纤维方位角对玻纤复合材料破坏机理的影响研究

利用扫描电子显微镜（SEM）对不同纤维方位角的玻纤增强树脂复合材料（GFRP）在单拉载荷下的破坏过程进行了实时观测．在桥联模型基础上，将纤维剪应力和基体正应力定义为界面的应力状态，对概化的GFRP材料单元进行了定量分析，得到了单拉载荷下纤维体积分数为27．5％的单元起裂时的应力状态，并通过最大应力强度准则确定了导致起裂的应力分量．综合SEM图片中裂纹形态和断口形貌，分析了不同纤维方位角的GFRP材料裂纹萌生和裂纹扩展的机理．分析结果表明，随着纤维方位角增大，导致GFRP材料裂纹萌生的应力分量由基体最大主应力演化为界面剪应力；裂纹扩展路径由最大主应力控制的基体开裂演化为最大剪应力控制的界面开裂．     

渗透压下岩石翼形裂纹应力强度因子及断裂判据

为研究渗透压下岩石翼形裂纹面部分闭合情况下的破坏行为,建立多裂纹间相互作用下压剪翼形裂纹的力学模型,推导得到岩石翼形裂纹尖端应力强度因子表达式.分析不同起裂角条件下,应力强度因子随岩石翼裂纹长度的变化规律,并对参数进行敏感性分析.基于摩尔-库伦准则,推导考虑裂纹间相互作用的部分闭合型裂纹的断裂韧度表达式,得到岩石在压剪应力作用下Ⅰ,Ⅱ型裂纹的复合断裂判据.分析结果表明:裂纹间相互作用对应力强度因子的影响效果显著;应力强度因子在起裂角为65°左右时达到最大;应力强度因子对裂纹起裂角和翼形裂纹长度较敏感,对裂纹闭合度的敏感性较小.     

深海多金属硫化物力学特性的试验研究

以深海多金属硫化物自身特性为研究对象,对其样品矿物试件进行不同围压下的单/三轴破碎试验,得到深海多金属硫化物破碎全过程的应力-应变曲线,在试验数据的基础上分析矿石的破碎过程、破坏特征、适合的强度准则以及弹性模量、起裂应力和峰值强度等参数的变化规律等,研究结果表明:深海多金属硫化物矿石的破碎过程与普通岩石的破碎过程基本类似,分为OA,AB,BC,CD和DE共5个阶段,其中OA阶段往往不明显;多金属硫化物的破坏形式主要有3种,分别为横向破坏、剪切破坏和全面破坏,试件的最后破坏形式往往与施加的围压密切相关;Mohr-Coulomb强度准则更加适合判断多金属硫化物的破碎;所施加的围压越大,多金属硫化物试件的弹性模量越小;对不同的矿物试件,起裂应力和峰值强度与围压的关系是施加的围压越大,矿石的峰值强度与起裂应力之间的差值越大。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹损伤断裂机制

在研究渗透水压和远场应力共同作用下压剪滑移型岩石裂纹的起裂、扩展规律的基础上,考虑分支裂纹相互作用,建立压剪应力场和渗流场共同作用下岩石裂纹体的损伤断裂力学模型和考虑岩桥损伤所引起的附加应力强度因子演化方程,提出分支裂纹临界长度时裂纹尖端虚拟应力强度因子KI(LC)作为压剪岩石裂纹的损伤断裂贯通的破坏准则.研究结果表明:在既定裂纹分布下,分支裂纹尖端应力强度因子KI受侧压力系数λ、渗透压P、裂纹表面摩擦因数μ的制约;当轴向应力和裂纹面摩擦因数一定时,在低渗透压、侧向拉应力共同作用下,压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而在高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏.     

剪切荷载下板式无砟轨道界面黏结破坏机理

为了获得剪切荷载作用下板式无砟轨道界面黏结破坏过程特征,构建了无砟轨道界面三维有限元模型,采用界面单元模拟了轨道板与砂浆层间界面非线性黏结力-位移关系,分析了多种剪切荷载模式下界面应力、界面黏结承载力、界面破坏区域分布的变化规律.研究结果表明:轨道板与砂浆层界面剪应力纵向分布在轨道板板端加载位置处最大,并逐渐向内衰减;随着荷载的增大,板端处界面剪应力最先超过界面黏结力强度,界面裂缝在该处萌生,并逐步向轨道板内部扩展;双侧加载时界面黏结承载力为264.9kN,大于单侧加载时的209.8kN,但单侧加载时界面裂缝扩展范围更大,使得其承载力能在一定的位移范围内稳定在一定值;随着荷载的增大,界面分段逐步丧失黏结力.     

基于岩体围压和弹模变化的GFRP土钉加固效果数值模拟分析

通过有限元数值模拟分析,研究了GFRP土钉加固岩土体在不同的弹性模量和围压条件下界面应力的分布规律.研究结果表明,随着岩体围压的增高,剪应力分布越集中于土钉的前端,但是这种影响不是很明显;随着岩体弹性模量的增大,接触界面的剪应力分布越不均匀,应力向锚固前端的集中程度越高,且应力的最大值越大,所以GFRP土钉更适合于加固软岩.     

填埋场复合衬垫系统直剪试验的数值模拟

 考虑填埋场衬垫系统材料间的接触特性,建立了复合衬垫系统直剪试验的有限元模型,采用ANSYS程序对填埋场复合衬垫系统的直剪试验过程进行了数值仿真分析。给出了不同法向力作用下不同加载时步衬垫系统中土工膜-黏土界面的剪应力云图,研究了界面内剪应力的分布情况,分析了接触面最大剪应力出现的位置及界面切应力变化特征;绘制了衬垫系统界面的应力-位移关系曲线,探讨不同法向力作用下不同位置点沿剪切位移方向的切应力τ_zy和垂直剪切位移方向的切应力τ_zx变化特点。结果表明,随法向力增加,界面切应力-位移曲线的硬化现象越明显;界面边缘位置处的切应力较大是界面破坏的源头;数值模拟可以再现试验发生的宏观现象,这是研究衬垫系统内部作用机理的一种有效途径。     

多界面复合锚杆荷载传递机制的数值模拟

采用Abaqus对复合锚杆拉拔试验进行模拟,针对复合锚杆的破坏形式多为界面破坏,应用改进的Cohesive单元对复合锚杆4种界面材料进行模拟,并建立轴对称弹塑性有限元模型对复合锚杆的拉拔试验进行分析.研究成果主要包括:①钢绞线轴向应力及界面剪应力均服从指数分布,且随着荷载的增大,锚杆近端的握裹力被克服,剪应力峰值向后转移.②南竹-复合材料、南竹-水泥砂浆界面剪应力峰值随着主控面剪应力峰值的转移而转移.③南竹管材受周围刚度较大的复合材料及水泥砂浆的约束,其轴向应力峰值分布在南竹的中部.④水泥砂浆-土体界面因边界条件不同于其他界面,其剪应力沿锚杆轴向从近端至远端不断增大.数值模拟结果与现场试验测量结果符合较好,验证了该数值方法的有效性.     

考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面力学特性

提出沥青路面层间界面剪切损伤本构关系方程、引入Goodman接触单元,模拟路面各分层之间的应力接触传递;基于ANSYS软件建立起考虑层间界面剪切损伤的沥青路面数值分析模型,对重载车辆制动荷载作用下典型复合式沥青路面结构的力学特性进行分析.研究表明,车辆轴重和层间粘结强度对层间界面损伤度、路面内水平剪应力及最大值位置、路面总沉降均有不同程度的影响;车辆超载1倍并制动时,层间界面损伤度最大值增加约50%,路面水平剪应力和沉降最大值翻1倍多;层间粘结强度减弱50%时,标准轴重车辆制动荷载下层间界面剪切损伤度翻1.5倍多,路面内水平剪应力、沉降最大值增加20%~30%.     

水压作用下岩体裂隙压剪起裂准则

为深入研究裂隙闭合与非闭合2种情况下裂隙水导致岩体压剪断裂机理,建立相应的压剪起裂准则。首先,研究初始地应力及裂隙水压作用下的非闭合裂隙尖端应力强度因子及起裂准则,并讨论压剪系数和水压对裂隙压剪起裂应力的影响;其次,研究闭合裂隙压剪破坏机理,并讨论裂隙尖端相对临界尺寸和裂隙面摩擦因数对临界水压(裂隙起裂时的水压)的影响;最后,采用室内试验及现场测试结果对上述两类准则的合理性进行验证。研究结果表明：非闭合裂隙尖端应力强度因子K_Ⅰ应为裂隙面上法向压应力引起的K₍Ⅰ(N))及平行于裂隙面的横向压应力引起的K₍Ⅰ(T))之和,且其起裂模式多为压剪起裂;基于周群力等提出的经验压剪断裂准则,提出相应的非闭合裂隙压剪起裂准则;随着压剪系数增加,起裂应力分别呈非线性增加;随着水压增加,起裂应力呈非线性减小。在水压作用下,闭合裂隙压剪起裂模式往往为拉伸起裂,且裂隙尖端的K_Ⅰ≡0,由此提出了考虑裂隙尖端T应力的修正最大周向应力准则;随着裂隙尖端相对临界尺寸增加,临界水压呈线性减小;随着裂隙面摩擦因数增加,临界水压呈非线...     

平面载荷作用下小型砼空心砌块砌体的破坏机理

在平面荷载作用下,小型砼空心砌块砌体的破坏分为三个简单模式:砌体内的灰缝滑移,砌块和灰缝开裂,以及砌体沿中面散裂·对每一种破坏模式提出了一相应的破坏准则,并且滑移与摩擦有关,表明了抗剪强度与正应力之间存在非线性关系,修正了MohrCoulomb本构关系;还说明了开裂与最大拉应变有关,散裂与最大压应力有关,并阐述了砌块砌体的破坏机理·     

考虑渗透水压力的黏土与混凝土接触面力学特性

采用大型直剪仪进行黏土与混凝土接触面的单向直剪试验,研究接触面在不同渗透水压力和法向应力作用下的力学特性,并对黏土与混凝土接触面的强度及应力变形特性进行分析,基于双曲线模型提出了考虑渗透水压力作用的黏土与混凝土接触面本构模型。结果表明:接触面的剪应力与相对剪切位移较好地满足双曲线关系,竖向位移表现为剪缩;接触面的抗剪强度与接触土体的饱和状态显著相关,当土体由非饱和状态过渡至饱和状态时,接触面抗剪强度随渗透水压力的增大显著降低;当接触土体趋于饱和时,抗剪强度随渗透水压力增大的降幅随之减小,且与有效法向应力间呈较好的线性关系;模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的考虑渗透水压力作用下黏土与混凝土的接触面本构模型是合理的。     

计及跨中界面破坏的碳纤维板加固砼梁四点弯曲破坏分析

借鉴复合材料力学，建立一种计及跨中界面破坏的分层剪滞模型，并结合能量破坏准则，研究了含裂缝的碳纤维板加固素砼梁和钢筋砼梁在四点弯曲荷载作用下的应力重新分布和极限承载力，首次定量获得了碳纤维板与砼梁之间的界面破坏区长度和极限承载力与界面剪切强度的关系．结果表明：界面破坏区长度随界面剪切强度和碳纤维粘贴层数的增加而减小；极限承载力随碳纤维粘贴层数的增加而增加，随界面剪切强度的增加是先增大后减小；适宜的界面黏结，极限承载力最高．     

计及界面作用的单向复合材料统计强度

对单向纤维增强复合材料的纵向拉伸破坏进行了细观统计分析。基于随机扩大临界核统计模型，结合含纤维／基体界面损伤的应力集中分析结果，导出了具有界面剪切强度效应的复合材料的强度分布函数和破坏准则，得到了复合材料拉伸强度与界面剪切强度的关系，为复合材料微结构的优化设计提供了重要的理论依据。文中用已有的实验证实了本文方法和结果的正确性和合理性，并定量地讨论了最优界面粘合问题。     

煤矿立井井壁与围土相互作用的实验研究

在自行改造、加工的高应力单剪仪试验系统上对饱和砾砂、粗砂、中砂、细砂同混凝土界面的剪切特性进行了一系列试验研究.通过对试验数据的分析发现,高应力下界面的本构关系可以采用非线性弹性-理想塑性模型,非线性弹性阶段与双曲线模型较一致,界面的强度准则符合无粘聚力的库仑公式,在此基础上导出了界面单元的弹塑性矩阵.对包括弹性和塑性2个变形阶段的情况,采用初应力法得到了修正的弹塑性矩阵.     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究

为研究纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能,采用钻芯拉拔法试验制作模拟中型柱混凝土构件,并分别外包不同强度的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆。对制作的试验构件进行钻芯拉拔试验,得出界面破坏时的拉拔力,将得到的不同类型的纤维水泥砂浆构件拉拔力数据与构件混凝土轴心抗拉强度、纤维水泥砂浆抗压强度进行比较分析。结果表明,在该试验中合成纤维水泥砂浆的界面黏结强度比钢纤维水泥砂浆的界面黏结强度高;界面黏结强度与构件混凝土轴心抗拉强度呈正相关关系,与纤维水泥砂浆抗压强度呈正相关关系,界面黏结力与砂浆抗压强度呈线性相关关系。     

剑麻纤维复合基材土岩界面剪切性能试验

为揭示剑麻纤维掺量与界面粗糙度对土-岩界面剪切力学性能的影响规律,采用表面起伏的混凝土模块作为岩面相似材料,进行了一系列的改进室内直剪试验,并结合扫描电镜试验进一步分析了剑麻纤维参与强化界面剪切性能的机理。结果表明:剑麻纤维通过提高黏聚力提高土-混凝土界面间的剪切力学性能；纤维添加量为0.8%的土-混凝土界面黏聚力提高80%~500%,内摩擦角提高10%~20%；界面粗糙度主要通过提高黏聚力增强界面剪切力学性能,6.5 mm粗糙度的界面黏聚力增量为7~15.5.kPa,提高20%~300%；对于素土界面和掺纤维界面,粗糙度对土-混凝土界面间剪切力学性能的强化表现为2种模式,加入纤维的界面黏聚力关于粗糙度的增长关系上,粗糙度的最优值出现在较小区间(0~2.5 mm)。     

胖试样（矿柱）的曲线剪切带及应力分布模拟

采用拉格朗日元法,模拟了具有粗糙端面的屈服矿柱的宏观力学行为、曲线剪切带图案及渐进破坏特征。矿体在弹性阶段的本构关系取为线弹性;峰值强度后的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明,矿柱的宽度越窄、强度越低。矿柱的破坏是逐渐发生的,剪切带从矿柱的四角开始启动,向矿柱的内部传播,最终形成了由曲线剪切带构成的剪切破裂网络。该网络与塑性力学中的曲线滑移线网非常类似。矿柱中心弹性区两侧的软化区的压缩应力由表至里波动上升,反映了矿柱内部条带状的局部剪切破坏。软化区厚度随时间步(或轴向应变)的变化率为常量。矿柱弹性区的应力水平及软化区的应力分布不受矿柱宽度的影响,前者与矿柱的轴向应变有关。     

界面损伤对正交叠层板最终拉伸强度的影响

基于现有应力集中分析结果及随机扩大临界核统计理论,对正交(混杂)叠层复合材料中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用的最终拉伸破坏过程进行统计分析.计算结果为现有的实验所证实.计算结果表明,正交叠层板的最终拉伸强度与界面剪切强度有关,适宜的界面黏结,相应的强度最高.本研究可对此类复合材料的最终拉伸强度作出合理的预报,并为复合材料叠层板的优化设计提供理论依据.