结构性土体破损全过程分析

本文运用伤力学和断裂力学理论,从能量的角度对结构性土体裂纹扩展进行了全过程分析,分析结果表明,结构性土体抗剪的断裂韧度小于其抗拉断裂韧度,在土体破损分析中,若能考虑运用损伤因素的影响来评价土体的工作状态,则比较安全。     

重塑压实黏土Ⅰ型断裂试验研究

为探究重塑黏土Ⅰ型断裂韧度,本文在前人研究基础上,通过对应变控制式直剪仪进行改造,消除了传统三点弯曲试验对土体断裂韧度测试所带来的影响,研制了土体Ⅰ型断裂韧度测试仪,并对重塑黏土进行了一系列试验。试验结果表明:新研制出的土体Ⅰ型断裂韧度测试仪具有较好的可靠性;对具有相同物理状态的试样,U 形裂纹试样的断裂韧度最大,三角形裂纹试样的断裂韧度最小;试样的含水率和干密度其断裂韧度KIC具有显著影响,随含水率增加,断裂韧度呈现先增后减的变化规律,而随干密度增加,断裂韧度几乎线性增加;在试验采用的加载速率范围内,加载速率对断裂韧度的影响较小。     

结构性黄土的双曲线强度公式及其破坏应力修正

抗剪和抗拉强度是结构性土体力学特性的两个方面。通过试验研究了结构性黄土原状土和重塑土的抗拉和抗剪强度。结合抗拉和抗剪强度的试验结果,建立了适用于结构性黄土的双曲线强度公式,进一步研究了相应的破坏应力的修正算法,并将应力比结构性参数引入到结构性黄土的双曲线强度公式中。研究结果表明,建立的结构性黄土双曲线强度可以克服在Mohr-Coulomb强度理论中夸大了的土体抗拉强度缺陷,可为结构性黄土地区的工程灾害评价提供更加切合实际的强度理论。     

砂岩Ⅰ型断裂韧度及其与强度参数的相关性研究

岩石的破坏和断裂是密切相关的,岩石强度准则的材料参数和断裂理论的断裂韧度是存在特定关系的,基于此,设计了紧凑的试验方案,对干燥和饱水状态下的砂岩试样进行了3点弯曲断裂韧度试验和抗压、抗拉强度试验,试验结果表明,饱水后,砂岩的Ⅰ型断裂韧度软化效应明显,饱水试样和干燥试样的 比值与砂岩抗压强度的软化系数相近,具有相似的软化效应。同时,从理论上分析了岩石I型断裂韧度与抗拉强度之间的关系,并结合大量的试验数据进行了验证,相关结论为以往的岩石I型断裂韧度与抗拉强度之间的数据统计拟合公式提供了理论基础。最后,统计分析了砂岩Ⅰ型断裂韧度与抗压强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数之间的关系。研究成果对于把握砂岩Ⅰ型断裂韧度及其与强度参数的相关性具有较大的参考价值,相关的分析结论、试验方法和试验结果也可以为其他类型岩石的研究提供有益的参考。     

多因素作用下天然土体渐进破损强度解析

天然沉积土体一般都具有结构性和初始各向异性。在复杂的应力路径的作用下,天然结构性土体的强度与变形一般与重塑土不同。由于结构性、初始各向异性和复杂的应力路径的共同影响,往往使极限状态设计如何确定天然土体渐进破损的强度及参数变得复杂而困难。给出了关于各向异性的天然结构性土体渐进破损的归一化不排水抗剪强度的解析表达式,并研究了天然结构性土体渐进破损的归一化不排水抗剪强度与各向异性和应力路径等因素的相关性。     

复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用

原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。     

考虑土体结构性的弹塑性硬化模型

在对人工制备结构性土样等应力比压缩试验结果分析基础上,确定出结构性土体初始屈服面形状和土体初始屈服后塑性应变增量的方向,推导出结构性土体屈服函数的表达式;硬化参数采用塑性功的函数,根据三轴排水剪切试验结果确定出土体的硬化规律。由此构建能反映土体结构性的弹塑性硬化本构模型,并用试验进行了验证。本文提出一种基于试验的建模方法,不依赖经典塑性力学理论的正交流动规则,并建立可考虑土体结构性影响的本构模型,对土体结构性研究具有借鉴意义。     

土体结构性对突发性边坡失稳的控制作用

云南、广西等地部分边坡在变形与破坏过程中常表现出一定的突发性。经分析,土体的高结构性强度有可能是导致该类现象产生的原因之一,但尚未得到验证。传统的边坡稳定分析方法诸如有限元强度折减法、极限平衡法均着重于边坡安全系数的求解,强调稳定到不稳定状态的突变,对不同土质边坡在滑坡过程中坡体变形程度的强弱很难加以分析。针对以上问题,通过离散元软件PFC2D模拟土体的结构性,分析结构性土质边坡的失稳变形规律。结果表明:边坡潜在滑面上土体结构性的损伤是导致结构性土坡失稳的主要原因之一。土体的初始结构性强度越高,边坡失稳的突发性越强,灾前位移变形越小。     

结构性软黏土损伤变量与扰动度的相关性研究

取样与施工过程会对天然沉积结构性软黏土产生扰动,使土体的工程性质发生演化,一些学者分别以扰动度和损伤变量两个特征参数对该问题进行了较为深入的研究,但扰动度与描述土体应力状态的损伤变量之间的相关性目前仍未明晰。为此,以连云港天然沉积结构性软黏土进行不同应力路径下快速加载试验模拟土体应力损伤,对损伤后土体进行固结试验和无侧限抗压强度试验,结合张孟喜提出的损伤变量以及两种常用的扰动度（变形和强度）的定义,评价了损伤后土体的损伤变量和扰动度,探讨二者间关系。结果表明,损伤后土体压缩曲线屈服前的斜率并未产生明显改变,即损伤变量与按变形定义的扰动度间关系不明显;而损伤变量与以强度定义的扰动度之间存在线性递增关系,说明了当土体沿着某一路径加载时,越接近破坏线,其损伤程度越高,土体的强度也随之降低。     

双江口工程地下洞室群围岩损伤及稳定性研究

对四川省双江口水电站工程的地下洞群的节理岩体围岩稳定性进行研究,分别采用了弹塑性模型、节理岩体断裂损伤模型进行数值分析。在弹塑性模型中,采用锚固等效法来模拟锚杆及锚索的支护效果。断裂损伤模型以损伤及断裂力学原理为基础,运用损伤本构模型和损伤演化方程在FLAC3D软件的框架下开发出子程序,考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,进而得到用上述的模型和计算程序分析出的围岩塑性区、损伤演化区和位移规律。将两种模型的计算结果与相应工程模型试验的结果进行了比较分析。研究结果表明,损伤模型更接近工程实际情况,与模型试验结果更为接近     

热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型

基于深层地热能开采时储能区井筒围岩所处的工程环境,采用高温加热、不同温度水浸泡、加热-循环次数及径向冲击加载的方法模拟井筒围岩经历的高温、遇水、循环采热及热冲击等造成的动力扰动等物理力学条件。同时,以不同内孔直径的同心圆孔岩样模拟深层地热井,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态力学试验,并结合VIC-3D非接触应变测量及数值模拟分析技术监测冲击过程中圆孔岩样裂隙萌发、形成的历程和表面应变演化的规律,揭示热-水-力作用下圆孔岩样的动态损伤破坏机制。研究结果表明：径向冲击荷载作用下圆孔花岗岩先后经历弹性变形、塑性变形、结构失稳破坏3个典型阶段;内孔直径、加热温度、浸水温度、加热-浸水循环次数4因素都弱化了圆孔花岗岩抗外界荷载的能力,但未改变其整体的变形演化规律;圆孔花岗岩的破坏模式是动态拉伸破坏,先沿冲击方向由内孔壁向岩样外壁,再垂直冲击方向由岩样外壁向内孔壁萌发、贯通裂纹,形成近垂直的两组破裂面。最后,基于圆孔花岗岩的损伤变形特征及历程,在一定假设基础上,建立动态损伤结构模型,推演了结构方程,并结合试验结果确定了方程参数,通过对比分析发现,理论拟合曲线与试验...     

土坝震害评估模型研究

为了快速准确地对遭受地震影响的土坝工程的破坏状态进行评估,以土坝震害经验统计判断模型为基础,选取了更为合理的土坝震害影响因素,采用最小二乘法重新对土坝震害数据资料进行回归分析,得到了各震害影响因素在不同条件下的回归系数取值,从而建立了一个改进的土坝震害经验统计判断模型。与原模型相比,改进模型既剔除了不合理的震害影响因子,同时又使回归模型的预测准确度得到提高,其相关系数为0.908,标准差为0.459,均比原模型要好。采用两种模型对汶川地震中遭到破坏的47座土坝进行震害评估,并与实际震害进行了对比分析,初步验证了改进模型的可靠性     

湛江海域结构性软土的边界面损伤模型研究

鉴于天然软土普遍具有结构性的特点,为了考虑软土结构性的逐渐破损过程,提出反映结构损伤的损伤参量。在边界面理论的弹塑性模量中直接引入损伤函数,建立结构性软土的边界面损伤模型,避免了在边界面方程中引入损伤变量带来的复杂性,易于在土工数值分析时采用。将理论预测与某海洋软土三轴排水与不排水剪切试验结果比较,显示了该模型的合理性。     

损伤和剪胀效应对裂隙煤体渗透率演化规律的影响研究

煤层瓦斯渗透率是影响瓦斯抽采和动力灾害防治的重要参数。为了研究煤体损伤和剪胀变形对渗透率的影响,首先引入损伤变量反映煤体损伤破坏状态,建立了基于体应变增量的煤体损伤本构模型。并采用Hurst指数表征裂隙表面粗糙度,基于裂隙表面的分形特征,建立了裂隙渗透率在压缩和剪切作用下的演化模型。通过对TOUGH2和FLAC3D软件进行二次开发,建立了基于双重孔隙模型的TOUGH2(CH4)-FLAC气-固耦合数值分析工具。采用本软件对煤样单轴压缩过程进行模拟分析,结果表明：煤体的破坏是损伤单元累积和贯通的结果,最终形成贯通煤体的损伤带是造成煤体失稳破坏的主因;围岩内的渗透率增加区域与损伤区位置基本一致,其中裂隙系统的渗透率增加幅度最大可达2个数量级;剪切破坏区的裂隙发生剪胀变形,引起裂隙渗透率大幅增加。建立的理论模型与数值计算工具为制定瓦斯治理措施提供了理论指导。     

断裂尺度的分形分布与其损伤演化的关系

借助于分形几何学和损伤力学的方法,重新考察和分析计算了有关的岩石断裂实验所提供的实验数据。分析计算结果表明:岩石断裂的损伤演化过程具有良好的统计自相似性,断裂尺度分布的分形维数能够很好地刻画岩石的损伤程度,并且在岩石断裂的损伤演化过程中,断裂尺度分布的分形维数(D_L)随外载荷(σ)呈线性增大。对断裂尺度分布的分形维数而言,损伤演化过程是一个增维过程。根据计算结果给出了分形维数(D_L)与损伤变量(ω)之间的经验关系。      

尾砂胶结充填体损伤模型及与岩体的匹配分析

分别对灰砂配比为1:4,1:8,1:10和1:12的4种尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其应力-应变曲线。分析了不同配比充填体变形与破坏特征,用损伤力学建立了4种不同配比充填体损伤本构方程。经验算对比,所建立的损伤本构方程与试验结果吻合。尾砂胶结充填体损伤研究表明,不同配比的充填体表现出不同的损伤特性,充填体配比越低,达到峰值应力时的损伤值越小;峰值应力后,损伤增长越快,破坏过程越突然。根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,探讨了充填体与岩体的合理匹配。充填体与岩体的匹配系数与原岩应力、岩体弹性模量、充填体弹性模量及充填体损伤参数相关。为了便于工程实际应用,对充填体力学试验结果进行了回归分析,得出了充填体强度设计公式,并研究了深部矿床不同开采深度所要求的充填体强度。     

不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律,利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验,结合CT扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律,并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度,探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明：（1）冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力-应变曲线无明显压密阶段,分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段,并发现随初始瓦斯压力升高,冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象;（2）瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通,并根据CT扫描结果发现,含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主,随初始瓦斯压力升高,两种破坏模式越显著,煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大,空间裂隙网络更为复杂;（3）基于细观层面定义了损伤变量,得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升,对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度,验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论,为矿井煤岩瓦...     

基于等效刚度原理的损伤梁位移变化研究

对构件和结构损伤后的力学性能变化研究一直是世界各国学者十分关注的问题。从现有文献得知,大多研究者以损伤力学及断裂力学为基本理论,按照等效应变原理研究结构及构件的损伤。作者根据等效刚度原理定义损伤程度,对损伤采用损伤位置、损伤程度和损伤长度三个参数来描述,从材料力学平面弯曲理论出发,运用小变形的平面弯曲挠曲线近似微分方程,并引入损伤程度的定义,推导出恒载作用下损伤梁转角和挠度方程的隐含表达式。对悬臂损伤梁进行了各种损伤情况下转角和挠度数值计算结果的对比分析,总结出了其位移变化规律。本研究的目的是为了充分有效地认识损伤梁的性能变化,期望为结构的健康检测、损伤识别理论研究奠定基础。