纤维混凝土的低温性能和冻融损伤机理研究

研究了低温环境下(气温变化为-15~5℃),聚丙烯腈(PAN)纤维对混凝土力学性能增长趋势的影响,探讨了快速冻融试验条件下(-17.5~7.5℃)PAN纤维混凝土的抗冻融耐久性,通过扫描电子显微镜(SEM)观察了PAN纤维在混凝土中的分散性以及纤维和混凝土界面结合状况.结果表明:掺入PAN纤维增加了混凝土的含气量、改善了混凝土的微观结构,提高了混凝土抗裂阻力,因而有利于混凝土低温环境下的强度增长和提高了混凝土的抗冻融耐久性.混凝土经受冻融循环破坏实质上是疲劳损伤累积的过程.通过实验研究和理论分析,探讨了聚丙烯腈纤维混凝土冻融疲劳损伤的机理,研究了纤维对混凝土抵抗冻融破坏的影响,建立了聚丙烯腈纤维混凝土冻融损伤的演变方程.     

Fuzzy-random probabilistic analysis of rock mass responses to explosive loads

This paper addresses the effects of randomness of initial damage in a rock mass and the critical tensile strain of the rock material on its dynamic responses and damage under explosive loads. A fuzzy definition is proposed to describe the fuzzy nature of failure phenomenon in a rock mass. The initial damage of the rock mass is estimated using the longitudinal and transverse elastic wave velocities. By using statistical analysis, the initial damage of the rock mass is found having the Beta distribution. The statistical estimation of a damage state and properties of randomly damaged rock mass are evaluated by the Rosenbluth's point estimate method. In numerical calculation, an isotropic continuum damage model with the initial damage and the cumulative damage dependent on an equivalent tensile strain is suggested to model the rock mass behavior under blast loads. A Beta distribution is proposed to represent the probabilistic distribution of the damage variable of the rock mass under explosive loads. Several types of membership functions are suggested to represent the fuzziness of material failure. Based on the fuzzy–random probabilistic theory, a model including both the effects of randomness and fuzziness is proposed for the failure analysis of rock mass under explosive loads. The suggested models are coded and linked with an available computer program AUTODYN2D through its user's subroutine capacity. The fuzzy failure probability and dynamic responses of the rock mass are calculated. Numerical results are compared with those obtained from independent field tests.     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟与CT试验验证

在混凝土细观损伤的CT试验基础上,以密度损伤（CT数变化）变量为基础,建立了混凝土分段损伤演化方程,以此进行了混凝土试件单轴受压的细观损伤数值模拟。并从混凝土破坏图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟结果与CT试验结果,结果表明,试件破坏时裂纹扩展过程与CT观测到的相似,实现了将细观密度损伤（CT数变化）与试件的宏观力学性能的劣化相联系,为改进试验设计提供了力学依据,并使在可靠和有效的前提下用数值方法取代部分试验成为可 能。     

冻融与酸雨侵蚀共同作用下混凝土损伤分析

进行了快速冻融和酸雨侵蚀作用下的混凝土室内模拟试验, 研究了冻融和酸雨侵蚀作用下混凝土的质量损失和相对动弹性模量变化规律. 试验结果表明, 混凝土在冻融-酸雨复合环境下的损伤大于冻融作用下的损伤. 通过分析研究, 建立了冻融循环和酸雨侵蚀共同作用下不同水胶比混凝土的质量损失与冻融循环次数的函数关系及冻融与酸雨腐蚀共同作用下混凝土损伤演化方程, 为冻融环境混凝土结构耐久性设计与评估奠定了基础.     

不平整路面上的非稳定车流荷载研究及应用

车辆动荷载是引起路面损坏的最主要原因。目前国内外相关研究多集中于单一车辆对路面结构所产生的动荷载,实际上路面结构所承受的是车流荷载,而且车流在行驶过程中各车辆的车速和车辆之间的距离会产生变化,但关于这方面的研究甚少。针对这一工程实际问题,采用微观交通流模型中的跟车模型来模拟车流行驶过程中各车辆的速度以及它们之间车距的变化,车辆振动模型采用1/4车身结构的两自由度模型,并根据国家标准GB7031-86[1]规定生成路面轮廓的时域信号。最后分析了某水泥混凝土路面在生成的车流荷载作用下的动力响应,为研究车流荷载作用下路面结构动力响应提供了基础性成果。     

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。     

大比尺钢衬钢筋混凝土马蹄形压力管道改性试验研究

为从根本上解决常规钢衬钢筋混凝土压力管道因运行期的裂缝过宽而带来的结构耐久性问题,采取将常规混凝土改性为高性能的钢纤维混凝土或钢纤维自应力混凝土的方法。以某水电站全背坝面管为原型,以1：10缩尺制作了钢衬钢筋钢纤维混凝土压力管道模型和钢衬钢筋钢纤维自应力混凝土压力管道模型。试验结果表明,改性为钢纤维混凝土的压力管道表现出很好的限裂能力,其初裂荷载有一定的提高,管道裂缝宽度显著下降;改性为钢纤维自应力混凝土的压力管道表现出很好的抗裂能力,管道的初裂荷载有了大幅度的提高,钢材的性能也得到了较充分的利用。模型试验的结果显示了改性钢衬钢筋混凝土压力管道良好的应用前景。     

不同级配珊瑚砂水泥胶结体的破坏行为分析

为探究不同级配的珊瑚砂水泥胶结体在静、动荷载下的破坏行为,利用落锤冲击试验机对不同级配的珊瑚砂水泥胶结体试样进行了一系列冲击试验,并结合静力压缩试验,综合分析了珊瑚砂水泥胶结体的力学行为及破坏形态。试验结果表明：珊瑚砂的级配区间越广,其水泥试块的抗压强度越大、抗冲击性能越强、受冲击破坏程度越小且破碎角逐渐递减;珊瑚砂水泥试块在不同种类的荷载作用下展现出不一样的破坏形态,区别于混凝土试块。在此基础上,建立了三维离散元模型,以模拟的应力-应变曲线与静力试验结果相吻合作为PFC细观参数的选取原则,并利用该细观参数对试块冲击试验进行数值重现。通过细观分析可以看出：从裂隙分布角度分析,随着级配区间越广、平均粒径的增大,均匀且分散的冲击微裂隙会越来越集中往某个方向发展,使得试块的裂缝数量减小、破损程度减轻。从系统黏结力角度分析,级配区间范围窄的试块内部黏结力较小且分布均匀,级配区间范围广的试块内部黏结力较大且分布不均匀。     

地下工程衬砌与减震层接触面力学特性直剪试验及数值仿真

泡沫混凝土作为隧道减震材料在抵抗地震压剪荷载方面具有重要作用,为了研究减震层-衬砌接触面在地震压剪荷载作用下的破坏特征与剪应力演化规律,利用RMT-150C电液伺服试验机开展了二者接触面在不同法向应力下的直剪试验,获得了剪应力-剪切位移、峰值强度、残余强度、剪切刚度的变化规律及接触面的破坏特征和物态变化。根据有限元模拟结果,探究接触面上剪应力的分布及演化规律。研究表明：泡沫混凝土-衬砌接触面的破坏特征受法向应力与泡沫混凝土密度共同影响,其剪应力-剪切位移曲线形态可归结为3种类型,且随泡沫混凝土密度和法向应力的变化可以相互转化;泡沫混凝土密度及法向应力对接触面峰值强度、残余强度及剪切刚度的影响是相互的,且法向应力的影响权重较大。根据剪应力-剪切位移曲线的变化规律,提出了复合指数模型来反映泡沫混凝土-衬砌接触面在压剪作用下损伤演化及摩擦滑移过程,研究结果可以为更加有效的抗减震设计提供一定参考。     

Simulation of damage–permeability coupling for mortar under dynamic loads

The results reported in this paper deal with the simulation of damage in cohesive geomaterials such as rocks or concrete subjected to dynamic loads. The practical objective is to stimulate the production of tight gas reservoirs with a technique that is an alternative to hydraulic fracturing. The principle is that when subjected to dynamic loads, cohesive materials such as concrete, rocks or ceramics exhibit distributed micro‐cracking as opposed to localised cracking observed under static loads. Hence, a low permeability rock containing gas trapped into occluded pores can be fragmented with the help of dynamic loads, and gas can be extracted in a much more efficient way compared with hydraulic fracturing, where only large macro cracks are formed with very few connections between occluded pores. At the stage of laboratory development of this technique, compressive underwater shock waves have been used to increase the intrinsic permeability of concrete specimens. In a previous study, pressure waves generated by pulsed arc electrohydraulic discharges in water were used in order to induce micro‐cracking and an increase of average permeability of concrete hollow cylinders subjected to confinement stresses (equivalent to geostatic stresses). We discuss here a 3‐D anisotropic constitutive model aimed at describing the dynamic response of these specimens. It is based on rate‐dependent continuum damage constitutive relations. Crack closure effects and damage‐induced anisotropy are included in the model. The directional growth of damage is related to the directional growth of material intrinsic permeability. Numerical simulations of damage induced by shock waves show good agreement with the experiments for various confinement levels of the specimens. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Evolution of the shape parameter in the Weibull distribution for brittle rocks under uniaxial compression

Applying the statistical damage theory based on the Weibull distribution to describe rock deformation and failure processes is an important development in rock mechanics. The shape parameter of the Weibull distribution, m, determines the basic shape of the distribution curve; additionally, it also represents a physical characteristic which can be applied when constructing rock constitutive models. To study the evolution of m during rock failure when applying the Weibull distribution to rock mechanics, uniaxial cyclic loading tests of shale specimens were conducted and previous rock mechanics experiments under different temperatures and loading rates were reviewed. The results indicate that m varied with the accumulation of damage but was almost constant between the volume expansion point and the peak strength point of each specimen. Combined with previous studies about the accelerated failure behavior of rocks, we conclude that between the volume expansion point and the peak strength point, the mechanical behavior of the rock fracture process did not change significantly. Based on the characteristics of m at different damage stages during the rock failure process, ranges of m values at different damage stages are proposed. The conclusions reached in this study may be used as an important reference for theoretical research on rock mechanics.     

基于能量损失的抗滑桩损伤模型及其应用

抗滑桩承受荷载的过程伴随着桩身结构的损伤累积,为了获得抗滑桩损伤演化情况,基于Najar损伤理论推导了随应变变化的损伤因子表达式,建立了抗滑桩受拉、压荷载作用下的混凝土损伤模型。将该损伤模型嵌入至Abaqus/CAE模拟程序自带的混凝土塑性损伤模型中,分析了二郎山1#滑坡抗滑桩损伤情况,得出如下结论,采用文中构建的拉、压损伤模型模拟得出的桩顶水平位移为30.3cm,与现场观测的桩后裂缝宽度数据相吻合,得出滑坡推力增大是导致二郎山1#滑坡抗滑桩产生大变形的直接原因;抗滑桩在产生大位移过程中受压损伤值较小,桩身未发生压破坏;抗滑桩在产生大位移过程中靠近滑坡一侧滑面位置的拉损伤较为严重,并产生了拉破坏,损伤区域达到截面面积的3/4,是抗滑桩工程修复亟需关注的位置。      

钢纤维煤矸石混凝土抗冻性能及损伤模型研究

为研究钢纤维煤矸石混凝土的抗冻性能,以冻融循环次数和钢纤维掺量为主要变量,通过快速冻融试验,研究不同掺量的钢纤维煤矸石混凝土的表观形貌、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度的变化规律;并依据钢纤维煤矸石混凝土动弹性模量的变化,定义钢纤维煤矸石混凝土的损伤变量,建立冻融环境下钢纤维煤矸石混凝土的损伤模型。研究结果表明：在冻融环境作用下掺入适量的钢纤维能够降低煤矸石混凝土的质量损失和减缓相对动弹性模量的下降,提高煤矸石混凝土的抗冻性能;依据损伤变量提出的损伤模型与试验数据符合较好,可以为冻融环境下钢纤维煤矸石混凝土的耐久性研究提供理论参考。     

季节冻土区盐渍土环境下混凝土抗冻耐久性机理

为了研究混凝土在冻融交替与盐类侵蚀双重因素作用下的抗冻耐久性能,根据季节冻土区大安境内盐渍土中主要易溶盐的类型与含量,配制了3种质量分数的复合盐侵蚀溶液,制备了普通混凝土、2种引气混凝土及2组粉煤灰混凝土试件,进行盐蚀[CD*2]快速冻融循环试验,对盐冻破坏后混凝土的质量损失、动弹性模量衰减及其微观结构进行分析。试验结果表明:在冻融循环作用下,复合盐加剧了混凝土的冻融剥蚀破坏;混凝土的冻害程度与侵蚀盐溶液的质量分数、冻融循环次数、混凝土的含气量、粉煤灰掺量等因素有关;造成混凝土发生盐冻破坏的原因有水结成冰的膨胀压力,或冰与水的渗透压力以及复合盐与水泥水化产物发生的化学侵蚀和盐类的结晶膨胀,其中,盐类结晶压对混凝土内部结构的破坏更严重。     

金沙江特大桥左岸岸坡岩体结构面强度参数取值及工程稳定性评价

丽香铁路金沙江特大桥位于金沙江虎跳峡镇高地震烈度深切峡谷地段。香格里拉端岸坡地形陡峻,卸荷裂隙发育,岸坡岩体在地震及工程荷载作用下的稳定性直接控制了桥梁选址方案的可行性。在深入分析对岸坡工程地质条件的基础上,基于节理特征分析的Barton模型、岩体结构面强度实验,讨论了岩体结构面强度参数,并在此基础上采用底摩擦实验研究了岸坡在自然和工程荷载作用下的稳定性,进而采用离散单元法计算分析了岸坡岩体在自然、桥基荷载作用下、地震加桥基荷载作用工况条件下的破坏趋势。研究表明,岸坡整体稳定,但在地震和桥梁荷载作用下,岸坡卸荷裂隙进一步发育,对桥基影响较大,应加强卸荷带岩体的工程整治以确保桥基安全。     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

基于损伤塑性模型的地下洞室结构地震作用分析

基于损伤力学原理,通过引入损伤变量的方法,详细推导了ABAQUS中的损伤塑性本构模型,描述混凝土后继屈服阶段及其卸荷后的损伤机制和力学行为。此本构模型可考虑循环荷载条件下材料刚度退化和应变率的影响,适用于类似混凝土材料的脆性材料,如岩石等。以某水电站地下厂房洞室结构为例,进行二维动力时程非线性分析,考虑不同的刚度恢复权重因子和应变率相关性对结构损伤的影响。多个数值算例表明：洞室混凝土结构和其周围一定深度的围岩的损伤是一个渐进积累的过程;材料的率相关性效应并不是在地震动作用开始时就立即产生,而是在一段时间后,结构经历一定程度的损伤后才慢慢体现出来;此损伤塑性模型适合地震荷载等循环荷载作用下地下洞室结构的动力时程非线性分析,尤其是强震下采用此损伤塑性模型是合理和必要的。     

复合盐与干湿循环双重因素作用下混凝土耐久性试验

吉林省大安市是松嫩平原土壤盐渍化最严重的地区之一,以苏打盐渍土为主,境内的土壤与地表水中的易溶盐分量相似。为了研究复合盐与干湿交替环境下混凝土的耐久性,根据大安地区盐渍土中主要易溶盐的含量,配制了4种不同质量分数的复合盐侵蚀溶液,再以水溶液用于试验对比,共制备了5种配合比的混凝土,进行盐浸-热烘试验。结果表明：在干湿循环条件下,复合盐对混凝土材料有较强的腐蚀性,而且盐溶液的质量分数越大,混凝土破坏越严重;干湿循环作用后,混凝土的质量变化规律为先增加后减少,而动弹性模量先呈小幅增长,达到一定干湿循环次数后,呈下降趋势;引气剂与粉煤灰均能够提高混凝土抗盐蚀-干湿循环的破坏能力,但引气混凝土提高效果更显著。     

成仁高速红层分布区开挖边坡变形特征及机制

四川盆地红层分布广泛,其特殊的工程特性常导致严重的地质灾害。通过分析成仁高速文宫连接线边坡的变形破坏特征,得出边坡在开挖和降雨的影响下破坏机制为蠕滑-拉裂。进一步用FLAC3D进行数值分析,显示开挖卸荷和降雨影响导致滑坡灾害,其后缘发生拉裂破坏,并引发滑坡前部发生剪切滑移破坏。针对该类型的边坡,开挖后应对路堑以上部分及时采取加固措施,避免降雨入渗软化土体,加剧滑坡变形破坏。      

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。