冻融荷载耦合作用下节理岩体损伤本构模型

 针对寒区节理岩体,提出冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤的概念。基于Lemaitre应变等效假设,推导冻融受荷条件下考虑节理岩体宏细观缺陷耦合的复合损伤变量。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,建立节理岩体冻融受荷损伤本构模型,引用试验资料对模型的合理性进行验证。研究结果表明：(1) 岩石在冻融循环过程中引起的细观损伤是一个周期性疲劳破坏的过程,冻融细观损伤随冻融次数近似线性增加,单次冻融循环对岩石造成的损伤较小,为局部损伤;岩石在受荷过程中引起的细观损伤随应变的演化率呈不均匀分布,峰值应变处受荷损伤演化率最大。(2) 预制节理对岩石造成的宏观损伤具有明显各向异性,随冻融循环次数的增加,节理岩样的宏观各向异性有所弱化,弱化程度同节理性质和冻融循环次数有关。(3) 寒区受荷节理岩体的力学性能由冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤及其耦合效应所决定,节理岩体冻融受荷复合损伤变量可以较好地反映节理岩体的抗冻性能。     

单轴荷载下砂岩波速特征与损伤演化规律研究

超声波波速变化是判定岩体裂纹扩展、损伤演化的重要手段。联合单轴压缩与超声波波速测试试验,探索了加载过程中砂岩试样的波速变化特征,并据此对砂岩的破裂发展及损伤程度开展了评价。结果表明,在压密和弹性阶段内,砂岩的波速和动弹性模量都呈增大趋势,表明砂岩结构随加载变得更加致密;而随加载进行由弹性阶段逐渐进入塑性阶段,波速和动弹性模量均开始下降;横波、纵波波速的转折点基本对应压密—弹性、弹性—塑形的转折点,而波速比的变化较符合岩心内部裂隙发展特征;对比发现,横波波速变化比纵波波速敏感性更大;在整个加载过程中,岩石的动弹性模量与应力应变曲线都呈现良好对应关系,表现为弹性阶段后期动弹性模量开始下降,而进入塑性阶段后,动弹性模量下降速率渐趋于最大值。该研究可为砂岩内部损伤演化规律及灾变预报预警等有益参考。     

SHCC冻融后单轴压缩力学性能及损伤机理研究

采用棱柱体试件,研究冻融后应变硬化水泥基复合材料（SHCC）单轴压缩性能,分析冻融循环对其相对动弹性模量、质量、破坏模式、抗压强度及应力应变曲线的影响。结合电镜扫描结果,从微观揭示其劣化机理。结果表明：随着冻融循环次数增加,试件内部微结构逐步劣化,相对动弹性模量和抗压强度明显降低,单轴压应力应变曲线斜率逐渐减小,峰值应变则逐步增大。提出的冻融损伤模型具有较高拟合精度,能较好反映SHCC冻融损伤演化规律。     

带初始损伤白砂岩冻融循环后力学性能

通过循环冻融试验,研究不同初始损伤程度对白砂岩冻融损伤的影响。从纵波波速、峰值应力、应力-应变曲线、相对杨氏模量、损伤变量等方面分析不同处理方式的影响。研究表明:冻融循环后,不同试块的相对纵波波速、峰值应力均有所减小,且随初始损伤程度的增大而减小;白砂岩单轴压缩破坏后的晶体的大小随着初始损伤的增大有变小的趋势,冻融后晶体的大小略有变小。研究成果对寒区的工程具有一定的参考价值。     

基于损伤理论的预应力混凝土冻融破坏研究

损伤力学提供了一种分析疲劳演化、估算疲劳寿命的有效方法.混凝土冻融破坏是一种低周疲劳损伤,可以利用损伤力学理论进行分析.试验利用损伤力学中疲劳损伤的基本原理对预应力混凝土在冻融循环作用下的损伤与失效过程进行了分析,在比较几种低周疲劳损伤理论的基础上,利用混凝土冻融前后动弹性模量变化的规律建立了预应力混凝土冻融破坏模型.并根据试验结果对模型进行了评价.结果表明在相同冻融循环次数下,随着应力水平的提高,混凝土抗冻能力是提高的;随着冻融的继续进行,应变趋向于定值,此时混凝土不再能承受应力作用而失效破坏.     

冻融循环作用下岩石疲劳损伤计算中关键问题的讨论

 利用疲劳损伤理论来研究冻融循环条件下岩石的损伤累积在理论上是可行的。主要分析冻融疲劳损伤模型在计算自然条件下岩石冻融损伤时面临的主要问题,包括复杂多变的自然条件下如何简化、近似冻融循环作用,如何选取合适的物理量来计算损伤变量,及如何计算多种机制作用下岩石的冻融损伤。经过分析认为：研究自然条件下的昼夜循环和年度循环对人类工程活动意义最大,根据岩石中饱和度的高低和岩石中未冻水迁移速率的快慢,可分别将昼夜循环和年度循环划分并等效为高周或低周疲劳荷载;冻融循环条件下岩石孔隙率的变化可直接反映冻融损伤的特征,利用缺陷面积和残余应变定义的损伤变量其本质是相同的,均可用孔隙率计算得来;建立冻融循环作用下砂岩的高周疲劳损伤模型和低周疲劳损伤模型,利用模型进行分析表明,在计算自然条件下岩石的冻融损伤时高周疲劳荷载的作用是不可忽略的,并且低周疲劳和高周疲劳荷载的作用顺序具有显著的影响。     

水泥土疲劳损伤特性的超声波速试验研究

对在单轴动荷载作用下水泥土超声波波速的变化规律进行试验研究,试验过程中发现穿透水泥土试件自由面的波速随着荷载作用次数的增加发生了明显的衰减。基于超声波速定义的水泥土损伤变量,并建立了水泥土疲劳累积损伤的演化方程。该方程表明水泥土的疲劳损伤在动荷载作用下发生了明显的3阶段变化,即波速的初始迅速衰减、稳定衰减与临近破坏的急速衰减3个阶段。最后提出在实际工程中运用超声波无损检测法是评价水泥土疲劳损伤与结构耐久性的一般方法。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

冻融砂岩物理力学损伤特性研究

在寒区岩土工程建设中,由于日夜及四季温差较大,岩石在反复冻融和开挖荷载的共同作用下损伤加剧。为研究冻融岩石损伤特性的发展规律,文中选取孔隙率较大的绿砂岩,通过室内冻融循环试验、单轴压缩试验和超景深三维显微观测对砂岩质量损失、力学特性和微观结构进行分析,得出随着冻融循环次数的增多,砂岩单向受压时弹性模量和变形增加、内部胶结能力减弱,破坏时岩石完整性降低、颗粒排列紊乱;最后ABAQUS模拟显示冻融循环次数的增多使砂岩热应变最大值由棱角发展至表面中部,最后向内部扩展。研究表明冻融循环作用主要改变砂岩内部结构分布,进而影响岩石物理力学特性,为岩石冻融破坏过程的分析提供重要参考价值。     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

开采扰动岩体力学性质变异试验研究与探测分析

 根据弹性模量变化定义岩体损伤变量,结合室内岩石单轴全应力–应变循环加、卸载试验,探究岩石损伤过程中电阻率的变化,获得岩石单轴压缩各个阶段电阻率的变化规律,分析发现电阻率与弹性模量以及抗压强度之间的变化关系符合对数数学模型,可实现用电阻率变化表征岩体损伤变量。同时,利用刚性试验机进行大理岩三轴压缩试验,研究不同损伤状态下抗剪强度的变化规律,试验结果显示,不同损伤状态下弹性模量与抗剪强度变化关系符合对数数学模型,且整体变化规律差异不大。根据上述研究结果,最终建立损伤过程中电阻率、弹性模量、抗压强度及抗剪强度之间的经验公式,实现用电阻率变化表征扰动岩体的力学性质变异。最后,利用抚顺东露天矿边坡现场高密度电法探测结果,得出边坡地层开采扰动前后视电阻率变化,代入经验公式估算出扰动边坡岩体的力学参数,为进一步分析井工开采扰动边坡的稳定性提供岩石力学参数选取依据。     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

脆性岩石扩容起始应力预测——以花岗岩和闪长岩为例

 采用TAW–2000电液伺服岩石三轴试验机,通过32组花岗岩和闪长岩的物性及单轴压缩试验测试,获得岩石的特征物理力学参数。在此基础上,揭示岩石扩容起始应力与弹性模量、泊松比和孔隙度的关系,建立花岗岩和闪长岩的扩容起始应力预测方程。研究结果表明：(1) 弹性模量作为岩石的弹性基质刚度的反映,包括颗粒间的接触刚度和颗粒间基质的刚度,孔隙度作为岩石内部孔洞空间的体积测量指标,是岩石内初始的微裂纹、微孔洞及张开裂纹的综合反映,一定程度上可以反映初始损伤的程度,二者与岩石的扩容起始应力密切相关;(2) 扩容起始应力与弹性模量呈正相关,而与孔隙度呈负相关,当弹性模量最小而孔隙度最大时对应最小的扩容应力值,反之调整;(3) 通过逐步数据拟合分析得出扩容应力的预测模型,通过与试验结果的对比分析,证明预测模型的可靠性。在弹性模量、孔隙度和泊松比已知的前提下,可以先验地对扩容起始应力进行预测,为扩容起始应力的求解提供一条新的思路。     

岩样单轴拉伸损伤不均匀性分析——— 第二部分：损伤局部化

分析了本构参数对损伤局部化的影响规律。局部损伤变量及局部损伤变量率具有局部化特征。随着流动拉应力降低，局部损伤变量增加。随着降模量增加，局部损伤变量降低。增加弹性模量，局部损伤变量增加。增加降模量或降低弹性模量，局部损伤变量最大值-流动应力的关系趋于平直。降模量及弹性模量对局部损伤变量率的影响取决于流动应力的大小。增加内部长度参数，局部损伤变量梯度及局部损伤变量率梯度降低，内部长度参数不影响局部损伤变量(率)的最大值。降低降模量或增加弹性模量，局部损伤变量率最大值-流动应力的关系趋于平直。     

盐侵蚀环境下浮石混凝土的冻融损伤模型

主要进行了LC20、LC30、LC40浮石混凝土在清水中和浓度为16.55%的氯化钠盐渍溶液中的快速冻融循环试验,计算出了各个强度浮石混凝土在不同冻融介质中的质量损失率和相对动弹性模量。利用origin对浮石混凝土在清水冻融和盐渍溶液冻融下的质量损失率和相对动弹性模量进行了拟合曲线分析,建立了以质量损失率和相对动弹性模量为损伤变量的冻融损伤模型,并预测了其剩余寿命,结果表明:浮石混凝土强度越大,抗冻耐久性寿命越长;清水冻融循环下浮石混凝土的抗冻耐久性寿命比盐渍冻融循环下更长。并且得出,相对动弹性模量比质量损失率更适合作为损伤变量来建立浮石混凝土的冻融损伤模型。     

冻融循环作用下花岗斑岩动载强度研究

 对冻融前后的花岗斑岩进行相关静态、动态力学试验,获得岩样不同冻融次数下的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度及冲击动载应力～应变曲线。在Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型参数分析的基础上,对经历不同冻融次数的花岗斑岩进行SHPB试验模拟。结合室内试验数据与数值模拟计算结果,分析花岗斑岩动载强度与应变率及冻融次数的关系。研究结果表明：岩样冻融前后动态应力～应变曲线形态有所区别,SHPB试验的反射波和透射波形态发生明显变化,相同入射波情况下试样产生不同的应变率;SHPB试验数值模拟结果与实测值吻合较好,得到的不同冻融次数下花岗斑岩HJC模型参数是可靠的,数值模拟与室内试验相结合是研究分析的有效方法,二者优势互补;花岗斑岩动态强度受冻融次数与应变率共同影响,其影响效应相反,相互耦合。岩石冻融循环作用下的动载强度研究是一项重要课题,是冻融损伤条件下岩石动态本构关系研究的基础,对解决寒区露天边坡稳定性问题具有重要意义。