冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

考虑峰值后区应力跌落速率的脆岩损伤本构模型研究

为了研究和分析脆岩峰值后区变形破坏力学性质,引入统计细观损伤理论,针对以破坏微元体数目与总数目之比定义的损伤变量存在的局限性与不足,在分析非均匀性岩石峰后变形破坏特征基础上探讨脆岩细观损伤演化机制,建立了考虑破坏微元体引起岩石材料非均匀性的修正损伤模型,并提出模型修正系数的函数假设;然后,在此基础上推导建立了岩石修正统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法;最后,将模型理论曲线与试验曲线进行了比较分析,并对模型参数的变化规律进行了讨论。研究表明:该模型能够反映脆岩峰值后区不同应力跌落速率的现象,模型理论曲线及模型参数的变化规律与试验结果较为吻合,表明提出的模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

基于核磁共振的地表积雪融化入渗试验模拟

自然条件下岩体的冻融损伤程度往往决定于岩体的含水状态。但以往研究更多的关注岩体冻融的温度条件,而对其湿度条件尤其是自然条件下的吸水过程则鲜有研究。通过自主设计的室内积雪融化入渗实验,模拟自然条件下地表积雪融化下渗的过程。通过核磁共振（NMR）分层含水率测试,对积雪入渗前后试样内部的含水状态进行了实测。实验结果表明：（1）积雪融化速度及融化后入渗速度受到样品孔隙结构的显著影响,开放的宏观节理是融雪融化入渗的理想通道,孔隙率越大积雪融化入渗速率越快,在孔隙率相近的情况下,孔隙的连通性越好积雪融化入渗速率越快;（2）融雪入渗过程中样品内部水分分布不均匀,融雪入渗后样品不同位置的饱和度差异明显;（3）融雪入渗后部分样品的饱和度并没有达到冻融损伤的门槛值。考虑到自然条件下积雪融化入渗条件更为苛刻,岩体的含水状态会成为制约冻融损伤过程的关键因素。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的动力性能分析

地震作用在混凝土结构上会在其材料中产生较高的应变率,混凝土材料具有一定的率敏感性,准确模拟混凝土结构在地震作用下的反应需采用混凝土动态本构模型。为评估ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型模拟混凝土动力性能的能力,采用该模型对混凝土材料和构件在不同加载速度下的动态反应进行了有限元数值分析。结果表明,随着加载速度的提高,混凝土的抗压强度提高,下降段坡度增大,混凝土梁的承载能力提高,模拟结果与相关试验结果吻合较好;该混凝土损伤塑性模型可以模拟混凝土材料和构件的主要动力特性,但也存在不足之处。     

冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析

以花岗岩为岩样在最低冻结温度为-40 ℃、融化温度为20 ℃的条件下对5组岩样开展了冻融循环试验,最高累积冻融循环次数为100次,并采用核磁共振（NMR）技术检测岩样内部损伤变化。试验结果表明,冻融作用会对岩石内部造成损伤,循环次数达到一定值时岩样表面产生明显裂纹;NMR T2谱图和成像结果表明,冻融作用使岩样孔隙结构重新分布,孔隙数量随循环次数增加而增加,产生裂纹后T2曲线信号幅度发生显著变化。最后使用损伤力学原理对花岗岩冻融损伤机制进行探讨,得到材料连续性与孔隙率的损伤关系、有效应力与孔隙率的关系表达式,并以岩样核磁共振结果为基础,得出其有效应力与循环次数的表达式。     

一种动静结合的框架结构损伤识别方法

为了改进对框架结构损伤的识别效果,在动态和静态损伤识别指标的基础之上,提出了将动态一阶应变差与静态单元相关系数相乘的动静相结合的损伤识别新指标。新指标具有动态法和静态法的优点,一定程度上对动态识别效果与静态识别效果进行叠加,较单独使用动态指标和静态指标更准确、更具优势。对一个4层框架结构的单处损伤和多处损伤进行了数值模拟,并分别使用动态、静态和动静结合的3种指标进行了损伤识别效果的比较,验证了新指标更具优越性。     

吊杆损伤对湛河斜靠式拱桥动力特性的影响

根据平顶山市城东河路湛河桥主桥—斜靠式拱桥的结构特点,采用M IDAS/C ivil有限元软件,建立了该桥的空间有限元计算模型,进行了不同吊杆损伤情况下的桥梁动力特性计算,通过对比桥梁在完好状态和不同吊杆损伤情况下的桥梁动力特性,得出结论:吊杆损伤对斜靠式拱桥的低阶自振频率总体影响较小,但对桥梁整体竖向自振频率和扭转自振频率相对影响较大,吊杆损伤导致桥梁竖向和扭转自振频率降低;主拱吊杆损伤比稳定拱吊杆损伤对该桥的自振频率影响大,跨中吊杆损伤比1/4跨处吊杆损伤对该桥自振频率影响大。计算结果对正确认识斜靠式拱桥在不同状态下的结构动力特征,合理评价桥梁运营阶段的健康状况提供了参考和基础性数据。