混凝土单轴压缩损伤的模型试验研究

开展含微裂纹缺陷材料(混凝土)破坏行为的研究,是当今力学界研究的重要课题之一.通过试验分析微裂纹扩展与损伤演变的关系,可得到损伤的扩展及弹性模量的降低并不仅仅取决于最初的微裂纹密度大小等结论,从而为理论研究提供了必要的试验依据.     

脆性材料裂纹与损伤相互作用的试验研究

为研究岩石等脆性材料的损伤对裂纹动态扩展的影响,采用动态透射焦散线方法,模拟脆性材料裂纹与损伤相互作用的动态过程,进行多种损伤情况下有机玻璃试样裂纹动态扩展过程试验研究,讨论不同类型损伤对脆性材料裂纹动态扩展规律的影响和裂纹与损伤相互作用的机制。试验结果表明:不同类型的损伤对裂纹扩展影响不同,除裂纹型损伤外,其他几种类型损伤的存在均会引起裂纹扩展出现短暂停滞,停滞时间与损伤的尺寸及距离扩展裂纹路径的距离有关系;裂纹扩展路径上存在单个圆孔时会影响裂纹扩展速度,裂纹消耗能量增大;而多个圆孔情况下,材料局部弱化,裂纹扩展速度增大,而裂纹扩展消耗能量降低;表面损伤和局部贯通裂纹的尺寸、相对裂纹扩展路径距离等影响裂纹扩展速度,但能量消耗并未增大;对称裂纹相互竞争,同步扩展,裂纹尖端位置或裂纹长度的微小差别(例如裂纹长度相差3.68%)就会对裂纹起裂产生明显影响,导致2个裂纹起裂时间不同,裂纹扩展以后,先起裂的裂纹尖端应力强度因子大说明能量集中到相应裂纹尖端,从而越有利于该裂纹的扩展,扩展速度也就越大(相差约38.9%),相同条件下裂纹扩展所消耗的能量也越大。     

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。     

基于能量耗散原理建立的损伤本构模型

在不可逆热力学的基础上,从材料微裂纹引起的能量耗散相等的角度出发,确定了材料的Helmholtz自由能的具体形式,从而得到一种新的建立脆性材料损伤本构关系的方法.并结合岩体特点,推导出了平面应变情况下含单组节理裂隙岩体的本构关系的具体形式.损伤演化率则在前人研究的基础上结合断裂力学及细观损伤理论给出.     

裂纹修补材料对损伤混凝土力学性能的影响研究

混凝土结构裂缝的鉴定、修补及加固是一项庞大及十分复杂的系统工程。为了更加有效地修补裂缝,根据混凝土裂缝的形成机理和主要原因,研究裂纹修补材料对损伤混凝土的抗压强度、变形性能及声发射特征的影响。结果表明：受损伤混凝土涂抹裂纹修补材料后的抗压强度得到提高,在硫酸钠溶液中浸泡后的抗压强度比未涂抹修补材料的混凝土提高3～5MPa;涂抹裂纹修补材料的损伤混凝土的应力-应变曲线上升段较陡,反应出的强度高;涂抹裂纹修补材料后,损伤混凝土的微裂缝得到修补,延迟了声发射“活跃阶段”的出现。     

基于均匀化理论的岩石细观力学损伤模型 及其应用研究

基于均匀化理论构建细观力学损伤模型的热动力学框架,提出运用Eshelby夹杂问题解的岩石损伤摩擦耦合模型.其中,岩石被认为是由弹性固体基质和裂纹构成的非均匀材料.在细观力学分析的基础上,首先导出裂隙岩体宏观自由能的一般表达式及相应的热力学力,进而采用库仑型滑动摩擦准则和非关联流动法则来确定非弹性应变的变化率;损伤的演化用修正的Mazars损伤准则来描述.该模型能够考虑岩石及岩石类材料在外力作用下的主要力学现象如非线性应?C应变关系、材料损伤的各项异性、裂纹面内损伤和滑移的耦合、静水压力对力学响应的影响、体积膨胀以及裂纹闭合效应等.用提出的细观损伤模型模拟大理岩的常规三轴试验.研究结果表明,模拟值和试验值之间有较好的一致性,从而验证了模型的合理性和有效性.     

类岩石材料微裂纹损伤模型分析

本文建立了压缩荷载作用下类岩石材料的二维和轴对称微裂纹损伤的有效场模型及三维微裂纹损伤的Ｔａｙｌｏｒ模型,分析了微裂纹随外加应力而发生扩展的运动过程,根据扭折型裂纹模型建立限损伤柔度的求解公式,并给出了算例。二维模型和轴对称模型的数值模拟结果表明本文提出的有效场模型的计算结果介于Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果之间,与实验结果具有良好的一致性。三维模型的数值模拟结果则表明中主应力对类岩石材料的     

基于裂纹扩展机理的损伤混凝土强度预测方法研究

为解决含裂纹混凝土强度的预测问题,以断裂力学与细观力学相结合的方法,在混凝土双K断裂准则的基础上,提出了混凝土裂纹演化方程,给出混凝土裂纹特征尺寸随应力变化的表达式,由此得到了含裂纹混凝土材料的损伤本构关系。在此基础上,对含有裂纹的损伤混凝土强度进行了预测,与已有细观试验结果进行对比,表明该方法具有足够的精确度,此后重点讨论了裂纹角度对混凝土强度的影响。此方法可为混凝土结构中损伤混凝土的性能评估奠定一定的基础。     

考虑应变率效应的混凝土损伤特性试验研究

利用损伤力学的观点,用弹性模量损伤和能量损伤相结合的方法定义损伤变量,分析了基体强度为40MPa、钢纤维含量为0和2.0%的混凝土在4种应变速率(10-5、10-4、10-3、5×10-3s-1)下的单轴压缩试验数据,比较了普通混凝土和钢纤维混凝土在4种应变速率下的损伤特性,并对混凝土材料的损伤机理进行了分析。试验分析表明:①混凝土材料在加载初始阶段普通混凝土的损伤比钢纤维混凝土的损伤小,混凝土内部为微观裂纹的发育发展;当加载到一定程度时,普通混凝土的损伤则比钢纤维混凝土的损伤大,混凝土内部为宏观裂纹的发展和贯穿;②混凝土在加载的初始阶段,普通混凝土的损伤比钢纤维混凝土的损伤小,但应变速率越大,两种混凝土之间的损伤差异越小;③试验加载速率越高,普通混凝土损伤大于钢纤维混凝土损伤时材料的应变越小,对应的损伤值也相应越小;④普通混凝土加载速率越高,损伤程度会随应变加载速率的提高而增加;⑤钢纤维混凝土在加载初始阶段,混凝土中仅有微观裂纹,不同加载速率下,损伤发展趋势一致;在峰值应变后应变速率越高,裂纹扩展和贯穿的速度越快,损伤程度也越大。     

损伤自诊断机敏混凝土的研究

混凝土本身是一种高电阻率的惰性材料.通过掺入一定体积含量(0.2～1.2vol%)的短切碳纤维,可制得导电的机敏混凝土.该混凝土具有无损诊断内部损伤的功能,其表观电导特性与其内部损伤有密切关联.当混凝土内部裂纹产生或扩展时,表现出混凝土的电阻率上升;而当混凝土内部裂纹闭合时,其电阻率下降.机敏混凝土的电阻变化与所受荷载呈良好的线形关系;而不含碳纤维的普通混凝土在整个受荷过程中,其电导特性则无明显变化.机敏混凝土电导特性的变化提供了混凝土材料内部损伤状况丰富的信息,根据这一特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤,防止混凝土结构潜在的脆性破坏.     

混凝土结构损伤过程区几何特性数值研究

 梯度依赖损伤模型是研究具有局部化行为特性的混凝土结构时常用的模型。按照“能量耗散非局部化”的原理,梯度依赖损伤模型的特征长度应该是损伤演化相互影响物质点间的最大距离。对混凝土构件的塑性损伤演化行为进行了数值模拟研究,主要目的是获得典型混凝土构件损伤局部化带的几何分布特性,包括损伤过程区的长度参数大小及变化规律。采用的模型为四点剪切混凝土梁,使用ABAQUS/EXPLICIT作为数值工具,得到的主要结果有：(1) 对于给定的宽高分别为0.15和0.40 m的双边缺口梁,完整损伤区的长度为0.042 1～0.061 2 m。损伤区长度在损伤演化过程中变化的原因是损伤区的应变状态发生了变化,由初始的剪应变为主的变形形式逐渐变为后期的拉伸应变为主的变形形式。(2) 在加载后期会有次级损伤过程区出现,完整的次级损伤过程区的初始长度为0.036 7 m。(3) 对于给定的宽高分别为0.10和0.44 m的单边缺口梁,在损伤演化扩展过程中一个完整损伤区的长度为0.047 3 m。上述结果可供梯度依赖损伤模型为特征长度取值时参考。     

一个用于预测金属板材断裂的损伤破坏准则

基于连续介质损伤力学 ,提出了描述金属板材塑性损伤的演变方程 ,并依此得到了一个用于预测金属板材断裂破坏的简单准则 .其中特别考虑了剪切机制和剪切应力在金属薄板损伤发展和最终破坏过程中的作用 ,同时也引入了材料微观损伤对材料机械性能的影响 .提出的损伤演变规律 ,可近似表征金属薄板在成型过程中损伤的发展变化 ,计算得出的损伤曲线与有关实验曲线比较吻合 .给出的损伤破坏准则 ,可直接用于预测金属板材的断裂极限应变     

基于能量耗散和声发射的岩石损伤本构模型

为了更好地研究单向受载下岩石的本构关系和损伤演化规律,利用泥岩的单向压缩和声发射试验,分析了岩石的变形特点、能量转化和声发射特征,在此基础上,分别建立考虑能量耗散和声发射的损伤演化方程,提出初始损伤和临界损伤的定义,构建了能够反映岩石压密过程和残余强度阶段的损伤本构模型,并通过单向压缩试验结果对比分析了两种损伤演化规律及理论损伤本构关系。研究结果表明,两种损伤演化规律基本一致,都经历损伤缓慢增加、加速增加和残余损伤3个阶段;材料参数分别影响应力强化、软化和整体应力-应变曲线;两种理论损伤本构关系均较好地反映了岩石的单向受载变形特征,从而证明了所建损伤本构模型符合实际。     

Quantification of pre-peak brittle damage: Correlation between acoustic emission and observed micro-fracturing

Acoustic emission (AE) is a useful non-destructive technique to determine whether damage in rock material has occurred, even though the interpretation of AE can be complex. In this paper, two laboratory situations are studied, to investigate the correlation between micro-fractures and AE. In the first case, damage is induced by pure macro-compressive stresses and in the second case by macro-tensile stress (in one direction). The specific evolution of the recorded cumulative AE energy as a function of the applied load leads, in both cases, to a subdivision of the loading in different phases. Thresholds for the transition of these phases are defined. A thorough petrographical analysis of thin slices of samples, damaged to these different thresholds, allows a physical interpretation of damage phases. This methodology leads to a damage evolution model both for macro-compressive and macro-tensile stresses. This paper demonstrates the advantages of the combined use of AE and detailed petrographic study of thin rock slices. Furthermore, insight is provided on the pre-peak damage evolution caused by macro-compressive and macro-tensile stresses in rock material.     

基于微震反演裂隙的采动岩体损伤分析方法及其工程应用

采动条件下岩体发生渐进损伤诱使裂隙萌生、发展和贯通,继而形成导水通道诱发突水灾害.该过程涉及裂隙演化及岩石损伤等问题,使得突水灾害具有动态复杂性的特点.显然,从理论上准确解译突水通道及其演化规律是十分困难的,需要依靠现场监测和数值模拟手段.为此,从"岩体变形破裂过程中,微震现象的主要本质是裂隙的扩展"学术观点出发,建立...     

岩石的风化损伤属性与缩小防护煤柱开采机制研究

以大量试验数据、现场测试资料和大规模缩小防护煤柱开采工程实践为依据,研究隐伏煤田基岩风化带的分布特点。结果表明:岩石风化损伤后具有强度降低,塑变能力增强;多趋泥化,裂隙易于弥合,再生隔水能力显著增强,亲水能力强等变异特征以及工程地质特性。重点论述风化带内煤层开采具有移动快、变形大、回缩快和下沉大等覆岩破坏移动演化新特征,获得以泥质岩类为主的风化带岩层受开采扰动的影响,具有阻隔底含水下渗和抑制导水裂隙带继续发展的双重作用和煤岩柱厚度与风化程度是影响导水裂隙带发育高度的主导因素等新的认识。同时,阐述了缩小防护煤柱开采的机制,系统地提出了采空区滞后控水、煤水分流、加大开采高度、物探预测和地质弱面预先加固等一系列确保安全的关键技术保障措施。对类似矿井浅部资源的回收与安全开采具有理论意义和应用价值。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

锦屏二级水电站深埋引水隧洞处于西南高应力区,地质条件复杂,岩爆、突水、塌方等工程地质灾害突出,掌握TBM开挖围岩损伤演化规律,设计有效的支护方案防治TBM施工过程地质灾害的发生是非常重要的。为此,开展TBM施工过程中声发射监测试验,研究TBM开挖过程中围岩损伤的演化规律。试验结果表明:沿洞轴线方向,TBM开挖时掌子面前约10m的范围内围岩已受到不同程度的损伤,TBM开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m的范围内,其中以掌子面后3m时为最;沿洞径方向,围岩受损伤的范围约9m,根据损伤程度的不同,划分为松动区、损伤区和扰动区,依次为距洞壁3,3～9和9～22m的范围。从力学的角度揭示损伤演化的机制和松动区、损伤区和扰动区划分的依据,为支护措施设计与支护时机的选取提供科学依据。分析讨论传感器选取、传感器布置、现场噪音及地质条件等各种因素对围岩损伤结果的影响及进一步发展和研究的方向。     

不同开挖方式下岩石高边坡损伤演化过程比较

 不同岩石高边坡开挖方式对保留岩体的损伤范围有重要影响。基于LS-DYNA二次开发的累积损伤仿真技术,对光面爆破和预裂爆破2种不同爆破方式下的开挖损伤全过程进行数值仿真。计算结果表明,光面爆破开挖方式下爆破损伤具有明显的累积特征,其中,主爆孔产生的累积损伤最严重,光面爆破次之,缓冲爆破最小。预裂开挖方案中,保留岩体几乎仅受到预裂孔的损伤作用,但预裂孔本身的损伤大于光爆孔。对比2种开挖方式下最终保留岩体的损伤分布特征：光面爆破开挖方式下,保留岩体中沿轮廓面分布较小范围的高程度损伤区以及中下部分布较大范围中等程度损伤区;预裂开挖方式下,保留岩体仅存在范围相对较大的沿轮廓面分布的高程度损伤区。     

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。