基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

基于CT的混凝土试样静动力单轴拉伸破坏裂纹分形特征比较研究

为了能定量地利用CT数资源研究混凝土静动力强度特性及裂纹演化规律,利用适合CT扫描仪的便携式动力加载设备,对圆柱体混凝土试样进行单轴静动力拉伸CT试验,并利用编制的差分盒维数计算程序计算CT扫描断面的分形维数,以此为基础从细观层面上比较分析混凝土静动单轴拉伸强度特性、受力破坏机制及裂纹分形特征。结果表明:静力拉伸荷载条件下混凝土破坏时裂纹扩展速度慢,破裂面粗糙曲折,裂纹绕着骨料追随最薄弱界面发展;动力拉伸时裂纹扩展速度快,破裂面较平直,裂纹切割骨料追随能量释放最快路径发展;静动力拉伸CT扫描断面分形特征明显,分形维数随裂纹扩展成规律发展,能较好地反映出混凝土材料损伤裂纹的演化规律,可以定量表述试样的破损程度,可作为裂纹演化的定量参数。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

混凝土分形特征研究的现状与进展

阐述了混凝土材料分形特征测试评价的重要性．介绍了国内外研究现状及目前获得的一些重要结论,对目前亟待解决的问题以及今后的发展方向进行了探讨。认为将分形理论与混凝土材料科学和工程技术有效结合,描述微观、细观层次下的精细结构与宏观层次下的力学行为和自相似特征是有效的。提出了混凝土材料分形学的研究重点在分形特征的测试与评价,只有建立在合理的测试评价的基础上,混沌分形学的作用才能有效发挥,混凝土分形特征的测试在水泥及其掺合料的粉体特征、硬化混凝土孔隙特征、混凝土材料的断裂特征、冻害损伤特征、混凝土骨料分布、碱集料反应裂纹、早期开裂和冻害后的裂纹等宏观分形特征以及显微结构分形特征等方面是成功的。此外,在新拌混凝土分形特征测试评价方面的描述很少,从混沌动力学特征角度研究的内容不多,在混凝土孔结构与渗透特征方面也有较大的研究空间。     

基于SEM和ICT的建筑垃圾再生砖细观破坏机理

以建筑垃圾再生砖为研究对象,进行了单轴压缩试验,拟合了应力-应变曲线,采用扫描电镜(SEM)对再生砖的细观结构进行观测,利用工业CT获得了再生砖压缩破坏过程中的裂纹分布特征,并借助分形理论进行分析裂纹演化特征。研究结果表明:建筑垃圾再生砖具有较大的孔隙率,存在诸多的初始缺陷,裂纹容易最先在这些薄弱环节出现。水泥石将骨料包裹起来形成筋络结构可分割破坏区,延缓裂缝的伸展及汇聚过程,可有效提高再生砖的强度。同时再生砖具显著的不均匀性,在荷载作用下不同断面的分形维数的变化规律有较大的差异,断面上平均强度越高,分形维数的变化越平缓,反之则变化要更剧烈,但整体物理性能与混凝土是相似的。CT和SEM结合可有效地对建筑材料的微观结构和破坏机理进行分析,为进一步揭示再生砖的细观损伤破裂机理奠定基础。     

混凝土单轴压缩分形损伤演化的CT试验研究

在试验室对混凝土立方体试块进行了单轴压缩试验,完成破坏试验后用断层扫描CT技术研究混凝土立方体试件破坏过程的演化灾变过程,重点利用分形数学理论对混凝土试件的裂缝形成演化过程进行了分析研究,得出了一些有价值的结论。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。     

单轴压缩下单裂纹混凝土力学特性和破坏特征试验研究

为了研究单裂纹混凝土力学强度及其变形特征和破坏模式,对含不同长度的单裂纹混凝土进行单轴压缩试验,利用高清摄像技术监测单轴压缩过程中试样裂纹扩展过程,运用数字图像相关方法(DIC),综合分析单裂纹混凝土力学强度、裂纹演化特征、变形规律,阐释单裂纹混凝土破坏机理。结果表明:(1)混凝土强度随着单裂纹长度增大逐渐降低,且呈良好线性负相关;弹性模量随着单裂纹长度增大先升高后降低。(2)试样破坏模式分为3种:①轴向劈裂破坏(裂纹长度为10 mm);②剪切破坏(裂纹长度为20、30、40 mm);③拉-剪混合破坏(裂纹长度为50 mm)。(3)试样应变场演化规律:随着单裂纹长度的增加,由径向应变场控制绝大部分裂纹产生和扩展,向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展(径向应变场影响较明显),再向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展,(剪应变场影响较明显)转变。(4)单裂纹混凝土抗压强度与单轴压缩过程中产生的不同类型裂纹长度存在良好的线性关系,且主要受到单裂纹周边产生的裂纹控制(影响系数为0.496)。     

不同密度等级泡沫混凝土的单轴压缩破坏特征

为研究不同密度泡沫混凝土的压缩破坏特征,对密度为500～750 kg/m3的泡沫混凝土开展了不同加载速率下的单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)技术和声发射(AE)技术,获得了泡沫混凝土加载过程中的应变云图以及损伤演化特征.结果表明:随着密度的增大,泡沫混凝土的屈服应力、平台应力和能量吸收明显提高,荷载速率的影响更加明显;泡沫混凝土破坏时的裂缝数量减少,裂缝由垂直微裂纹转为带有倾斜角度的剪切型裂纹;声发射信号在峰前的活跃度增加,泡沫混凝土发生破坏时振铃计数突增现象更加集中;泡沫混凝土由延性破坏转变为脆性破坏.     

Damage mechanics and its application for the design of an underground theater

This paper presents a damage mechanics method for the evaluation of the elastic damage of jointed rock mass and its application in predicting damage distribution in the jointed rock mass in the excavation for an underground structure in the framework of continuum damage mechanics. The damage variable is a second-order damage tensor which is assumed to describe the damage effect of jointed rock mass. The elasticity tensor defined in the model is verified by employing laboratory cement mortar specimens with various cases of joint distribution. The same specimen is analyzed using the developed damage mechanics method as well as the normal FE method, which employs joint elements to simulate jointed cracks. In order to apply the developed damage elasticity theory to three-dimensional damage analysis in underground structure excavation, a three-dimensional grouted rockbolt element is introduced, which considers the resistance of the grout to the relative shear displacement between the bolt and the rock mass around it in the axial direction. Plastic behaviors of the steel bar and the grout of the grouted bolt are considered in the model by using various constitutive laws. Finally, an engineering example for damage analysis is presented, namely an underground theater assumed to be excavated in a geological environment of jointed rock.     

盾构隧道管片接头破坏特征及损伤特性试验研究

破坏特征和损伤特性是管片接头失效分析和承载性能研究的重要内容,对于确保其受力安全具有重要意义.文章开展了正负弯矩下管片接头抗弯破坏试验,对接头混凝土裂纹和压溃、螺栓受力和变形及接头位移等宏观破坏特征进行了总结,采用声发射技术对接头混凝土损伤演化过程和分布范围等细观损伤特性进行定量分析.研究结果表明:高轴压下管片接头破坏...     

公路隧道衬砌裂缝对结构受力分布影响规律研究

近些年我国高速公路隧道规模迅猛增长,与此同时也出现了较多的隧道病害和缺陷,其中二衬衬砌裂缝及渗漏水问题非常突出,大量运营隧道都出现了类似问题。本文结合依托工程,对隧道不同位置出现衬砌裂缝情况下的结构受力分布规律进行了分析与研究,探讨了裂缝对衬砌结构安全性的影响,得出结论如下：(1) 素混凝土隧道衬砌贯通型裂缝,隧道结构成为多铰环形结构,结构在断裂处轴向承载能力变化不大,但不能继续承受弯矩|(2) 通过计算分析发现,结构在某处断裂而不能继续承受弯矩时,其整个受力分布规律会发生改变,在其它局部会产生较大的弯矩,从而诱发新的开裂|(3) 裂缝的存在对隧道周边岩体的受力和变形存在着很大的影响,裂缝的存在改变了既有隧道力学分布规律。在隧道运营过程中,当发现存在裂缝时,必须加强监测并严控裂缝的发展。     

Numerical simulation of damage in high arch dam due to earthquake

Based on the assumption that concrete is macroscopic homogeneous, the cracking evolution process and damage mode of high arch dams are studied in consideration of the heterogeneity of concrete in mesoscale. The bilinear damage evolution model and the damage evolution model expressed in power function with descending section are adopted to combine with the Mohr-Coulomb criterion to investigate the crack development and fracture mode of high arch dams under the action of an earthquake. The analysis result of a high arch dam in China under design shows that cracks that take place in concrete are caused by excessive tensile stress. The cracks initiate at the middle of the dam top and distribute at the upper half of the dam while the rest of the parts remain intact. This conclusion agrees with the model test result.     

湿态混凝土抗压强度与本构关系的细观力学分析

采用细观断裂力学的方法研究湿态混凝土在外部荷载的作用下，裂纹及孔隙中水压力的大小和影响因素及其对混凝土受力性能的影响。根据湿态混凝土中裂纹的扩展规律，采用分枝型裂纹来研究湿态混凝土的抗压强度，利用能量等价原理来探讨湿态混凝土的本构关系和损伤特征。研究结果表明：（1）分枝型裂纹模型可较好地反映混凝土的体积变形和强度特征；（2）混凝土中的孔隙水压力减小阻碍混凝土开裂的摩阻力，因而加速混凝土的损伤和微裂纹的扩展；（3）与干燥态的混凝土相比，湿态混凝土的抗压强度降低，峰值应变减小，在同一应力水平下湿态混凝土的侧向变形增大。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。