硅酸盐混凝土与岩石材料的动态力学性能比较研究

通过采用ＳＨＰＢ（分离式霍普金森压杆）装置对混凝土和岩石进行了五种不同应变率下的动态 压缩实验,由此得出两种材料的基本动态力学参数,从而进一步归纳出这两种材料的动态抗压强度、峰 值应变与应变率的关系,并引入比能量吸收对材料的动态破坏机制进行研究,明确两种材料的动态破坏 机制,这为今后的相关工程有序开展提供了丰富的理论指导,在保障工程顺利进行的同时,最大限度的 提高了工作效率。     

掺再生塑料颗粒自密实混凝土的动态力学性能研究

将塑料废物制成塑料颗粒掺入混凝土中,不仅能减少环境污染减低能耗,而且能提高混凝土的韧性。为探究含塑料颗粒自密实混凝土的动态力学性能,通过改进的霍普金森压杆试验研究了塑料颗粒掺量对自密实混凝土的破坏形态、应力应变曲线、峰值应变、动态抗压强度以及能量耗散密度的影响。结果表明:塑料颗粒自密实混凝土的破坏形态更加有韧性,应力应变曲线有更大的峰值应变和更长的峰后反应,动态抗压强度随塑料掺量的增加而显著减小,能量耗散密度随塑料颗粒掺量的增加呈降低趋势,但存在最优塑料掺量,使得塑料颗粒自密实混凝土相对普通混凝土有更高的冲击韧性。     

被动围压下钢纤维超高性能混凝土冲击压缩力学特性与损伤特征

【目的】为了研究掺有钢纤维的超高性能混凝土(UHPC)在冲击压缩作用下的力学特性与损伤特征,【方法】基于被动围压的霍普金森压杆,保持冲击气压为0.4 MPa不变,分别测试得到不同钢纤维掺量、不同含水状态UHPC试样的应力—应变曲线,并对其峰值应力、应变、能量耗散特性、损伤演化特征进行分析。【结果】结果显示：钢纤维在UHPC中网状分布,发挥桥接作用使试样动态抗压强度提高,钢纤维掺量为1%时动态抗压强度达到峰值,后随掺量增加有所降低,极限应变变化趋势与动态抗压强度相反,饱和试样峰值应力低于干燥试样,约为干燥试样的80%。【结论】计算了试样在加载三阶段的能量耗散,发现钢纤维可以降低荷载做功。此外,结合耗散能定义了损伤变量D,分析了UHPC损伤演化三阶段,得到钢纤维对损伤演化的抑制作用。     

化学腐蚀作用下岩石的动态性能及本构模型研究

根据深部地下水的化学成分,配制了不同离子、不同pH值的化学溶液,并将围岩岩石试件置于上述溶液中养护,然后采用霍普金森压杆试验系统(SHPB)进行动态压缩试验,分析化学腐蚀对岩石动态性能的影响。结果表明:化学腐蚀对围岩的动态力学性能具有较大的影响;化学腐蚀作用下围岩的动态性能下降,且化学溶液pH值越低影响效果越明显。在试验结果的基础上,基于损伤理论建立了化学腐蚀作用下岩石的动态本构模型。研究成果可为深部岩体动力学的深入研究、深部工程的围岩支护及稳定性控制提供参考。     

边切槽圆盘试样的岩石动态断裂韧度实验

 提出用边切槽圆盘试样测量岩石动态断裂韧度的实验方法。在分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar-SHPB)的入射杆杆端附加劈尖及其基座,实现对试样施加高速率的劈裂载荷;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元法计算模型得到动态应力强度因子时间历程;3个应变片粘贴在试样的切槽前端韧带上,测定裂纹扩展起始时间和扩展过程;结合动态应力强度因子历程和裂纹扩展时间,获得试样的起裂动态断裂韧度值。对大理岩实验的结果表明,边切槽圆盘试样能得到理想的劈裂加载;当加载速率为2.88×104 MPa·m1/2·s-1时,所测大理岩的动 态断裂韧度为5.15 MPa·m1/2,大理岩的断裂韧度在高加载速率下明显地提高。     

岩样变形特性的二元介质模拟

围压低时岩石材料表现为应变软化。应变软化的合理描述对岩石工程非常重要。在岩土破损力学的理论框架内，认为加载过程中胶结元逐渐破损转化为摩擦元，二者共同抵抗外部荷载作用，胶结元（胶结块）在破损以前的应力应变特性可以用理想的弹脆性材料描述，胶结元破损后转化成的摩擦元（软弱带）的应力应变特性可以用硬化型弹塑性模型来描述。通过引入反映破损过程的破损参数（破损率和应变集中系数），建议了一个岩石材料的二元介质模型。最后与砂岩岩样的三轴试验结果进行了对比，表明所建议的模型具有较好的适用性。     

岩样变形特性的二元介质模拟

围压低时岩石材料表现为应变软化,其合理描述对岩石工程非常重要。在岩土破损力学的理论框架内,认为加载过程中胶结元逐渐破损转化为摩擦元,二者共同抵抗外部荷载作用,胶结元（胶结块）在破损以前的应力应变特性可以用理想的弹脆性材料描述,胶结元破损后转化成的摩擦元（软弱带）的应力应变特性可以用硬化型弹塑性模型来描述。通过引入反映破损过程的破损参数（破损率和应变集中系数）,建议了一个岩石材料的二元介质模型。最后与砂岩岩样的三轴试验结果进行了对比,表明所建议的模型具有较好的适用性。     

锦屏大理岩力学特性试验及其数值模拟

采用锦屏大理岩进行三轴压缩过程中力学特性室内试验,并从岩石细观力学角度对其力学特性成因进行探讨。在此基础上通过引入两个参数,进一步建立了能够反映大理岩全应力-应变过程中强度变形特性的黏聚力弱化-摩擦角强化(CWFS)改进模型,并采用试验结果对该模型进行验证。研究结果表明:(1)随着围压的增大,锦屏大理岩表现出明显的脆-延-塑性转换的峰后力学特性,峰值强度与残余强度之间的差值呈单调减小的趋势,应力-应变曲线中由峰值强度向残余强度跌落段曲线的斜率逐渐变缓;(2)高围压条件下岩石裂隙之间的摩擦力、岩石内部材料的均匀化程度是导致大理岩表现出脆-延-塑性转换的峰后力学特性的主要原因;(3)黏聚力弱化-摩擦角强化改进模型能较好地描述大理岩全应力-应变过程的强度、变形特征,且模型参数物理意义明确,易于获得。     

水泥砂浆桩复合地基力学性状的数值分析

:基于有限差分数值方法,考虑地基材料的非线性特性,通过模拟复合地基桩土应力比、复合模 量随荷载、桩长、置换率和褥垫层的变化情况,分析了水泥砂浆桩复合地基桩土作用机理、桩土荷载分担 规律及其变形特性。结果表明:桩体置换率增加,桩土应力比逐渐减小,复合模量逐渐增加,置换率超过 ２０％,桩土应力比变化很小,并趋于稳定。置换率超过２５％,置换率对复合模量的影响较小;桩长增加, 桩土应力比增大,复合模量增加,桩长超过１４ｍ,桩土应力比增长缓慢,复合模量亦趋于稳定;桩土应力 比随着褥垫层厚度的增大而减小,随着褥垫层模量的增加而增大,宜设置褥垫层厚度１００ｍｍ～３００ｍｍ, 褥垫层模量３０ＭＰａ～６０ＭＰａ。     

刚性桩复合地基沉箱挡土结构数值模拟分析

基于上海市某圈围工程,提出了一种适用于软土地区的刚性桩复合地基沉箱挡土结构,并采用 有限元计算软件ＰＬＡＸＩＳ和小应变硬化土体（ＨＳＳ）模型对该结构进行了数值模拟分析以论证其安全性。 分析结果显示:该结构沉箱最大沉降量、不均匀沉降量及倾斜度均可满足正常使用要求;桩基最大正、负 弯矩分别产生在末排、首排桩基,且均满足承载力要求。该结构在受力及变形方面安全可行,为软土地 区深水圈围工程提供了一种新的型式。     

混凝土主动围压SHPB试验波形数值分析

为探究主动围压SHPB(分离式霍普金森压杆)试验中反射波形与混凝土动态响应的关系,采用LS-DYNA软件,基于H-J-C本构模型,模拟了混凝土的主动围压SHPB试验,从波形特征的变化分析了围压对混凝土动态力学性质的影响。结果表明:围压条件下混凝土的破坏形式为压剪破坏,试件的平均损伤度随围压的增大而降低。试验中反射波具有“双峰”特性,且围压对第二峰值应力的影响较大,其值随着围压的增大而减小,表征了试件的变形破坏程度;而第一峰值应力几乎不受围压的影响,其主要与冲击波的幅值有关;反射波尾存在压缩波段,该段的峰值应力随着围压的增大逐渐增大,表征了围压下试件的完整性比较好,且其变形能力和残余承载力均有所提高。研究结果可为评估三轴应力下混凝土构件的动态损伤和残余承载力提供参考。     

用直裂缝平台巴西圆盘确定混凝土的动态断裂韧度

采用一种直裂缝平台巴西圆盘试件,在分离式霍普金森压杆系统上研究了混凝土动态起裂韧度的测试方法。该方法基于一维应力波理论,利用压杆上的应变信号计算试件所受的动态冲击载荷P(t),结合动态有限元法求得试件相应的动态应力强度因子KI(t),再由试件上应变片测得的起裂时间tf对应的临界动态应力强度因子KI (tf),即为混凝土的动态起裂韧度KId。试验表明,混凝土的动态起裂韧度高于在材料试验机上测得的静态断裂韧度,因为在动态加载情况下,圆盘试件除在预制裂缝方向产生与静态加载一样的裂缝扩展外,还产生大致平行于预制裂缝方向的多重裂缝扩展破坏现象。试件破坏模式、临界破坏时间等是影响混凝土材料动态起裂韧度测试结果的重要因素。     

有侧压混凝土动态劈拉力学性能试验研究

为模拟混凝土结构在地震等动态荷载作用下的真实应力状态,进行不同侧压力下的混凝土动态劈拉试验。对混凝土劈拉强度、峰值应变、弹性模量等力学性能与应变速率、侧压力之间的变化规律展开深入的分析,并基于统计分布理论改进了Mazars劈拉本构模型。研究结果表明,侧压力作用下混凝土劈拉受荷的力学性能仍具有率效应,应变速率和侧压力的增大均会引起混凝土劈拉强度与劈拉弹性模量的提高,混凝土动态峰值应变会随侧压力增大呈现出先减小后增大的变化规律。改进后的本构模型对不同侧压力下的混凝土动态劈拉应力-应变曲线拟合效果都很好,其中上升段拟合参数c值受应变速率与侧压力的双重影响,而下降段拟合参数A_T和B_T值则主要由试验条件决定。与其他学者的数据进行拟合比较,可以发现该模型具有很好的适用性。     

基于应变率损伤本构模型的围岩分区破裂化现象数值模拟

为了探究深部巷道围岩的分区破裂化现象,利用ANSYS/LS-DYNA软件数值模拟,使用Cowper-Symonds本构模型结合GISSMO模型,将巷道的开挖视为动力过程。从岩石的细观角度出发,考虑岩石的应变率效应以及损伤对岩石的力学性质的影响,构建应变率损伤本构模型。同时结合应力三轴度,以更全面地描述岩石在各种应力条件下的力学特性,并基于最大应变和最大拉应力准则建立单元破坏准则。对岩石进行单轴压缩数值、掘进开挖法模拟及实际观测的结果表明:岩石单轴压缩全应力-应变曲线拟合效果较好;掘进开挖速率对分区破裂化现象有影响;掘进开挖法的分区破裂化模拟结果与实际观测数据具有一定的一致性。提出的模型对于围岩分区破裂化现场的模拟及预测有一定的参考意义。     

不同龄期混凝土动态力学性能研究

对不同龄期(28,112,183,345,810,1 248,1 550d)的混凝土进行了不同应变速率(10^-5,5×10^-5,10^-4,5×10^-4,10^-3,5×10^-3,10^-2/s)下的单轴压缩试验,试件尺寸为Φ150 mm×300 mm,研究了龄期和加载速率对混凝土的力学性能影响。结果表明:①在同一龄期下,混凝土的峰值应力随着应变速率增长而增大;在同一应变速率下,混凝土的峰值应力随着龄期的增长而增大,800d后峰值应力趋于稳定;②在同一应变速率下,混凝土的吸能能力随着龄期的增长而增加,表现出了峰值应力与龄期之间相似的规律。     

基于Q系统与数值模拟的地下岩洞锚喷支护参数研究

针对山东某地下水封液化石油气库工程,基于洞室截面尺寸和场区结构面发育特征,采用Q系统计算出特定Q值洞室围岩段的初步锚喷参数。基于场区地应力分布特征,采用GSI和Hoek-Brown准则建立起Q值与岩体等效力学参数的联系。基于3DEC离散元,分别从连续和非连续围岩角度对锚喷参数进行校核,并基于超载安全系数法评价支护结构的安全性。结果表明:连续围岩条件下,锚喷支护对围岩位移的控制作用明显,锚杆的最小安全系数为2.75,喷层的安全系数为1.25,表明锚喷参数是安全、合理的;非连续围岩条件下,由于出现局部失稳块体,锚喷支护破坏失效;Q系统不针对局部块体失稳问题,表明结合离散元等数值模拟技术进行综合设计的必要性以及施工期对局部失稳问题进行提前甄别的重要性。     

基于侧压力系数变异性的隧洞围岩变形响应特征研究

以新疆东天山公路隧道为例,利用三维有限差分数值模拟软件FLAC3D,通过快速应力边界法生成符合实际工况的初始地应力场,结合实际侧压力系数λ的分布,分析λ取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6时隧道内部变形规律。结果表明,λ从0.8增至1.6,拱顶竖向变形值减小约16%,拱底竖向变形值减小约14%,拱脚水平变形值增大3倍;在λ较低区段,注意拱顶和拱底处变形,及时安装衬砌系统,建议采取钢支撑挂网喷锚支护,对不稳定块体及时进行锚固;在λ较高区段,注意拱脚处变形,施工时要提高支护强度;在水平方向上一定范围内,由于应力状态的不同,不同沉降值出现逆向增长。     

基于地形剖面的山体水工洞室围压计算方法初探

山体水工洞室的偏压问题一直是困扰水工界的难题之一,为了探究山体水工洞室偏压的原因,人们从各自的认识出发提出了若干想法。实践证明,目前人们对水工洞室偏压的各种认识都是不尽完美的,没有从根本上揭示水工洞室偏压的原因,因而采用的相应围压计算方法也不具备非常的合理性,为了探究山体水工洞室偏压的真正原因和合理的水工洞室围压计算方法,以若干山区隧道的大量围压实测数据为依据,提出了山体水工洞室偏压的真正原因在于地心引力和水工洞室地形剖面不均衡的观点,进而以地球引力场理论为依据,提出了基于地形剖面的山体水工洞室围压计算方法,给出了相应的计算公式和应用实例。基于地形剖面的山体水工洞室围压计算方法的合理性得到了多个实际工程的实验验证。     

基于应力波法的锚杆(索)锚固质量动力检测数值模拟研究

锚杆(索)大量应用于边坡工程加固,为保证锚杆(索)发挥作用,一般采用应力波法对其锚固质量进行检测,检测的2个主要指标是:锚杆(索)长度和缺陷段的位置。为此,在ANSYS/LS-DYNA中建立锚固体应力波动力分析模型,将小锤对锚杆(索)的敲击作用等效为小锤按一定激发速度v₀与锚杆(索)的碰撞,并在锚杆(索)端头断面中点采集应力波信号。经算例与理论研究成果对比,验证了数值模型的可行性,同时,分析了小锤弹性模量和激发速度v₀的取值对应力波信号的影响,研究了应力波法判别缺陷段位置的准确性,及对比了端头激发与端头和底端同时激发这2种方式在锚杆(索)质量检测中的适用性。研究结果表明:①小锤弹性模量的增大仅对初始应力波信号有增强作用,对经锚固体底端一次反射回的应力波信号影响不大,而小锤激发速度v₀的增大对初始和经锚固体底端一次反射回的应力波信号均有利,且与后者成线性比例关系;②应力波法对锚固体缺陷段位置的判别较为可靠,且缺陷段越饱满判别准确性越高; ③端头和底端同时激发方式缩短了反应锚固体断面变化处和底端位置的应力波信号时间,因而有利于工程应用。