水工沥青混凝土动态抗压尺寸效应试验研究

为研究动态荷载作用下水工沥青混凝土力学性能的尺寸效应规律，在5℃的环境温度及10^-5/s～10^-2/s的应变率条件下，对直径为100 mm、高径比分别为0.5、1.0、1.5和2.0的水工沥青混凝土试样开展了单轴动态抗压试验研究，分析了应变率效应与尺寸效应对沥青混凝土动态抗压强度、弹性模量及破坏模式的影响。结果表明：应变率越大或试样高径比越小，试样破坏越显著；随着高径比的增加，抗压强度减小，而弹性模量增大；随着应变率的增加，抗压强度与弹性模量的动态增强因子呈非线性增长趋势。基于试验研究，综合考虑应变率效应与尺寸效应的协同作用，引入应变率影响因子建立了水工沥青混凝土动态抗压尺寸效应计算模型，并验证了模型的合理性。     

含预制椭圆孔大理岩强度及破裂机理研究

为研究椭圆孔长轴与水平轴夹角(α)和短轴与长轴比值(k)对大理岩试样强度及破裂机理的影响规律,利用RTX多功能岩石三轴测试系统对含预制椭圆孔的大理岩进行了单轴压缩试验,并借助数字散斑应变量测方法对试样表面最大主应变场变化过程进行记录。研究发现:随着α的增大,试样平均峰值强度和弹性模量随之增大,裂纹类型从主裂纹向次裂纹过渡,试样破坏模式从张拉破坏向剪切破坏过渡;随着比值k的增大,试样平均峰值强度和弹性模量出现波动变化现象,裂纹类型由Ⅰ型主裂纹向Ⅱ型主裂纹转变,试样破坏模式为拉剪混合破坏,拉裂纹占比不断提高;当比值k较小时,夹角α对试样性质影响较大,随着比值k的不断增加,夹角α的影响越来越小。     

反复冻融作用下岩桥破坏的试验研究

为了探明反复冻融作用对岩桥的影响,通过测试岩桥试样在冻融循环后的波速和抗压强度变化,分析不同裂纹倾角的岩桥试样在压缩过程中的破坏形态。分析表明,随着冻融循环次数的不断增加,同一类岩桥试样波速整体不断减小,抗压强度不断降低,而且岩桥试样的压缩破坏形态受裂纹倾角控制。     

非贯通节理岩体单轴压缩试验研究

对不同节理倾角、不同节理连通率的预制节理圆柱形岩体试样进行单轴压缩试验。结果表明:试样的强度、变形特性及破坏模式与节理构造形态密切相关;在不同节理连通率下,不同角度的非贯通节理试样的力学特性均表现出各向异性特征,随着节理连通率的增大,各向异性特征越来越明显,岩体峰值强度逐渐下降,岩体在弹性阶段的最大弹性模量也逐渐降低;相应地,试件的破坏模式也变得更加复杂,随着节理连通率的增大,应力-应变曲线的斜率逐渐减小,曲线出现多个峰值,且有较明显的屈服平台;非贯通节理岩体峰值强度和弹性模量随节理连通率的非线性变化规律,可分别采用二次和三次多项式函数表示,其系数与节理倾角有关;非贯通节理试样的裂纹变化特征与节理连通率、节理倾角有着密切的联系。     

含平行裂隙节理岩体的破坏规律研究

对含平行裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,并用PFC3D模型进行了模拟。通过试验和DEM结果对比分析,探讨了含平行双裂隙岩体在单轴压缩下的破坏规律。研究结果表明:在变形破坏阶段,当轴向应变达到0. 02后,应力-应变曲线出现"双峰"现象;抗压强度随预制裂隙倾角的增大呈非线性变化。预制裂隙倾角较小时(≤45°),抗压强度随裂隙倾角变化规律不明显。预制裂隙倾角在45°时,试块抗压强度最低。预制裂隙倾角较大时(≥45°),抗压强度随裂隙倾角的增大而增大;裂纹起裂区域均位于两预制裂隙中间区域。随着预制裂隙倾角的增大,萌生裂纹的端点位置从两端点均在预制裂隙中间,向一端点位于裂隙中间另一端点位于预制裂隙顶端,到两端点均位于预制裂隙顶端转变;试件不同预制裂隙倾角对应不同的岩桥倾角,岩桥倾角较大时(≥60°),岩桥倾角与抗压强度呈正相关关系。     

乌鲁木齐地铁隧道互层围岩损伤演化规律模拟研究

为了研究乌鲁木齐地铁隧道穿越区强风化泥岩、砂岩所组成互层围岩的损伤演化规律,通过颗粒流软件标定已获取的强风化泥岩、砂岩所对应的微观参数,并组成不同几何特征的互层围岩进行单轴试验模拟,分析不同围岩层厚比、岩层倾角的力学特性及其中代表性3组裂纹的发展规律及能量演化。结果表明,围岩层厚比为0.2～0.6,围岩倾角为0°、20°、80°时,对互层围岩单轴抗压强度的影响较大;随着层厚比的继续增加,互层围压的单轴抗压强度的变化趋于平缓;不同的围岩层厚、岩层倾角组合试样有不同的破坏模式,对应的裂纹发展及能量演化也有较大差异。     

地震应变率下水饱和度对混凝土动力压缩效应的影响

为揭示地震应变率下不同含水量混凝土的力学性能变化规律,采用真空饱水设备快速制备不同水饱和度混凝土试件以消除水泥进一步水化对试验结果的影响;进行了3种应变率下(10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1)的单轴压缩试验,测试分析了应变率和水饱和度对混凝土的应力应变曲线形态、抗压强度、弹性模量以及峰值应变的影响规律与影响机理。研究结果表明,随着应变率增加,混凝土动态抗压强度增大、弹性模量增加、而峰值应变减小;随着水饱和度增加,混凝土在静载以及动载下的抗压强度绝对值减小,但动载作用时动力强度增长因子增大;应变率越高混凝土峰值应变随水饱和度增大而减小的趋势越明显。综合考虑应变率效应以及水饱和度的影响,提出了混凝土力学性能指标的经验计算公式,与试验结果有着较好的吻合度。     

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。     

岩样单裂隙几何参数对其破坏模式与强度的影响

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。     

三级配大骨料混凝土双轴抗压性能试验分析

利用自行研制的大型混凝土静、动三轴试验系统,完成了5种应力比、4种应变率、3种含水状态（干燥、自然、饱和）的三级配大骨料混凝土双轴动态抗压试验。试验研究了含水率对三级配大骨料混凝土动态极限抗压强度的影响,并在此基础上提出考虑含水率影响的大骨料混凝土动态破坏准则。研究表明,饱和混凝土试件在高应变率下的强度明显提高,而在低应变率下强度则有所降低。在相同应变率下,极限抗压强度在应力比为1∶0.5时达到最大值。影响三级配大骨料混凝土试件破坏形态的主要因素为应力比,其动态极限抗压强度随含水率的增大而增大,而静态极限抗压强度随含水率的增大而减小;单轴受压状态下的变形明显小于双轴受压,试件的峰值应变随应变率的增大而减小。     

基于弹塑性颗粒流本构模型的Lac du Bonnet花岗岩破坏细观机理模拟

考虑理想弹塑性弯扭-Mohr-Coulomb-最大拉应力破坏准则,以及拉伸失效、压剪失效、转动屈服和扭转屈服4种失效模式,提出一种新的离散元弹塑性本构模型。该模型植入二次开发的三维颗粒流程序,通过数值试验研究宏细观参数关系,模拟Lac du Bonnet(LDB)花岗岩试样压剪和拉伸强度试验。研究表明:颗粒转动弹塑性弯扭矩对宏观内摩擦角和黏聚力具有显著影响;宏观黏聚力随细观黏聚力和屈服弯扭矩增加而趋于恒定;宏观内摩擦角随屈服弯扭矩和细观摩擦系数增加而增加;岩石宏观单轴抗拉强度随细观极限拉应力的增加而趋于恒定;宏观弹性模量和泊松比主要受细观弹性模量和刚度比影响。弹塑性颗粒流本构模型模拟的LDB花岗岩的强度参数和变形参数,以及压拉强度比和裂缝分布与室内试验结果吻合较好。LDB花岗岩单轴压剪模拟试验在达到峰值应力前,试样内部裂缝以细观拉伸裂缝为主,从试样端部向中部发展成近似X状;在接近或超过峰值应力后,试样内部开始出现压剪裂缝、转动屈服裂缝和扭转屈服裂缝,从试样一端向另一端发展成单斜状,其倾角与宏观破坏倾角接近,发展成宏观压剪破坏面,从而揭示了宏观裂缝形成的细观机理。     

应变率效应对混凝土动弯拉强度的影响

本文基于混凝土材料的应变率效应及有关试验资料,给出了混凝土材料强度和弹性模量强化曲线,根据该关系曲线并考虑初始静预载的情况,建立了混凝土梁动弯加载过程的有限元数值模型。利用该数值模型模拟了不同加载速率和具有不同初始预静载时梁在冲击荷载作用下动弯拉破坏过程,分析了混凝土强度和弹性模量的应变率敏感性对不同初始预静载水平下的混凝土梁动弯拉强度的影响,初步揭示出动载强度随着应变率变化的规律。研究表明,在复杂加载情况下,动强度与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。     

不同湿度混凝土动力抗压性能数值模拟分析

本文基于随机骨料建立了二维混凝土的细观数值模型,利用无厚度cohesive单元模拟界面层及基体的损伤,用弹性单元模拟孔隙水,并结合黏性效应、惯性效应,模拟分析了应变率和孔隙含水率对混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响。结果表明:动力分析时混凝土组成材料采用静力参数,考虑了惯性效应与黏性作用后,数值模型可以很好地反映动力荷载作用下混凝土名义动力强度增长因子(DIF)、单轴压缩弹性模量和峰值应变随应变率增加而增加的宏观现象,以及随着孔隙含水率增加混凝土静动态抗压强度线性减小、DIF线性增加、率效应增强的变化规律。以应变率和孔隙含水率为参数,提出了以干燥混凝土静态抗压强度为基准的含水混凝土动态抗压强度的预测公式。     

土石混合体单轴压缩试验的三维颗粒流数值模拟

为探究不同含石量土石混合体在单轴压缩荷载下的变形破坏机理,在不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维颗粒流数值模型。进行了低、中、高不同含石量(0,10%,30%,50%,70%,90%)的土石混合体单轴压缩试验颗粒流数值模拟,获得了各种含石量的土石混合体在单轴压缩荷载下的应力应变特征和变形破坏特征,并对其变形破坏的细观机理进行了深入的分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,土石混合体试样单轴抗压强度和弹性模量随之减小;中低含石量(0,10%,30%,50%)土石混合体的应力-应变曲线表现出典型的应变软化特征,而高含石量(70%,90%)土石混合体在达到峰值应力后表现出一定程度的塑性流动特征;中低含石量土石混合体试样中形成的微裂纹主要是张拉裂纹,宏观上表现出来的是拉裂破坏,而高含石量土石混合体试样中微裂纹很少,主要是剪切裂纹,宏观上表现出来的是剪切破坏。     

三种倾角结构面对岩体变形破坏特征影响研究

以山西朔州麻家梁煤矿砂岩以及张集煤矿闪长岩为例,将岩样加工成60°,75°,90°三种倾角结构面的岩样,并对加工后的结构面进行水泥填充,进而研究3种倾角结构面对岩体力学特性与破坏形态的影响。单轴压缩试验与数值模拟试验结果表明:随着倾角的增大,两种岩性岩样单轴抗压强度都呈现上升的趋势,同条件下的闪长岩岩样单轴抗压强度要小于砂岩岩样单轴抗压强度;结构面倾角为60°与75°的岩样主要从顶部与侧面结构面附近萌生裂隙开始发生破坏,随着加载应力不断增大,岩体顶部应力集中部分将出现破碎并使岩体完全破坏,而结构面倾角为90°的岩样主要是由于岩体顶部萌生出大量竖向扩张劈裂隙使岩体发生破坏。     

含初始损伤冻结砂岩动态破坏机理及损伤本构关系

为掌握白垩系冻结砂岩动态压缩破坏机理,借助分离式霍普金森压杆对-30 ℃饱水砂岩开展不同应变率单轴冲击试验,结果表明:冻结砂岩动态损伤经历“线弹性变形、微裂纹演化、裂隙非稳定扩展、应变软化”4个阶段,损伤来源于初始宏细观缺陷与新生裂隙的交互演变,动态增长因子变化表明砂岩强度和变形的应变率强化效应显著;初始损伤由宏细观缺陷累加构成,不同尺度损伤缺陷耦合形成动态总损伤;单轴冲击压缩下岩石损伤演化呈正交异性,基于各向同性方程修正得到砂岩动态损伤本构关系,临界损伤是具备初始损伤、动弹性模量、动态抗压强度及峰值应变等指标特性的综合量;理论结果与试验曲线吻合良好,决定系数均＞0.910,能较好反映冻结砂岩峰前段强度特征。     

填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标( 总能量、弹性应变能及耗散能) 的充填效应。研究结果表明: 节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大; 完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段; 完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

干湿循环作用下石膏岩劣化效应的试验研究

选取巴东十字垭隧道的石膏岩为研究对象,室内完成了0,1,3,6,12次干湿循环试验,测得了循环过程中吸水率、孔隙度和单轴压缩的试验数据。试验表明:石膏岩的吸水率和孔隙度与干湿循环次数呈对数函数形式,并随着干湿循环次数的增多而不断增大,但吸水率、孔隙度的增加量却逐渐减少;同样,石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量随着干湿循环次数的增多而减小,并随着循环次数的增多,单轴抗压强度和弹性模量的减少量逐渐减少。通过分析对比石膏岩劣化参数变化率,得到干湿循环作用对石膏岩各个参数的劣化效果是不同的,其排序为:吸水率＞弹性模量＞单轴抗压强度＞孔隙度。     

节理倾角对砂岩强度及物理特征的影响

节理岩体广泛存在于实际工程中,深入研究节理倾角对岩体强度和物理特征的影响,对节理岩体工程稳定性研究具有重要的意义。通过完整及含不同节理倾角岩样在不同围压下的三轴加载破坏试验及声波测试试验,探讨了节理倾角对砂岩强度及物理特性的影响规律。试验结果表明①随着节理倾角的变化,岩样纵波波速衰减率有所不同,节理倾角为60°时岩样波速衰减率最大。②节理岩样的弹性模量随倾角大小的变化规律是E_完整>E _90°>E _30°> E _60°。③在同一节理倾角下,岩样峰值强度随着围压的增加而增大;在同一围压下,岩样峰值强度随着节理倾角的变化表现出明显的各向异性。④节理岩样的黏聚力随着节理倾角的变化呈现出U型的变化趋势,且在节理倾角为60°时黏聚力最小;同时内摩擦角随着节理倾角的增大而逐渐增大。由上述成果可知,节理倾角对砂岩强度和物理特性影响较大,节理倾角为60°时,影响程度最大。     

单一闭合中心裂隙对岩石单轴压缩破坏特征的影响

利用颗粒流软件模拟了含单一闭合中心裂隙岩石的单轴压缩数值试验,分析了裂隙宽度、闭合裂隙长度、摩擦系数和倾角对裂隙岩石破坏特征的影响。结果显示裂隙闭合与否对裂隙岩石的强度和破坏特征存在影响;裂隙长度越小,裂隙摩擦系数越大,裂隙倾角越接近于0°或者90°时,裂隙岩石破坏特征越接近于完整岩石状态。翼型裂纹和次生裂纹的扩展形成了岩石的贯通破坏面,其中翼型裂纹表现为Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面,次生裂纹表现为Ⅱ-Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面。