基于能量耗散原理的非均质岩石损伤破坏元胞自动机模型研究

基于能量耗散理论建立非均质岩石的动态损伤破坏元胞自动机,分析单轴压缩试验中岩石破坏截面的损伤状态,得到该情况下的岩石裂隙微观动态发展过程、损伤演化关系以及全程应力应变曲线。研究发现:①加载过程中,均质度较低的岩样裂纹的萌生和扩展较为分散,损伤速率低;均质度较高的岩样裂纹的萌生和扩展非常集中,表现为脆性破坏。②损伤演化曲线呈3阶段S形发展。③随着岩石均质度参数的增加,岩石的峰值强度和峰值应变都有所提高,峰后曲线越来越陡。④给出的衡量岩石脆性破坏强弱程度的指标参数,能够较好地描述岩石破坏形式随着均值度参数m变化的规律。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

考虑Weibull分布的饱和风积土统计损伤硬化模型研究

为能更好地揭示复杂应力状态下饱和风积土变形过程的损伤本构关系,引入服从Weibull随机分布的饱和风积土微元强度统计损伤理论,基于饱和风积土常规三轴全应力—应变试验曲线,构建能够模拟特定围压环境下饱和风积土变形全过程的统计损伤硬化本构模型。通过拟合分析基于Weibull分布的饱和风积土统计损伤本构模型参数m、F0与围压σ3之间的关系,对其参数进行科学修正,从而构建出能够更客观地描述在复杂应力环境中的饱和风积土统计损伤硬化模型。理论与试验对比研究结果表明该模型具有一定的可靠性,不仅能客观地描述饱和风积土变形的全过程,更能真实地描述孔隙水压力对饱和风积土工程特性的影响。     

考虑塑性应变及损伤阈值的混凝土冻融损伤本构模型研究

根据不同冻融循环次数下的混凝土应力—应变全曲线特性,研究了损伤变量的变化规律,并建立了冻融后混凝土损伤演化方程,探讨了损伤阈值对混凝土冻融损伤本构模型的影响。将统计学方法与细观力学方法结合,采用平行杆模型模拟混凝土等脆性材料单轴受压的损伤演化规律,在传统的两参数Weibull分布函数基础上引入损伤阈值参数,提出了考虑塑性变形的混凝土损伤本构方程。该模型可以较好地反应混凝土在受载初期时的力学特性。结合试验结果,求解出模型中的参数,并与试验结果对比分析,验证了所提出模型的合理性。     

岩石单轴压缩蠕变损伤本构模型

准确预测岩石蠕变行为对岩石力学与工程的研究具有非常重要的意义。首先对岩石蠕变机理及典型蠕变曲线进行了分析,其次通过在经典岩石蠕变模型如J体模型的基础上引入损伤理论及Kachanov损伤演化定律,进而建立了一个新的岩石蠕变损伤本构模型。第三,对模型参数的确定方法进行了详细的研究。最后,引用其他学者所开展的不同轴压下岩石单轴压缩蠕变试验对该模型的合理性进行了验证。可以发现本文所提出的模型不仅能够很好地预测岩石的稳定蠕变阶段,而且还能预测经典模型所不能反映的岩石加速蠕变变形。结果表明损伤理论能够很好地反映岩石的蠕变破坏机理,为了能够准确模拟岩石蠕变变形全过程,在经典的J体模型中引入损伤因子是很有必要的。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程.岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律.根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆.模拟结果...     

考虑损伤特征的冻风积土加载模型与试验研究

为了研究冻风积土在不同温度、各级围压条件下的应力—应变关系与加载损伤特佂,通过对不同负温不同围压条件下的冻风积土试样进行三轴剪切试验,获得其应力—应变关系曲线。按照用切线模量定义损伤变量方法对Duncan-Chang非线性模型变换得到了损伤变量随偏应力的演化规律表达式,引入具有衰减特性的负指数控制方程用以描述切线模量随偏应力增加而衰减特征。将损伤变量和切线模量的控制方程导入损伤本构关系中推导出了冻风积土加载损伤模型。研究发现:(1)损伤变量是一个依赖于围压及抗剪强度指标c、φ值并随偏应力不断演化的变量;(2)加载损伤模型在偏应力较小时描述冻风积土在三轴剪切过程中的应力—应变发展关系较为理想。     

6061‑T6铝合金材料的冲击压缩力学性能实验与数值模拟∗

为了探究 6061?T6 铝合金的冲击力学性能和在防护结构上的应用前景,采用实验与数值模拟相结合的方法开展分析研究。根据多组准静态压缩及冲击压缩实验数据,对 Johnson?Cook 本构模型的相应参数进行了拟合;再进行数值模拟分析,并把数值模拟的结果与实验结果对比分析。最终,得到了 6061?T6 铝合金在常温下的屈服强度、峰值应力等力学参数;拟合出了 6061?T6 铝合金 J?C 模型的相应参数;研究表明 6061?T6 铝合金是一种应变率敏感材料,其屈服强度、流动应力峰值随着应变率的提高而提高,同时材料对冲击荷载的能量吸收也越来越多;当应变率为 1 600 s^-1 时,相对于准静态,其屈服强度和极限承载力分别提高了 30%、78%;数值模拟结果与实验结果吻合较好,表明拟合的 J?C 模型能够较好地表现出 6061?T6 铝合金在高应变率下的应力流动行为。研究成果可为 6061?T6 铝合金材料冲击动力学分析和在抗爆结构上的应用提供依据和参考,其在防护工程,防灾减灾工程领域上应用前景广阔。     

考虑中间主应力的粗粒土扰动状态应力—应变模型

基于统一强度理论与扰动状态概念(DSC),考虑洛德参数影响,建立了同时考虑中间主应力(IPS)和扰动影响的粗粒土IPS-DSC应力—应变模型。根据某坝基粗粒料三轴剪切试验结果,采用拟合方法对IPS-DSC模型参数进行反演和优化,模拟曲线和试验曲线对比显示两者基本吻合,说明该模型能较好地描述粗粒土应力应变特性。进一步研究表明,其洛德参数、中间主应力系数及扰动影响参数对粗粒料应力应变曲线影响较大,粗粒土应力应变曲线先随洛德参数增大上升至临界值,后随洛德参数增大而下降,软化现象先减弱后增强;随中间主应力系数的增大,呈上升趋势,峰值增加明显,软化现象更加突出;随扰动影响参数增加而上升且软化现象有所减弱。     

BFRP约束损伤混凝土棱柱体轴压力学性能研究

为研究玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer, BFRP)约束有初始损伤的混凝土棱柱体的轴压力学性能,对37个边长150 mm、高300 mm的混凝土棱柱体进行了轴压试验,其中包括34个BFRP约束混凝土试件和3个素混凝土试件,试验变量为BFRP层数(1、2、3、4和6层)和初始损伤程度(轻微、中等和严重损伤),试验结果表明：BFRP约束棱柱体的抗压强度和轴向变形能力随FRP约束层数的增加而提高,特别对变形能力的提高更为明显;初始损伤程度对BFRP约束试件的峰值点以及极限点的强度影响较明显,但对极限应变影响较小;当BFRP层数为2层及以下时,BFRP约束棱柱体的应力—应变曲线有明显软化段,当BFRP层数为4层及以上时,应力—应变曲线开始有明显强化段。基于试验结果,提出了考虑初始损伤影响的BFRP约束混凝土棱柱体的强度模型和应变模型,并分别给出了弱约束和强约束下的应力—应变关系模型,模型预测结果与试验结果吻合良好。     

锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验与本构关系模型∗

为了研究揭示锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压特性,基于36组锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验,获得了不同锈蚀程度箍筋约束混凝土的应力—应变曲线试验数据,分析了箍筋质量锈损率对约束混凝土的峰值应力、峰值点应变、极限应变以及破坏形态的影响规律,并分别建立相应的计算模型,进而研究提出了锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压本构关系模型。结果表明:随着箍筋质量锈损率的增加,约束混凝土的峰值应力、峰值点应变和极限应变逐渐降低;箍筋体积配箍率越小,箍筋质量锈损率对峰值应力和极限应变的影响越显著;当箍筋质量锈损率分别超过15%、10%和30%左右时,大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍在试件轴压破坏位置处发生断裂;锈蚀箍筋约束混凝土单轴受压本构关系模型的计算值与试验数据吻合较好,说明该模型能够合理描述箍筋锈蚀程度对约束混凝土单轴受压应力—应变曲线的影响规律。     

高温下石灰岩膨胀特性和力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石高温装置和RMT-150C岩石力学试验机,对石灰岩试件在200~700°C高温双向约束条件下的膨胀特性和力学特性进行了试验研究。结果表明:升温过程中,随着温度的升高,石灰岩试件两个约束方向的膨胀应力在600°C前逐渐增加,600°C或650°C以后出现减小现象;石灰岩垂直层理方向的热膨胀应力大于平行层理方向的热膨胀应力。恒温过程中,600°C以前的试件两方向膨胀应力曲线都随时间延长呈平稳上升,但曲线斜率远远小于升温过程;恒温一定时间后,膨胀应力趋于该温度的一个稳定值。700°C恒温结束后,石灰岩两方向的膨胀应力小于恒温前的值,说明到一定温度后石灰岩已膨胀到极限。在试验温度范围内,石灰岩峰值应力随温度升高而降低,700°C时,峰值强度值比常温下降低了58.92%,说明高温对岩石的强度会产生明显的弱化作用。石灰岩峰值应变随温度升高先增加后减少,500°C前峰值应变增加,之后逐渐减小。由于受约束条件限制,在过高温度后,石灰岩内部裂隙部分闭合,空隙数量减少,致使一定温度后其热膨胀应力和峰值应变可能减小,但具体原因有待进一步研究。     

高强再生混凝土应力-应变全曲线试验研究

再生混凝土的本构关系是再生混凝土结构抗震设计与计算的关键问题之一,本构关系确定的试验依据是应力-应变全曲线,但是目前亟待研究的高强再生混凝土应力-应变全曲线的试验很少。为研究高强再生混凝土单轴受压应力-应变本构关系,制备了水胶比为0.32的再生混凝土,试件进行了16个100×100×300mm再生混凝土棱柱体试块的单轴受压应力-应变全曲线试验,分析了再生粗骨料置换率对高强再生混凝土应力-应变本构关系的影响。试验表明:高强再生混凝土应力-应变全曲线下降段脆性明显,再生粗骨料掺量较低时会出现应力台阶;随着再生粗骨料置换率增大,高强再生混凝土强度、弹性模量呈下降趋势,峰值应变小幅度增大,极限应变先增大后减小;拟合了试验所得应力-应变全曲线,效果较好。     

基于损伤塑性模型的砌体墙体非线性有限元分析

为了研究砌体墙体用钢结构加固后的力学性能,需要提供较准确的砌体墙体非线性计算,考虑到砌体与混凝土的材料性质具有相似性,将混凝土损伤塑性模型经修正后应用于砌体数值模拟,实现对砌体墙体的非线性有限元分析。通过与水平加载试验结果对比,验证了有限元模型的正确性。探讨了损伤塑性模型中的粘性系数、膨胀角、砌体本构关系中的初始弹性模量、受拉应力应变关系对计算结果的影响。结果表明:粘性系数和膨胀角对抗剪承载力、峰值位移及下降段性能均有较大影响,而对初始刚度影响很小;随着初始弹性模量的增大,砌体墙体抗剪承载力随之提高,但峰值位移无明显变化;受拉应力应变方程中待定系数的取值,对抗剪承载力及峰值位移影响较大。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

滨海高水位下渗透性风化岩的损伤模型研究

滨海地区风化岩层中高地下水位对地下工程的影响是长期被关注的热点问题。从岩土材料应力-渗流-损伤完全耦合作用下的弹塑性特点出发,提出一种适用于风化岩层的流固耦合弹塑性损伤本构模型。考虑岩土材料抗拉性能和抗压性能的差异,选取修正的Mohr-Coulomb破坏准则作为岩土介质的塑性理论模型,采用有效应力空间进行应力-应变计算,把塑性计算与损伤计算进行解耦,并对有效应力进行谱分解,分析了拉、压不同状态应力下岩土体材料损伤演化的不同规律,利用得到的应力、应变和损伤变量,与介质的渗流参数建立相应的关系,实现了应力-渗流-损伤的完全耦合。此外,基于Abaqus软件平台及回映算法编制了相应的非线性程序,结合算例将所得计算结果进行了系统分析,初步验证了该理论的可靠与合理性。研究成果可为滨海城市中深基坑开挖诱发地层渗透破坏等灾害的控制提供理论依据。     

基于粘结单元的FRP-混凝土粘结界面的数值分析

采用指数函数分析模型拟合纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP)与混凝土粘结界面单剪试验的荷载滑移曲线,在现有分析模型基础上,提出一个基于粘结界面单元采用损伤演化方法输入粘结界面本构关系的分析模型,并基于该模型提出一种FRP-混凝土界面粘结性能的有限元分析方法。结果表明:本模型能较精确地反映剥离破坏过程中FRP的荷载滑移关系和应变分布。通过有限元分析得出的荷载滑移曲线与分析模型完全吻合,FRP应变分布与实验结果也吻合较好。验证了分析模型的正确性和精确度以及该分析模型的有限元模型的正确性。     

基于ABAQUS的岩爆形成机理研究

本文对岩爆进行了分类,从建立岩石材料的损伤本构模型出发,结合断裂力学的有关概念给出了岩石破坏发生的判别准则,从而系统地解释了岩爆的形成机制.结合圆形洞室围岩应力分布,对具体的工程实例运用ABAQUS进行数值模拟,分析了发生岩爆的地下洞室围岩的应力状态及相应的灾变位置.     

多重线性软化材料的拉伸应变局部化及力学行为分析

峰后线性应变软化本构关系的拉伸局部化带内部的塑性应变分布及试样的峰后应力—应变关系的理论解答不适用于复杂情形,在双线性应变软化条件下,得到了拉伸局部化带内部的塑性拉伸应变分布及试样的峰后应力—应变关系的理论表达式,又将其推广为多重线性应变软化情形,这在一定程度上拓展了考虑峰后应变局部化的单向拉伸试样力学行为模型的适用范围。拓展后的模型具有广泛的适用性,可模拟峰后的Ⅰ类及Ⅱ类(回跳)行为。通过选择适当的塑性模量(依赖于应力水平)与拉伸局部化带宽度的比值,本文的模型可以精确地模拟多种准脆性材料(例如岩石及混凝土)在单向拉伸条件下的复杂的峰后力学行为。     

基于灰色理论的冻融混凝土本构方程研究

我国北方处于寒冷地带,低温和冻融循环作用是造成混凝土性能劣化的重要原因。由于混凝土单轴受压应力—应变全曲线反映了混凝土最基本的力学性能,因此研究冻融循环作用下混凝土的应力—应变全曲线十分重要。本文通过已有的冻融混凝土单轴压缩试验所得的应力—应变关系参数,基于灰色理论建立预测方程,以小样本数据为基础,预测其他冻融次数下的混凝土本构方程参数。再根据过镇海建议的混凝土本构曲线进行拟合,得到一系列不同冻融次数下的混凝土应力—应变全曲线。结果表明,本文所拟合出的冻融混凝土应力—应变全曲线跟实验曲线吻合较好,可以用于试验范围内任意冻融次数的混凝土应力—应变全曲线的研究。