土峰值应变的敏感性受冻融次数的影响越显著;混凝土的弹性模量随冻融次数的增加逐渐减小;混凝土未冻融时,弹性模量随侧压的增加而增大,而冻融劣化的弹性模量随侧压的增加无明显改变。     

新型膨胀纤维混凝土在混凝土缺陷修补工程中的应用

针对水工混凝土中大面积麻面、蜂窝、孔洞等缺陷,在试件中凿除缺陷混凝土并使其形成深度和形状都相同的方形凹槽,采用正交法设计比原混凝土小一级配、强度高一等级的膨胀纤维混凝土进行修补。试验分析了不同粉煤灰掺量、纤维膨胀剂掺量、减水剂掺量和砂率对膨胀纤维混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和静力抗压弹性模量的影响程度,推荐出最佳配合比,并对比了原状、带缺陷和经修补后的混凝土力学性能。结果表明,纤维膨胀剂掺量是影响其抗压强度、劈裂抗拉强度和静力抗压弹性模量的最重要因素,修补后的混凝土在强度方面效果较好。     

聚丙烯纤维低弹模混凝土特性试验研究

针对聚丙烯纤维低弹模混凝土工作性及物理力学性能与普通低弹模混凝土的不同,通过室内试验分析了聚丙烯低弹模混凝土的工作性、强度特性,并开发了一套混凝土耐久性渗透水采集仪,对聚丙烯低弹模混凝土的渗透性和耐久性进行了研究。结果表明,与传统低弹模混凝土相比,聚丙烯低弹模混凝土的抗压强度、弹性模量变化不大,抗拉强度有所提高,抗渗性能明显改善,渗透系数降低了一个数量级左右,耐久性年限进一步提高。     

含盐量对MBER土壤固化剂加固土性能的影响试验

为分析MBER固化剂在咸水地区、盐渍土地区应用的可能性,通过试验分析了不同NaCl溶液浓度对MBER固化土的无侧限抗压强度、应力—应变关系和弹性模量的影响规律。结果表明,当NaCl浓度低于0.5%时,无侧限抗压强度及弹性模量均随溶液浓度的增加而增加,应力—应变曲线空隙闭合阶段随溶液浓度增加呈减小趋势;NaCl浓度高于0.5%时,无侧限抗压强度及弹性模量均随溶液浓度的增加而降低,应力—应变曲线空隙闭合阶段随溶液浓度增加呈增加趋势;弹性模量与无侧限抗压强度随NaCl浓度变化的趋势基本一致,两者存在较好的线性相关性;适量浓度的NaCl溶液对固化土早期强度的提升效果显著;NaCl浓度低于1%时,可应用于固化土工程建设。研究成果可指导MBER土壤固化剂在盐渍土地区的应用。     

成熟度理论在混凝土防裂仿真中的计算研究

通过对泵送大坝混凝土弹性模量与抗压强度试验结果的关系拟合,推导建立了弹性模量与成熟度间的函数关系,并通过考虑成熟度影响描述温度场与应力场耦合,使仿真计算结果更贴近实际,解决了程序计算中混凝土弹性模量不受温度因素影响的缺陷.对比分析成熟度对混凝土开裂风险的影响,对混凝土早期开裂预警并采取措施有重要意义.     

Mechanical experiments and constitutive model of natural gas hydrate reservoirs

Natural gas hydrate is a new type of green energy resources and has great development prospects, and it has attracted worldwide attentions. The exploitation of natural gas hydrate may result in a series of geological disasters. Therefore, the constitutive model of natural gas hydrate bearing sediments needs to be established to reveal deformation laws of the reservoir sediments and accurately evaluate mechanical properties of hydrate reservoirs. This is the basic guarantees for the effective exploitation of natural gas hydrate resources. The triaxial compressive tests were conducted on samples of natural gas hydrate sediment. Furthermore, the Duncan-Chang hyperbolic model was modified by considering the influences of hydrate saturation based on the test results to obtain the constitutive model according with the deformation characteristics of natural gas hydrate reservoirs. The results show that the stress-strain curves of natural gas hydrate reservoirs show unobvious compaction stage and peak strength, short elastic stage, long yield stage, and significant strain hardening characteristics. After applying loads on natural gas hydrate bearing sediments, the internal solid particles were dislocated and slid. When the loads were small, the sediments demonstrated elastic deformation. With the increase of loads, plastic flows appeared in the interior, and the hydrate crystals were re-orientated, thus the sediments showing plastic deformation. Initial tangent elastic modulus increased with the effective confining pressures, which had little correlations with hydrate saturation. Furthermore, the damage ratio increases with the increase of effective confining pressures, while slightly decreases with the increase of natural gas hydrate saturation. The predicted results of stress-strain curves of sediments with different hydrate saturations well coincide with the results of triaxial compressive tests, indicting the feasibility and rationality of this model.     

浇筑式沥青混凝土动应力-应变试验及影响因素敏感性分析

以新疆某心墙浇筑式沥青混凝土材料为例,对其进行动三轴试验,研究了浇筑式沥青混凝土动应力-应变骨干曲线的变化规律及不同围压、主应力比和振动频率对浇筑式沥青混凝土动应力-应变骨干曲线的影响,并基于正交设计方案,以动应力为考察指标,分别采用极差和方差分析法分析了围压、主应力比和振动频率的敏感性。试验结果表明,浇筑式沥青混凝土材料动应力-应变骨干曲线变化基本符合双曲线规律,围压和主应力比对动应力-应变骨干曲线的影响较大,随围压和主应力比的增加,沥青混凝土的动强度明显增大;振动频率对浇筑式沥青混凝土材料动应力-应变骨干曲线的影响较小,不同频率下的骨干曲线均集中于狭窄的分布带内,高振动频率的动强度略大于低频下的动强度。围压和主应力比对动应力的影响比较显著,是影响动应力的主要因素,振动频率对动应力的影响不显著,影响因素的敏感性依次为围压、主应力比和振动频率。