冻融劣化混凝土循环加卸载外包络线及能量演化

对历经不同冻融循环次数的混凝土进行了不同应变速率的单轴循环加卸载试验,分析了试验所得应力-应变曲线外包络线的特征,定义了单轴循环加卸载的耗散能、弹性应变能和塑性应变能,研究了这3种能量与冻融循环次数和循环加卸载次数之间的关系。结果表明:混凝土应力-应变曲线外包络线整体上呈先升后降的趋势;随着冻融循环次数的增多,混凝土的峰值应力逐渐减小而峰值应变逐渐增大;应变速率不影响应力-应变外包络曲线的形状;冻融循环影响混凝土的率敏感性;随循环加卸载次数的增加,混凝土的耗散能、弹性应变能和塑性应变能整体上均呈先增后减的变化规律;冻融循环削弱了混凝土的脆性;外力做功90%的能量用于不可逆转的变化过程。     

混凝土在循环荷载下变形特性及加载曲线包络线的研究

为研究混凝土在循环荷载下的变形特性,进行了2种不同应变速率下(10^-5/s,10^-4/s)混凝土轴向循环加卸载试验,对混凝土残余塑性应变与卸载点应变的关系及其共同点应变与卸载点应变的关系进行深入分析,并采用改进的Weibull统计模型对循环加卸载曲线的包络线进行拟合。研究结果表明混凝土在循环加卸载作用下应力应变曲线的包络线与单调荷载作用下的应力应变全曲线基本一致;改进后的Weibull统计模型能较好地拟合包络线。     

循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征

为了研究花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形及声发射特征,采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴和三轴循环加卸载试验。结果表明:三轴循环压缩下偏应力-轴向应变曲线的上凹现象和滞回环的迁移现象相比于单轴不太明显;峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系;单轴循环加卸载下,试样表现出柱状劈裂破坏,而在三轴循环加卸载下,试样则具有明显的剪切破坏特征;前5次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大,而在最后一次加载段弹性模量有所降低;三轴循环下试样在最后一次加卸载破坏时产生的声发射振铃计数要明显少于单轴循环。此外,在单轴循环下,每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台,而三轴下对应的损伤-时间曲线并未出现明显的平台,表明岩样损伤保持平缓增长。     

循环加卸载下大理岩损伤与能量演化特征

基于常规三轴循环加卸载压缩试验,分析了大理岩压缩变形过程中的变形特征、能量耗散及损伤演化规律。基于试验结果进行了大理岩弹塑性应变分离,试验结果表明随着轴向偏应力的增加,大理岩轴向弹性应变近似呈线性增加,而侧向弹性应变呈非线性增长。基于变泊松比的假定,建立了大理岩非线性弹性应力-应变本构关系,并据此分离辨识得到大理岩轴向和侧向塑性应变。采用等效应变理论,定义了大理岩损伤变量D,相应得到了大理岩三轴压缩变形破坏过程中的损伤演化特征,根据岩石损伤演化曲线可将大理岩三轴压缩变形过程分为3个阶段;分析了大理岩三轴压缩变形过程中的应变能特征,计算得到了大理岩压缩变形过程中的弹性应变能及耗散能,结果表明大理岩岩体单元耗散能与损伤变量增量ΔD之间呈较好的线性关系,二者均可用于描述大理岩压缩变形过程中的损伤破坏特征。     

循环加卸载下混凝土滞回环特性研究

通过开展不同侧压下的混凝土循环加卸载试验,分析了侧压、应变速率对应力应变全曲线中滞回环面积的影响,提出了一种基于应力应变全曲线的简便滞回环面积统计法,建立了滞回环面积与循环次数之间的关系。结果发现,混凝土单位体积耗散能随着循环次数的增加先增后减,单位体积耗散能最大值与峰值应变有密切联系;在循环加卸载过程中混凝土的单位体积耗散能具有明显的侧压敏感性。利用Weibull统计分布模型对混凝土在循环加卸载过程中单位体积耗散能随循环次数的变化关系进行了拟合分析。计算结果表明:不同侧压下循环加卸载曲线滞回环面积与循环次数服从双参数Weibull模型分布。     

循环加卸载下高脆性黑砂岩强度及损伤试验研究

为研究高应力循环加卸载条件下脆性硬岩强度特性和参数演化规律,开展了不同围压水平下的黑砂岩循环加卸载试验,获得了高脆性硬岩全过程应力应变曲线和破裂特征,并借助塑性内变量来表征岩石损伤程度,研究了变形与强度参数随损伤的演化规律。研究结果表明：(1)循环加卸载试验中黑砂岩应力应变曲线存在屈服平台,峰后应力快速跌落,试样以剪切破坏为主;(2)从初始屈服到残余变形过程中,黑砂岩弹性模量呈先减小后增大的变化特征,在塑性内变量为0.80～0.85左右达到最小值,泊松比则呈先增大后减小的趋势;(3)黏聚力先随塑性内变量不断减小,在接近残余强度时保持稳定,而内摩擦角则呈先增大后减小的特征,强度参数与塑性内变量之间的关系可采用线性分段函数表示。     

循环加载条件下土的应力路径本构模型

土的应力应变关系与应力路径密切相关，充分接近的两条加载路径所产生的变形基本相同，因此可将任意应力路径转化为与其充分接近且易于计算变形的应力路径，从而获得变形。在此基础上，本文通过定义两个应力状态的参量，分别描述等应力比循环加载和等平均应力循环加载条件下土的塑性变形规律，以及两者的相互影响，并给出一个新的加卸载准则，在不增加任何土性参数的条件下，将现有的土的应力路径本构模型扩展应用于循环加载条件，建立了循环加载条件下土的应力路径本构模型。通过与试验结果的比较表明，本文提出的循环加载模型可较合理地反映土在往复荷载作用下的变形特性。模型简单易用，只含5个土性参数，并具有明确的物理意义。     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

砂岩分级加卸载蠕变特性试验研究

为了研究砂岩的蠕变力学特性,采用RLW-2000型流变试验机进行三轴分级加卸载蠕变试验。通过黏弹塑性应变分离的方法,得到砂岩在不同偏应力水平下的瞬时弹性、瞬时塑性、黏弹性和黏塑性应变,并对黏弹塑性应变及弹性模量的变化规律进行探讨。试验结果表明:岩石蠕变为黏弹塑性变形过程,加载过程中表现有瞬时变形、衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,卸载过程中表现出瞬时及滞后变形恢复现象;岩石初始蠕变速率与稳态蠕变速率比较可达2个数量级的差异,均随偏应力水平的提升而递增;岩石等时偏应力-应变关系表现出明显的非线性特征,曲线逐渐偏于应变轴,岩石蠕变变形同时具有线性和非线性特征。研究成果可为地下工程的长期稳定性研究提供一定参考。     

适用于饱和黏土循环动力分析的新型边界面塑性模型

为了合理评估嵌入式海洋工程结构在海洋环境中的动力响应和工作性能,有必要建立一种形式简单且能真实模拟饱和土体复杂动力特性的本构模型。本文基于广义各向同性硬化准则提出了适用于描述循环荷载作用下饱和黏土复杂动力特性的新型边界面塑性模型。模型引入广义各向同性硬化中心,实现边界面的等向硬化和运动硬化,以反映循环荷载作用下饱和黏土各向异性的演化。同时,土体的连续循环加载过程被分为三类加载事件：初始加载、卸载和再加载事件,采用不同的插值公式计算其塑性模量,以模拟循环塑性应变和孔压的累积;以该硬化中心作为映射中心,从而体现土体在卸载过程中产生的塑性变形,合理地模拟循环荷载作用下土体应力应变关系的滞回特性。应用该模型对饱和黏土在短期较高应力水平下和长期低应力水平下的循环动力特性进行预测,并与相关文献中的试验数据比较,证明了该模型的合理性。     

3DEC中节理法向循环加卸载模型开发

节理在循环加卸载作用下,其法向变形表现出了很强的非线性,Bandis根据室内试验成果,提出了用双曲线方程来表征节理法向应力与闭合量的非线性关系。鉴于目前3DEC程序在模拟节理非线性变形特征中的不足,结合3DEC提供的接口,对Bandis节理模型进行了二次开发,并给出了运用C++开发3DEC节理模型的步骤。同时,通过内部FISH语言开展了节理在循环加卸载条件下的单轴压缩数值试验,并与室内试验及理论结果进行对比。结果表明：开发的Bandis模型能较好地表征出循环加卸载条件下节理法向应力与法向闭合量之间的非线性关系;数值试验计算结果与理论值完全吻合,验证了所开发模型的正确性。研究成果为循环荷载下岩质边坡的稳定分析提供了基础。     

冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明:冻融作用后,砂岩受到损伤,在加卸荷作用下,裂纹的扩展方向改变,发育程度加剧,且在饱和组砂岩中表现明显;从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看,加载状态下砂岩以剪切破坏为主,卸载状态下以张拉和剪切破坏为主;加载条件下,冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大,且饱和砂岩较天然砂岩略大;卸荷条件下,各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致,当卸荷当量约为80%时,变性模量下降显著,而卸荷当量保持一定时,卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小,对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。     

变幅循环加卸载下硫酸盐侵蚀混凝土力学与变形性能

变幅循环加卸载下的力学及变形性能对硫酸盐服役地区混凝土结构至关重要。将混凝土试件提前浸泡于10%、15%、20%硫酸钠溶液5、7个月形成化学侵蚀损伤,再开展单轴压缩变幅循环加卸载试验,分析该过程中试件力学性能、变形性能以及耗散能演化规律。结果表明随着硫酸钠浓度和侵蚀时间增加,试件强度降低、破坏时完成的变幅循环次数减少。累积残余应变随着加载应变增大呈上升趋势,变化速率不断提高;加载应变差始终大于累积残余应变差,随着循环次数增加逐步接近;动弹性模量和塑性变形率随着循环次数增加整体呈提高趋势;耗散能随着循环次数增加而增大,尤其是在后期耗散能变化速率增快。     

大理岩球砾循环加卸载接触力学特性试验研究

为研究岩石颗粒在循环加卸载条件下的接触力学性质,采用直径60 mm的大理岩球砾开展系列压缩破碎试验、准静态循环加卸载试验和动态循环加卸载试验。试验结果表明:在压缩荷载作用下大理岩球砾的弹性变形阶段较短,弹塑性变形阶段处于主导地位;随准静态循环加卸载次数增加,大理岩球砾的累计塑性变形、接触刚度-位移曲线斜率以及等效恢复系数都逐步增大,但增幅逐渐减小,最后趋近于稳定值;动态循环加卸载试验中球砾的累积塑性变形随循环次数演化曲线可以划分成初始阶段、等速阶段和加速(破坏)阶段,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾在初始阶段产生的塑性变形越大,累计塑性变形曲线进入等速阶段所需循环次数也越多;动荷载作用下的阻尼比随循环次数增加而逐渐减小,最后渐趋于稳定,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾循环加卸载初期的阻尼比越大,随循环加卸载次数增加,上限荷载和荷载幅值对阻尼比的影响逐渐减弱。研究成果可为分析堆石料、铁路道砟等岩石颗粒材料受力变形特征提供理论依据。     

适用于饱和粘土循环动力分析的新型边界面塑性模型

为了合理评估嵌入式海洋工程结构在海洋环境中的动力响应和工作性能，建立一种形式简单且能真实模拟饱和土体复杂动力特性的本构模型显得极为必要。本文基于广义各向同性硬化准则提出了适用于描述循环荷载作用下饱和粘土复杂动力特性的新型边界面塑性模型。模型引入广义各向同性硬化中心，实现边界面的等向硬化和运动硬化，以反映循环荷载作用下饱和粘土各向异性的演化；同时，土体的连续循环加载过程被分为三类加载事件：初始加载，卸载和再加载事件，采用不同的插值公式计算其塑性模量，以模拟循环塑性应变和孔压的累积；以该硬化中心作为映射中心，从而体现土体在卸载过程中产生的塑性变形，合理地模拟循环荷载作用下土体应力应变关系的滞回特性。应用该模型对饱和粘土在短期较高应力水平下和长期低应力水平下的循环动力特性进行预测，并与相关文献中的试验数据比较，证明了该模型的合理性。     

循环加卸载下黄砂岩力学特性和能量演化规律

基于三轴压缩循环加卸载试验结果,对黄砂岩峰值强度、变形特征、弹性模量、能量转化和阻尼比变化规律开展了试验研究。结果表明:随着围压的增大,黄砂岩峰值强度满足线性增长的关系;而循环荷载对黄砂岩峰值强度影响较小。通过弹塑性应变分离,发现弹塑性应变量和弹塑性应变占比在岩石破坏的循环次数里存在陡变情况;在0~20 MPa围压下,黄砂岩加卸载弹性模量随围压增大而增大,当围压>20 MPa时,围压对黄砂岩加卸载弹性模量的影响变小。利用有限差分的方法计算了黄砂岩应变能、耗散能和阻尼比,得出耗散能随着循环次数增加先增加后减小,而阻尼比随循环次数增加先减小后增大,然后不断减小,最后趋于定值。研究成果可为黄砂岩工程应用提供一定的理论依据。