碾压混凝土真实应变率效应试验

为深入研究碾压混凝土动态力学特性,借助分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对3种不同直径圆柱试样进行了冲击压缩试验.试验结果表明:碾压混凝土材料具有显著的应变率效应和尺寸效应;混凝土类材料的动态抗压强度增强是材料自身特性、惯性效应和端面摩擦效应三者作用的结果,确定碾压混凝土的真实应变率效应对碾压混凝土结构冲击荷载下动态响...     

冲击荷载作用下含黏结界面混凝土破坏特征与应力应变分析

为研究冲击荷载下板式无砟轨道结构蒸养混凝土与自密实混凝土层间界面的破坏行为,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含黏结界面混凝土进行冲击试验,并就其破坏特征和应力应变全曲线特性以及损伤本构方程进行探讨.结果表明：含黏结界面混凝土在动态冲击荷载作用下存在界面脱黏分离和整体破碎两种失效模式.界面脱黏分离失效模式下,随着应变率的增加,含黏结界面混凝土的动态抗压强度、强度动态提高因子(DIF)、峰值应变、冲击韧性均增加,具有明显的应变率敏感性;整体破碎失效模式下,界面脱黏变形和破碎变形同时存在,随着应变率的增加,裂纹向界面区域累积、拓展,界面起到了能量缓冲的作用,此时含黏结界面混凝土动态抗压强度、DIF基本不变,而峰值应变和冲击韧性增加.所建立的基于Weibull分布的本构模型与试验结果吻合较好,尤其对峰前应力应变曲线有很好的匹配性.     

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置对砂岩进行动态冲击压缩试验,通过不同的加载气压实现不同应变率条件下对煤矿区的砂岩进行冲击压缩,以此来分析煤矿区砂岩的动力学特性以及能量损耗规律。根据试验结果分析可得,应力-应变曲线反映出砂岩的动态弹性模量及峰值应力都表现出明显的应变率效应,动态压缩强度表现出很强的应变率效应,两者之间呈现线性关系;在动态冲击压缩中,动态抗压强度高于静态抗压强度,通过动态强度增长因子DIF可以反映岩石在动载条件下的强度指标;随着应变率的增大,砂岩试样单位体积吸收破碎耗能增加,试样破坏更严重,破坏程度与单位体积破碎耗能之间形成很好的对应关系。同时借助SEM扫描电镜分析冲击压缩后试样微观条件下的破坏模式,结合宏观上的破坏形态共同分析岩石的损伤特性。     

基于库伦理论的桥面混凝土动态力学特性分析

在桥面水泥混凝土铺装层病害日益增加的背景下,为了分析在车辆动荷载作用下桥面水泥混凝土的力学性能,改善桥面铺装层使用效果,基于Coulomb理论的剪切破坏条件,通过室内试验制作圆柱水泥混凝土试块,采用SHPB试验装置对试块施加不同的冲击荷载,研究不同强度水泥混凝土试块的破坏形态、动态抗压强度和应力应变特征。结果表明：冲击荷载引起的水泥混凝土试块由块状失效破坏到粉碎状失效破坏;冲击荷载能够增强混凝土的抗压强度,对强度较低的水泥混凝土增强效果更明显,且动态抗压强度增强率最高为143.7%;在动态力学作用下水泥混凝土应力应变曲线也呈现四个阶段,随着应变的增加水泥混凝土应力应变曲线斜率变小,从应变硬化转变为应变软化特性。对水泥混凝土动荷载作用下的物理力学特征分析能为工程桥面水泥混凝土铺装层强度提高和性能改善提供一定参考价值。     

静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究

为研究正在使用状态下且已存在初始损伤的混凝土构筑物受冲击动力荷载下的动态力学特性,本文以混凝土试件为试验对象,先通过YAD-2000试验压力机对多组混凝土试件进行预加载,使C30混凝土试件出现不同程度的损伤,然后利用SHPB试验设备对试件进行单次冲击压缩试验,研究静载下的损伤对混凝土应力–应变曲线特征、动态抗压强度、破坏模式等特性的影响.通过系列试验发现,经历初始静载的混凝土表现出较强的损伤效应和应变率效应.静载作用下混凝土的损伤对动态抗压强度降低影响关系中,存在一个分界点.大于分界值时,损伤程度变化对混凝土动态抗压强度影响显著.研究结果对于荷载历史混凝土的动态性能研究和应用具有理论意义和参考价值.     

煤层冲击倾向性评价的新指标体系

基于煤岩微元强度的韦伯分布假设和连续介质损伤力学理论,建立单轴压缩下考虑残余强度的损伤统计本构模型,修正了动态损伤应变计算式,结合损伤因子、损伤速率和损伤加速度研究了煤样的损伤演化规律和煤层冲击倾向性的评价指标,并利用最小二乘法对实验数据进行反演得到反映实验曲线的本构方程,且验证了其正确性。结果表明:考虑残余强度的损伤统计本构模型能较好地反映煤岩峰值强度后的应力-应变曲线的变化趋势和残余强度特征点,并可得到损伤速率的最大值;修正后的动态损伤应变在间接表征冲击倾向性实验的动态破坏时间时可不再受加载方式的限制;提出的盈余能指数变化率指标可综合衡量盈余能、峰后破坏过程损耗的应变能、动态破坏时间的变化情况,衡量煤层冲击倾向性;以最大损伤速率、修正后的动态损伤应变和盈余能指数变化率构成的指标体系可作为评价煤层冲击倾向性的新方法。     

混凝土冻融损伤后双轴受力下的脆弹性损伤本构模型

针对普通混凝土受冻融循环损伤作用后,其力学行为不仅依赖于混凝土基体的行为,而且与冻融循环次数有关的特性,以冻融循环作用后混凝土试件在双轴压加载条件下的应力-应变关系曲线为研究对象,考虑到混凝土主压向应变会受到次压向有效应力影响的特点,建立了基于损伤力学理论和热力学原理,并考虑了双轴压应力比影响的普通混凝土双轴压损伤本构模型,与冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下测得的应力-应变关系的试验曲线进行了对比分析.研究结果表明:所建立的普通混凝土双轴压损伤本构模型,可以较好地描述冻融循环作用后普通混凝土在双轴压加载条件下的本构关系.     

反复荷载下碳化混凝土力学性能及本构关系研究

为研究碳化对反复荷载下混凝土力学性能及本构关系的影响,本文通过碳化混凝土棱柱体试件单调及反复荷载试验,得到各试件应力应变曲线及骨架曲线,考虑到碳化混凝土构件的截面尺寸效应,从混凝土碳化率的角度对比分析了单调及反复荷载下碳化对试件破坏形态、混凝土强度、弹性模量、峰值应变及极限应变的影响.试验表明:随着反复荷载下碳化混凝土内部损伤的积累,其应力应变曲线下降段比单调荷载下的更为陡峭,破坏较为突然,反复荷载碳化混凝土延性变差;反复荷载下随着碳化率的增加,混凝土碳化后的峰值应变有所降低,但变化不大;而峰值应力均有所提高,极限应变均有所降低.根据试验结果引入与碳化率相关的下降段参数修正系数建立了碳化混凝土反复荷载作用下应力-应变本构关系,通过与试验对比分析表明本文确定的本构关系与试验结果较为吻合.     

颗粒混凝土冲击压缩动态力学特性试验研究

颗粒混凝土材料在建筑结构中应用比较常见,但其冲击下的动力学性能研究欠缺.为得到颗粒混凝土的动力学特性,借助MTS实验机得出其静力学强度,其后使用直径为75 mm SHPB系统对颗粒混凝土试样做了多种加载速度下的冲击试验.结果表明,颗粒混凝土试样的毁坏模式是非脆性碎裂,呈现出延性特点;随着冲击速度的增大,破坏后的形状由试样被压扁(形态基本完整,表现出明显的可压缩性)过渡到絮状.应变率在103.88～464.71 s^-1时,试样的峰值应力随着应变率的变大而增大,表现出明显的应变率效应.根据实验现象和实验数据进行分析,推导建立了颗粒混凝土峰值应力前和峰值应力后应力-应变的等效本构方程,将实验数据与拟合数据进行对比,具有较为明显的一致性,验证了本构方程的准确性.     

应变率效应对再生混凝土动态力学性能的影响

通过约束再生混凝土单轴受压动态力学试验,研究了应变率效应对约束再生混凝土力学参数的影响.分析不同应变率下再生混凝土动态破坏特征以及受压应力-应变关系全曲线,可以发现:在不同应变率、再生粗骨料取代率或体积配箍率下,再生混凝土单轴应力-应变关系曲线的上升段基本一致,而下降段差异较为明显;随着应变率的提高或再生粗骨料取代率的增加,下降段曲线随之变陡,而随着箍筋配箍率的提高,下降段曲线明显随之趋于平缓.通过试验数据回归分析,提出约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变动态放大系数函数模型;随着应变率的提高,约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变均随之增大;而约束再生混凝土受压峰值应变动态放大系数增加幅值低于受压峰值应力动态放大系数的增加幅值;进一步分析了应变率效应对约束再生混凝土初始弹性模量的影响规律,确定了初始弹性模量和应变率的函数关系,并给出了初始弹性模量动态放大系数函数模型.随着应变率的提高,约束再生混凝土初始弹性模量动态放大系数随之增大,但其增长幅度要比受压峰值应力和峰值应变动态放大系数的增长幅度小.     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.     

混凝土强度数值试验方法研究及CT验证

基于弹性损伤本构模型,利用均质岩样研究了在不同加载方法、不同试样尺寸条件下试件的受力特性,确定了混凝土数值试验的加载方法及"数字混凝土"强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。说明可以用位移控制的应力应变曲线极值点作为"数字混凝土"的强度点;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,即裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于其破坏面积。     

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。     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

具有初始损伤的混凝土动态轴拉力学性能仿真研究

基于瓦拉文公式与蒙特卡罗方法并采用Matlab语言构建了随机骨料数值模型,在损伤断裂理论基础上通过Python编程语言于砂浆界面、骨料与砂浆界面和骨料界面嵌入黏聚力单元,建立了二级配混凝土黏聚力模型用于描述混凝土中裂纹萌生、扩展、演化和贯通全过程.以建立的细观模型为基础,对不同孔隙率以及不同微裂纹密度混凝土试件进行了不同应变速率下的动态拉伸加载,研究了混凝土动态轴拉力学性能.结果表明：混凝土轴拉峰值应力与孔隙率呈明显非线性关系,下降曲线为对数函数趋势,孔隙率增加后其对混凝土轴拉峰值应力削弱程度降低,具有初始孔隙的混凝土动态抗拉强度随应变速率的增加而提高.具有初始微裂纹混凝土随着微裂纹密度的增加其峰值应力下降,且动态轴拉强度同样具有速率效应.     

单轴冲击载荷下基于塑性细观力学的冻土本构模型研究

随着寒区工程建设成为中国基础建设的又一大热点,对于冻土冲击动态力学性能及其本构模型的研究已显得十分必要。不同冻结温度的冻土试样通过采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了不同应变率下的单轴冲击压缩实验。实验结果表明:冻土的弹性模量随着冻结温度的降低而升高,没有明显的率相关性;冻土的强度随着冻结温度的下降和加载应变率的升高而增大。基于实验结果,采用平均化方法推导了与冻结温度相关的冻土等效弹性常数的表达式。同时,采用基体各向同性化的切线模量法建立了冻土的动态塑性细观力学模型。进而,引入与冻结温度和加载应变率相关的连续损伤演化模型构建了冻土的冲击动态本构模型。相应的模拟结果表明,该模型能够很好地描述冻土的动态力学行为。     

CGM水泥基灌浆料力学特性及动态本构模型

为研究C-Type Grout Material(CGM)水泥基灌浆料力学特性,以及在动态加载条件下破坏失效规律,开展一系列静、动态力学测试,标定该材料Holmquist-Johnson-Cook(HJC)动态本构模型参数,基于LS-DYNA软件开展了Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)试验有限元动力模拟。实验结果表明：CGM水泥基灌浆料力学性质稳定,单轴受力条件下表现出明显的脆性,在有围压条件下加载具有显著的弹塑性,动态加载条件下率效应明显,应变率达到119 s-1时,动态峰值强度可提高1.62倍。数值模拟结果表明：使用本文试验数据标定的HJC本构模型参数,可准确预测CGM水泥基灌浆料在不同应变率下破坏前的峰值应力和峰值应变,为该材料在动态冲击作用下应用提供参考依据。     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

煤层冲击倾向性指标体系研究及实验验证

针对传统煤层冲击倾向性指标存在的局限性,基于考虑残余强度的损伤统计本构模型,从损伤因子、损伤速率和损伤速率加速度3个角度分别研究峰值强度点、损伤速率最值点、损伤速率加速度最值点处的损伤规律,对残余强度和动态损伤应变进行了修正,提出了新的煤层冲击倾向性指标—盈余能指数变化率,建立冲击倾向性指标体系,并开展冲击倾向性实验对新指标体系合理性进行验证.结果表明:考虑残余强度的损伤统计本构模型能较好地反映煤岩体峰值强度后应力—应变曲线变化趋势及残余强度特点,得到峰值强度点、损伤速率最值点和损伤速率加速度最值点处的损伤规律及损伤速率最大值表达式;根据修正后动态损伤应变的力学意义得到动态损伤应变与动态破坏时间关系式,采用动态损伤应变来表征动态破坏时间,从而使冲击倾向性实验不再受加载方式的限制;采用盈余能指数变化率指标可综合衡量盈余能、峰后破坏过程损耗应变能、动态破坏时间的变化情况;由最大损伤速率、动态损伤应变、盈余能指数变化率构成的新冲击倾向性指标体系更为有效和全面,为准确评价煤层冲击倾向性工作提供新方法.