土结构研究的回顾及两点新设想

从技术手段、研究方法和成果应用三个方向综述了土结构研究的三个阶段。在分析当前研究成果的基础上,对土结构多尺度耦合分析缺少直接来自细观－微观结构的几何－力学性质动态参数这一不足进行了讨论。通过对比细观－微观材料几何－力学性质研究领域内其他学科的技术手段与研究方法,结合作者的初步试验成果提出了土结构进一步研究工作的两点新设想,一是通过显微操作手段实现颗粒物质间结构连结强度定量测定;二是在根据土结构几何－力学性质动态参数,以连续介质力学与非连续介质力学相结合的研究手段,提高土结构的多尺度耦合的准确度。     

土结构研究的回顾及新设想

从技术手段、研究方法和成果应用三个方向综述了土结构研究的三个阶段。在分析当前研究成果的基础上,对土结构多尺度耦合分析缺少直接来自细观-微观结构的几何-力学性质动态参数这一不足进行了讨论。通过对比细观-微观材料几何-力学性质研究领域内其他学科的技术手段与研究方法,结合作者的初步试验成果提出了土结构进一步研究工作的两点新设想,一是通过显微操作手段实现颗粒物质间结构连结强度定量测定;二是在根据土结构几何-力学性质动态参数,以连续介质力学与非连续介质力学相结合的研究手段,提高土结构的多尺度耦合的准确度。     

软岩在饱水过程中微观结构变化规律研究

针对广东地区重大工程中几种典型软岩的基本类型和特点，设计了若干软岩饱水软化试验，探讨了不同类型软岩在各种不同饱水状态和饱水时间后微观结构的基本特征；在此基础上，揭示了不同类型软岩微观结构的动态变化规律，为软岩饱水后力学性质的变化规律和软化机制研究奠定了微观学基础。     

基于三维微-细观尺度模型的混凝土力学性能研究

依据水泥种类、水灰比、配合比和骨料级配等信息，在微观尺度上引入CEMHYD3D水化模型重构了水泥浆模型、在细观尺度上发展硬核/软壳模型构建了混凝土模型；研究基于Rankine准则和损伤模型的适用于混凝土微-细观模型的数值均匀化方法，从而提出混凝土力学性能递进分析和预测方法。算例分析表明，提出的方法能够较好地分析和预测混凝土的宏观力学性能；通过老化病害过程微观尺度的模拟，可实现混凝土老化病害机理分析。     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

红层软岩浸水裂纹扩展试验与破裂机制分析

软岩遇水软化是其破坏的重要特征,也是导致该类岩体边坡、基坑等产生变形破坏的重要原因之一.究其原因,岩体中含有大量原始裂隙,当有水作用时,水通过裂隙浸入岩体内部,发生物理的、力学的作用,导致裂纹扩展和岩体强度降低.因此,针对裂隙红层软岩裂纹扩展问题,设计了两组不同初始裂纹的软岩浸水破裂试验进行研究,一组不含初始裂纹,另一组含一条初始裂纹,通过对两组样品浸水过程中裂纹扩展规律研究,获得红层软岩浸水裂纹扩展的规律,包括:①不含初始裂纹样品中裂纹由外向内逐层发育,含初始裂纹样样品破裂沿已有裂纹扩展,破裂速度上比不含初始裂纹样品更为迅速;②软岩裂纹在显微尺度下多沿石英矿物颗粒之间的间隙或填充在石英矿物颗粒间的黏土矿物发育扩展;基于上述试验,分析了软岩浸水后裂纹扩展的细观力学机制及其破裂全过程特点.     

混凝土力学行为的降阶多尺度模拟研究

为了研究混凝土的降阶多尺度方法动态力学特性,模拟随机形状和大小的凸多面体骨料,并考虑了骨料的随机结构和位置,建立了混凝土三维细观仿真模型,通过单轴静态压缩仿真对模型进行了验证.根据细观尺度下混凝土的实际结构,对动态SHPB冲击载荷作用下的混凝土进行仿真模拟,得到了不同入射速度下的实验数据.结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好,多尺度方法可以将细观尺度特征和宏观尺度动态力学行为联系在一起,验证了多尺度方法的有效性,在混凝土各相力学性能方面,降阶均匀化方法相比细观尺度模型提高了计算效率.     

基于细观力学模型水泥浆体弹性力学性质预测

应用细观力学理论及三维微观水化模型,建立了水泥浆体的理想化细观力学模型.在该模型中:首先将水泥浆体中包裹着水化产物的未水化水泥颗粒视为第1层次的等效介质,利用双层夹杂自洽理论求出弹性性质;再将含水的孔洞视为嵌入在第1层次等效介质中的夹杂,利用自洽理论给出水泥浆体的最终弹性性质;最后分析了水泥浆体在不同水灰比情况下弹性性质随水化程度的演化进程.试验结果证明该模型可以较好地预测水泥浆体的弹性力学性质.     

红层软岩夹层的物质组成与结构特征对其力学性质影响的定量研究——以崀山世界自然遗产地雷劈石为例

影响红层软岩力学性质的主要因素包括物质组成与结构特征。使用压力试验机测试获取了红层软岩的两种力学性质参数;利用偏光显微镜测定了红层软岩的物质组成成分、颗粒粒度结构特征;结合数学统计方法定量分析了红层软岩物质组成成分、颗粒粒度结构特征分别对其力学性质的影响。其研究分析表明:1崀山丹霞红层软岩夹层的物质组成成分、颗粒粒径结构特征对其力学性质产生一定的影响,整体趋势是随着硬性物质成分(如石英、长石等)含量的增加和颗粒平均粒径的增大,其力学性质得到相应增强,表现为抗压强度、弹性模量等力学参数的增大。2当颗粒平均粒径到达一定数值时(粒径约为0.25 mm时),抗压强度与弹性模量会同时发生一次较明显的跃变,由跃变可推测:物质组成成分对红层软岩力学性质的影响要大于颗粒平均粒径对红层软岩力学性质的影响。     

川中红层岩体结构裂隙发育特征及多尺度分析

四川盆地红层岩体宏细观裂隙发育,是影响其卸荷变形、吸水风化膨胀和工程特性的控制因素,近年来出现的多起高速铁路深挖红层路堑型路基持续超限上拱变形病害与此有关。为了解红层软岩裂隙发育特征,在原位岩体所有节理裂隙进行现场调查和测量统计基础上,采用统计岩体力学的方法,从不同尺度对岩体结构裂隙进行了深入系统的分析。结果表明,大尺度裂隙多为原生沉积层面,显示地层相变明显;中尺度和小尺度裂隙多为构造及剥蚀卸荷非协调性变形引起局部复杂应力场共同作用所致,深路堑开挖卸荷加剧了张性裂隙发展,以细观尺度裂隙为主,两种尺度裂隙长度分布均符合负指数模型,发育优势方向多垂直于层面,与基于岩体宏观结构面特征的分析结果吻合;该模型可以应用于工程实际,通过易于测绘统计的中尺度裂隙的发育特征分析,建立红层岩体整体形成的地质环境模型及裂隙结构框架,进而对红层岩体力学特性和红层工程岩体变形及稳定性进行更客观的评价。     

AC-13C沥青混合料劈裂疲劳损伤试验二维数值模拟

沥青混合料受非均匀性细观结构影响,其刚、强度力学特性易发生变化,为分析受细观结构影响的沥青混合料力学疲劳损伤特性,本研究从细观尺度出发,结合室内劈裂试验结果,利用有限元软件建立二维数值模型分析沥青混合料的力学与疲劳损伤特性。结果表明:在沥青混合料疲劳损伤过程中,粗集料尖角附近应力集中现象明显,疲劳损伤往往先在粗集料尖角处发生;AC-13C数值模型应充分考虑2.36 mm以上的粗集料,并在细观尺度上说明2.36 mm作为AC-13C粗细集料分界线的可行性。     

细观断裂力学——微观机制与宏观力学的交汇

细观断裂力学在材料组元(晶粒、纤维)尺度上研究小裂纹与微观组织交互作用、小裂纹应力应变场及其微观组织敏感的扩展规律。本文侧重剖析了细观断裂力学所采用的宏观力学与微观机制相结合的方法及途径,介绍了有关微观变形测量技术,并强调了其对发展这一边缘学科的重要作用。     

红层锚杆抗拔力学性质模型试验研究

为了解红层软岩的崩解特性对锚杆力学性质影响的规律，设计了红层软岩中锚杆抗拔试验和红层软岩的耐崩解试验.首先通过红层锚杆抗拔试验，得到了红层锚杆在循环荷载下的荷载-位移曲线(P-S)和荷载-弹／塑性位移曲线(P-Se，P-Sp)的演化规律，然后通过耐崩解试验得到红层软岩的耐崩解指数Id2，最后将锚杆的力学性质与红层软岩的耐崩解指数Id2联合起来进行分析.分析表明，随着耐崩解指数的降低，红层锚杆抗拔力学性质变差.     

浅谈软岩巷道的围岩控制

通过对软岩力学性质、巷道变形特点的分析,探讨了目前软岩支护中存在的问题,提出了支护中应采取合理的控制、调节措施。     

基于细观处理的矿物含量和分布对页岩脆性的影响——以鄂尔多斯盆地延长组7段页岩为例

页岩的脆性研究涉及多尺度,为从细观尺度揭示矿物组分含量和分布形式对页岩脆性的影响规律,对页岩矿物组分进行细观处理并分类,应用COMSOL有限元分析软件,建立页岩细观数值模型,通过模拟加载围压和轴压处理为平面应力问题,并结合室内力学实验,从细观尺度对页岩脆性破坏机理进行探究。结果表明：①页岩受力后沿层理方向分布的次生微裂隙群不断发生挤压、起裂、扩张、贯通,最终导致宏观上的脆性损伤破坏;②碎屑矿物、碳酸盐岩矿物含量增加显著增强页岩的脆性,黏土矿物含量增加弱化了页岩的脆性;③矿物呈斜带状或块状分布时,不同矿物之间弱接触面上出现了明显的应力突变,当矿物呈无序随机分布时,应力集中区域呈零散分布。研究结果从宏-细观尺度明确了影响页岩发生脆性破坏的关键因素,为遴选射孔改造层段和设计储层压裂规模提供了理论依据。     

混凝土单轴荷载下细观损伤破坏的数值模拟

假设混凝土是由砂浆基质、骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,混凝土的细观力学性质服从Weibull分布,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过编制有限元程序对混凝土试件在单向拉伸和压缩情况下的破坏过程进行了数值试验．模拟结果表明,该模型可以用来研究单轴荷载作用下混凝土结构的破坏机理和多种尺寸试样尺寸效应律．     

基于CT技术的沥青混合料细观有限元建模和网格离散研究

借助工业CT扫描技术对于沥青混合料的细观组成进行扫描,并将扫描后的图片通过图形识别处理进而实现了沥青混合料中的胶浆二维几何形状重构和空间分布的确定,并通过设置临界值的方法剔除了可能影响沥青混合料材料细观有限元模型网格划分的骨料和空隙几何信息,最终结合有限元方法实现了半自动的沥青混合料细观尺度上的有限元网格离散化的流程.从而为分析沥青混合料细观力学特性的研究提供了可行的建模方法,也为从细观角度了解沥青混合料的各类力学特性提供了一个有限元模型平台.     

计算机断层扫描技术在混凝土细观力学中的研究进展与热点分析

混凝土作为一种典型非均质多相材料,其宏观性能取决于细观乃至微观结构组成及各组分基本物理力学性能,计算机断层扫描(CT)技术因其无损、高效及高精度等特点,在混凝土细观力学研究中有着得天独厚的优势。综述了光学技术、声波技术及CT技术在混凝土细观力学试验中的研究进展,对比了三者优势与局限性；并从图像获取、图像处理、三维重建与模型建立等三个步骤详细论述了基于CT图像的混凝土细观模型建立；利用Citespace软件可视化分析CT技术在混凝土细观力学中的研究热点。对CT技术与数字图像技术在混凝土细观力学的研究进行了总结与展望。     

二维多晶体材料微结构的力学响应计算

为了研究二维多晶体材料微结构细观尺度的力学性能和失效行为,将材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的代表性体积单元(RVE)上.利用已开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维多晶体材料微结构模型,采用C程序设计和Python脚本语言混合编程的方法,开发出用于材料微结构有限元网格划分与细观应力响应计算的软件AutoRVE,这对评估微裂纹的启裂、扩展,预测复合材料微结构材料损伤后的材料性能,推演微结构"虚拟失效"行为具有指导意义.     

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.