基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟

为了深入分析沥青混合料在荷载作用下的破损机理,引入了内聚力模型.使用双线性内聚力模型模拟了沥青混合料劈裂试验过程,比较并分析了数值模拟结果和试验结果,研究了劈裂试验过程中试件纵轴上的法向应力分布、损伤规律以及裂缝的形成和扩展情况,描述了劈裂试验的全过程.结果表明:双线性内聚力模型数值模拟结果和试验结果相当吻合,因而可以用来模拟沥青混合料的损伤断裂行为;劈裂试件纵轴上两端为压应力,中间为拉应力,且试件两端产生了显著的压应力集中;试件纵轴上的损伤值和损失长度随着荷载的增加而增加;纵轴中间的损伤值达到1时,试件中就会产生一定长度的宏观裂缝,而后裂缝向两端扩展,但扩展速率逐渐减小.     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性

为研究加载速率和冻融循环对砂岩动态劈裂特性的影响,对冻融0,25,50,75,100次的砂岩进行了静态和不同加载速率的动态劈裂试验,分析了冻融砂岩的静动态抗拉强度及冲击荷载作用下耗散能变化规律.研究结果表明：冻融砂岩的静动态抗拉强度、纵波波速、质量损失率均随冻融次数增加而劣化.随冻融次数、加载速率增加,动强度增加因子（DIF）不断增大,且砂岩冻融损伤越大,DIF随加载速率增加越明显.建立的基于冻融损伤和加载速率的动态抗拉强度预测模型可以很好地反映砂岩的强度变化.砂岩的冻融损伤越大,动态抗拉强度随加载速率的变化速率越快;冲击荷载作用下的耗散能随冻融次数增加而减小,随加载速率增加而增大.     

高强混凝土巴西圆盘动态劈裂试验

以圆形紫铜片作为波形整形器,利用直径100 mm的霍普金森压杆装置,研究了不同弹速冲击下高强混凝土平台巴西圆盘试件的动态拉伸强度,得到了高强混凝土在冲击作用下的劈裂强度、破坏模式和应力时程曲线。试验结果表明:随着冲击应变率的提高,高强混凝土试件的动态劈裂强度和破坏程度不断增大,具有显著的应变率敏感性。高速冲击荷载下的混凝土断面区较为光滑,裂缝直接穿过石子导致试样断裂。     

基于OT试验的大粒径沥青混合料抗裂性能研究

为了研究大粒径沥青混合料作为沥青路面下面层抵抗反射裂缝的能力,研究了其在不同荷载速率、不同温度、不同油石比和不同老化情况下的抗裂性能。通过OT试验对大粒径沥青混合料进行单调拉伸试验并对其断裂面分形特性进行研究,测出其在不同条件下的荷载位移曲线,得出不同条件下的力学性能参数和分形维数。研究结果表明:大粒径沥青混合料在不同条件下表现出很好的分形特性,分形维数越高表明断裂能越高;总断裂能和裂缝扩展阶段的能量随温度的降低、油石比的增大、加载速率的提高和老化程度的增加而增大;峰值荷载和断裂能指数随加载速率增加和温度的降低而增加。推荐用总断裂能和分形维数评价大粒径沥青混合料的抗裂性能,以提高试验重复性。断裂能指数对沥青混合料断裂性能评价的有效性还有待进一步研究。     

冲击荷载作用下层状充填体动力学特性及破坏模式

为研究冲击荷载作用下层状充填体的动力学特性,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统及LSDYNA模拟软件,研究灰砂比、冲击速率和分层数对充填体动态弹性模量、静/动态峰值应力、动态强度增长因子及破坏模式的影响规律。研究结果表明：随分层数增加,充填体的动态弹性模量、静/动态峰值应力逐渐减小;随灰砂比增加,充填体的静/动态峰值应力逐渐增大;随冲击速率增大,充填体的动态弹性模量、动态峰值应力及动态强度增长因子逐渐增大;在冲击破碎过程中,完整充填体的破坏模式主要表现为剪切破坏,而层状充填体则于分层面处发生劈裂破坏;当冲击速率小于4 m/s时,未分层充填体沿试件表面发生轻微破碎,层状充填体则沿试件分层面处发生断裂;充填体内分层面的存在可降低充填体动态峰值应力。     

加载速率对锚杆及其锚固效应影响的实验研究

研究加载速率对锚杆及其锚固效应意义重大.对金属锚杆杆体进行了不同加载速率的室内拉伸实验,并用PFC2D颗粒流软件模拟加载速率对锚固效应的影响.结果表明：锚杆杆体强度随加载速率的增加而增大,有效检测锚杆杆体强度的加载速率应在0.5 mm/s左右;拉拔荷载随加载速率的增加而增大,且锚固体的破坏拉拔荷载与加载速率为线性关系,有效测试拉拔力的加载速率为10 mm/s;随着加载速率的增加,破坏形态最终会向锚杆拔出及产生大范围破碎区转变;根据加载速率对锚固强度的影响,可将其分为弱影响范围（v＜ 10 mm/s）、中等影响范围（10 ＜v＜ 100 mm/s）和强影响范围（v＞100 mm/s）,强影响范围内加载速率对轴应力及剪应力大小有着明显影响,易造成锚固段上部应力严重集中.     

不同加载速率下煤岩组合体碎块分形特征与能量传递机制

为了研究不同加载速率下煤岩组合体破坏碎块的分布、分形特征以及失稳破坏机制,对细砂岩煤（FC）、粗砂岩煤（GC）、细砂岩煤粗砂岩（FCG）3种煤岩组合体开展0.001,0.005,0.01,0.05,0.1 mm/s加载速率下的单轴压缩试验,结果表明：1）0.001 mm/s速率下破坏煤块粒径较小,为完全充分破坏,破坏类型属于塑性破坏。0.1 mm/s加载速率下,试件破坏碎块粒径最大,形状不规则,为不完全不充分破坏,破坏类型属于脆性破坏。加载速率对试件破坏的影响主要表现在：裂隙发育程度、破坏块体粒径、破坏块体数目、能量释放速度、破坏形式、失稳机制。2）试件碎块具有明显的分类特征。随着加载速率增大,4.75~<10 mm、10~<20 mm两种粒径等级的碎块数量逐渐减少,试件的破碎程度减小;3种试件的长/厚值随着碎块粒径的减小呈现先增加后减小的趋势;对于相同粒径等级内的碎块,其长/厚值随加载速率增大而增大,增大加载速率会促进薄形态碎块生成。3）5种加载速率下,FC、GC、FCG组合体的粒度数量分形维数分别在1.53~0.55、1.27~0.26、1.45~0.46之间,粒度数量分形维数随着加载速率增大而减小,加载速率越大,分形维数越小;FC、GC、FCG组合体粒度质量分形维数分别在2.35~1.48、2.36~1.34、2.34~1.58之间,粒度质量分形维数均随加载速率增大而减小。4）针对煤岩组合体破坏形态,分析了组合体破坏过程的能量传递机制。组合体不断受载,煤组分最先发生破坏,释放的能量直接传递给岩石组分,若达到岩石组分的储能极限,则导致岩石组分发生破坏。煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。     

基于离散元法与分形维数的沥青混合料间接拉伸试验

为掌握沥青混凝土内部损伤的演化过程及其裂缝扩展规律,首先在MTS万能试验机上进行沥青混合料间接拉伸试验,获取试验过程中的力、位移和时间参数;同时采用工业CT设备扫描试验前、后的试件,并通过灰度化、图像增强和阈值分割等数字图像处理技术,提取沥青胶砂、粗集料和空隙等组成部分信息;然后,基于所提取的信息建立离散元模型,进行间接拉伸仿真试验,观察试件裂缝的扩展过程,并采集仿真试验过程中的荷载、位移及单元颗粒间连接断裂数量N_(cb)等参数;最后,对比分析了室内试验和仿真试验的荷载-位移曲线特点;并基于N_(cb)提出了内部损伤度D_m,基于试件整体的裂缝图像提出了计盒维数指标D_c,分析了损伤度与裂缝扩展的关系。研究结果表明:室内试验与仿真试验的间接拉伸强度接近、荷载-位移曲线变化趋势相同且裂缝分布规律相似,验证了仿真试验的可行性。裂缝的扩展可分为萌生、扩展、贯通和贯通后4个阶段。在萌生和扩展阶段,细观损伤度D_m较低,而在贯通阶段较高。计盒维数D_c与裂缝扩展也密切相关,D_c在裂缝扩展的各阶段内单调变化且规律明显。因此,可利用计盒维数D_c对CT扫描得到试件的裂缝特征进行定量评价,确定裂缝的扩展程度,并基于裂缝与损伤的联系间接评价沥青混凝土内部损伤。该研究为沥青路面损伤评价提供了新的思路,即可根据路面裂缝状况评价其损伤程度。     

集料粒径与体积分数对水稳碎石材料抗裂性能的影响

为了研究集料粒径和体积分数对水稳碎石材料抗裂性能的影响,借助离散元法构建了具有相同集料轮廓与位置、不同集料粒径与含量的圆形劈裂数值试件.通过虚拟间接拉伸试验模拟了水稳碎石细观开裂过程,并进一步研究了集料粒径与体积分数对结构细观开裂行为的影响.结果 表明:集料粒径和体积分数对数值试件的力学性能有着显著影响,降低集料体积分...     

沥青混合料单轴贯入数值试验方法

基于二维颗粒流软件PFC2D构建了沥青混合料单轴贯入数值试验方法;研究了试件尺寸、加载速率、计算时步值等条件对单轴贯入数值试验结果的影响;确定了数值试验的标准条件,评价了单轴贯入数值试验方法的可靠性;分析了单轴贯入试验的细观机制。结果表明:试件尺寸为Φ101. 6 mm×h63. 5 mm、加载速率为1 mm·min-1、计算时步为1×10-3s·step-1时,数值试验可取得稳定结果;贯入强度实测曲线与模拟曲线基本吻合,单轴贯入数值试验误差在4%以内;随着荷载贯入,应变也随之增大,细观接触力越来越密集且作用力越来越大,并逐渐向试件底部扩展;随着贯入量的增加,试件两侧接触力逐渐密集,但无显著的集中现象;接触力网络的纵向变化亦明显于横向变化。     

冲击荷载下平行双裂隙演化的颗粒流分析

为了研究冲击荷载下平行双裂隙对岩石破坏的影响,采用二维颗粒流程序对分离式霍普金森杆一维冲击试验进行模拟。对预制平行双裂隙倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和完整的花岗岩试样进行冲击加载模拟,全面研究了平行双裂隙试件裂纹的萌生、扩展、贯穿的过程。结果表明：在冲击荷载的作用下,平行双裂隙明显降低了岩石强度。裂隙存在时,裂隙倾角与加载方向一致时,试样峰值强度和起裂强度均达到最大,呈劈裂拉伸破坏模式,在倾角为45°左右达到最小值,呈拉剪复合破坏模式。预先存在缺陷的倾角对裂纹萌生和扩展模式有很大影响。对应力场分析,平行双裂隙对应力波的传播产生阻碍,在岩桥区域变化最为明显。     

钢筋混凝土柱动态加载试验及数值模拟

为研究不同加载路径和加载速率下钢筋混凝土柱式构件的力学性能,对4组钢筋混凝土柱进行了不同加载路径下的慢速和快速加载试验,并基于OpenSees软件对试验结果进行了数值模拟.结果表明:快速加载下试件承载能力高于慢速加载,但试件延性降低;相较于单向加载,双向加载下试件刚度、强度退化加剧,试件卸载、再加载刚度均有不同程度降低,变形能力下降;双向加载时,十字形加载路径对试件力学性能影响较弱,菱形加载路径下试件延性降低幅度最大,强度、刚度退化最为迅速,试件力学性能受加载速率影响也最为显著;钢筋应变率随其所处位置距试件底部距离的增加逐渐降低,应变率最大值发生在塑性铰区域内;本文基于OpenSees中的集中塑性铰梁单元,采用Scott等改进后的Kent-Park混凝土本构模型和Mohle-Kunnath钢筋本构模型,并考虑材料的应变率效应建立的计算模型可有效模拟钢筋混凝土柱在不同加载速率下的主要动态力学性能.     

不同马歇尔击实方法乳化沥青冷再生混合料的细微观结构性能

采用工业CT无损检测技术(X-ray CT)和数字图像处理技术研究"30+45"、"40+35"、"50+25"、"60+15"、"75+0"五种马歇尔击实方法下乳化沥青冷再生混合料试件的内部的粗颗粒的颗粒主轴取向角和空隙特征分布特征;并通过统计分析提出数学模型对其进行表征。结果表明:马歇尔击实方式下乳化沥青冷再生混合料粗集料取向角基本符合洛伦兹分布,第二遍击实次数越多,粗集料取向角减小幅度越大,增大二次击实功虽然可改善乳化沥青冷再生混合料的颗粒分布结构;但远没有增大第一次击实功效果明显。"50+25"、"60+15法"空级配中大孔百分比明显减小,而小孔百分比显著增大,随着第二遍击实次数的减小,乳化沥青冷再生混合料平均孔径呈先减小后增大的变化趋势,马歇尔试件平均孔径与劈裂强度之间具有良好的线性拟合关系。二次击实可减小乳化沥青冷再生混合料内部的大孔,改善粗集料的骨架承载结构,综合考虑击实方法对乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、粗颗粒存在形态以及细微观空隙分布特征的影响,推荐采用"50+25法"成型马歇尔试件。     

考虑加载速率与厚径比影响的 巴西圆盘劈裂强度分析

为综合研究加载速率和厚径比2个因素对测定茅口灰岩抗拉强度的影响关系,开展了一系列采用对称小圆弧加载方式下的巴西试验;通过ANSYS有限差分软件模拟巴西劈裂试验,结合Griffith强度理论分析不同厚径比圆盘试样在不同加载速率下的等效应力分布规律.试验研究结果表明:岩石抗拉强度会随试验加载速率的增加而增大,同时随厚径比的增大呈三次函数衰减关系.数值计算结果表明:越靠近圆盘试样端面中心点,等效应力值越大;除个别点处应力集中外,端面中心点的等效应力值也会随着加载速率的增加而增加;圆盘的起裂位置亦发生在端面中心点处.在此基础上对岩石抗拉强度公式进行修正,建立了更加真实的考虑加载速率与厚径比影响的巴西圆盘劈裂强度修正公式.     

基于XFEM的PBX炸药巴西实验断裂行为研究

为研究巴西实验测量PBX炸药间接拉伸力学行为中加载方式的影响,采用扩展有限元方法对标准巴西实验、圆弧巴西实验和橡胶垫巴西实验中PBX炸药的裂纹起裂、扩展和断裂行为进行了数值模拟,计算得到了位移和应力分布,分析了不同加载形式对圆盘试样的力学响应及变形破坏的影响.结果表明,计算得到的破坏过程,位移分布和应力分布与实验值及理论值相吻合,圆弧和橡胶垫巴西实验均可起到减小加载部位接触应力的作用,有助于防止次裂纹的产生,橡胶垫巴西实验最适合PBX炸药间接拉伸强度的测量.      

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.      

含预制孔洞混凝土的断裂实验研究

为研究含孔洞缺陷类岩体在单轴加载条件下裂缝萌生、扩展、演化及贯通的过程,制作了含不同数量的预制孔洞混凝土试件,进行单轴加载断裂实验,根据实验过程使用ANSYS软件进行数值模拟,分析其应力分布情况,将实验结果和数值计算进行对比,结果表明:试件的破坏模式及孔洞的贯通模式与孔洞的数量及分布有关,试件破坏模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,使用ANSYS软件计算所得的结果和实验结果较为吻合.      

不同马歇尔击实方法乳化沥青冷再生混合料细微观结构性能研究

采用工业CT无损检测技术(X-ray CT)和数字图像处理技术研究“30+45”、“40+35”、“50+25”、“60+15”、“75+0”五种马歇尔击实方法下乳化沥青冷再生混合料试件的内部的粗颗粒的颗粒主轴取向角和空隙特征分布特征,并通过统计分析提出数学模型对其进行表征。结果表明：马歇尔击实方式下乳化沥青冷再生混合料粗集料取向角基本符合洛伦兹分布,第二遍击实次数越多,粗集料取向角减小幅度越大,增大二次击实功虽然可改善乳化沥青冷再生混合料的颗粒分布结构,但远没有增大第一次击实功效果明显;“50+25”、“60+15法”空级配中大孔百分比明显减小,而小孔百分比显著增大,随着第二遍击实次数的减小,乳化沥青冷再生混合料平均孔径呈先减小后增大的变化趋势,马歇尔试件平均孔径与劈裂强度之间具有良好的线性拟合关系。二次击实可减小乳化沥青冷再生混合料内部的大孔,改善粗集料的骨架承载结构,综合考虑击实方法对乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、粗颗粒存在形态以及细微观空隙分布特征的影响,推荐采用“50+25法”成型马歇尔试件。     

带初始缺陷的不锈钢方管短柱力学性能研究

通过对9个不同初始缺陷和不同宽厚比的不锈钢方管短柱进行轴压力学性能试验,分析了初始缺陷裂缝长度和宽厚比对试件轴压承载力和破坏模式的影响,得到了荷载—位移曲线、荷载—应变曲线以及应变强度分布曲线。研究结果表明:初始缺陷使不锈钢方管短柱局部屈曲时伴随着新裂缝的产生;不锈钢方管短柱的轴压承载力随宽厚比的增大而减小,随初始缺陷长度的增大而减小;初始缺陷对试件轴向刚度下降速率和延性基本无影响,初始缺陷对试件轴压承载力的影响随宽厚比的增大而增大;初始缺陷裂缝处底部的应变强度大于端部,底部的应力集中是导致柱原有裂缝继续延伸的一个主要因素。