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.     

砂岩在不同应变率条件下的劈裂破坏特性

为了研究围岩内3种典型砂岩材料在静载荷与冲击载荷作用下破坏行为的差异,采用巴西圆盘试样进行静态与动态劈裂试验,获得不同应变率条件下的抗拉强度,并从细观结构角度进行深层分析,获得抗拉强度差异的主要原因,并利用有限元程序进行数值模拟分析圆盘劈裂试验中的破坏机理.研究结果表明:抗拉强度从大到小的砂岩材料依次为黑砂岩、红砂岩、...     

红砂岩巴西劈裂强度和极限应变的尺寸效应

为研究红砂岩中巴西劈裂强度和破坏极限应变的尺寸效应,试验采用了直径50mm,高度分别为20、25、30、35、40、45、50mm等7组不同厚度的红砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验,同时在试件圆盘中央黏贴应变片监测试件加载直至破坏过程中的横向应变、纵向应变。试验发现,不同厚度下的红砂岩试件所得巴西劈裂抗拉强度不同,试验回归分析了红砂岩中巴西劈裂抗拉强度与厚度的关系,在20~30mm厚度范围内,劈拉强度随厚度的增加而增大,在30~50mm范围内,劈拉强度随厚度增加而无明显变化。     

高应变率下水泥砂浆劈拉强度试验研究

采用直径为74 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对水泥砂浆在高应变率下的抗拉力学特性进行试验研究,受载试件采用平台巴西圆盘试样。通过控制不同气压,获得了50/s~342/s应变率范围内的水泥砂浆动态抗拉力学性能。为了凸显平台巴西圆盘试样的合理性,试验结果还与传统的巴西圆盘试样进行了对比。试验结果表明,水泥砂浆的劈拉强度,峰值应变及弹性模量随应变率的提高而提高,试验得出的动态强度增长因子(DIF)值随应变率的变化趋势与欧洲-国际混凝土协会(CEB)提出的模型比较吻合。破坏模式与应变率有一定关系,剪切破坏区的大小随着应变率的提高而提高。作为间接测量准脆性材料抗拉力学性能的方法,平台巴西圆盘试样优于巴西圆盘试样。     

混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度尺寸效应统计分析

高放废物深地质处置库中的混合型缓冲回填材料是由膨润土和各类掺合料压实而成的多相复合材料,在多组分混合与压制过程中其内部孔洞、微裂隙等缺陷随机分布,即使在相同试验条件下其抗拉强度值也表现出较大的变异性。为阐明试验试样厚径比对混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度的影响规律,针对不同厚径比试样开展了大量的巴西劈裂试验,探讨了不同厚径比试样抗拉强度统计特征及分布概型。结果表明：混合型缓冲回填材料试样劈裂抗拉强度与圆盘厚径比呈显著的幂函数关系,显著性检验结果小于0.05。混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度的均值、极差、标准差及变异系数都呈现出明显的尺寸效应。圆盘厚径比为1.0时,劈裂抗拉强度的极差、标准差及变异系数均最小,从统计特征来看,建议进行巴西劈裂试验时圆盘厚径比设定为1.0。根据K-S检验和有限比较法知圆盘厚径比不同,劈裂抗拉强度最优分布概型也不相同。常用的4种概率分布形式中的正态分布和威布尔分布能更好的描述混合型缓冲回填材料劈裂抗拉强度分布规律。     

岩石SHPB劈裂分析理论研究

为了分析岩石在冲击载荷下的动态劈裂破坏情况,通过分析巴西圆盘在动态劈裂和静态劈裂时表面应力分布均匀化的相似性,可以将静态劈裂时的弹性理论应用到动态劈裂当中,得到巴西圆盘在动态劈裂下的动态抗拉强度、动态抗压强度、应变率和应变的计算公式.应用三维非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟巴西圆盘在分离式霍布金逊压杆实验装置上受冲击时动态劈裂的整个实验过程.基于动态抗拉强度公式和动态抗压强度公式,对试件的实际拉应力曲线与计算拉应力曲线进行对比,以及对实际压应力曲线与计算压应力曲线进行对比,通过对比曲线的相互吻合性证明数值模型适用于对岩石冲击劈裂破坏性质的研究.通过分析试样表面的应力均匀化过程以及试样表面对心压缩轴线上拉应力方向的应力分布情况,得出试样在对心压缩轴线表面上的破坏顺序是由从两个冲击端部向中心发展的;通过分析试样沿对心压缩轴线所切剖面上的拉应力分布,得出试样在厚度方向上的破坏顺序是由表面向内部发展的.     

超高韧性水泥基复合材料与活性粉末混凝土动态性能研究

研究超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）及活性粉末混凝土（RPC）在不同冲击荷载下的动态劈裂强度、拉压比、能量吸收量以及破坏状态.试验采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆以5组不同的冲击速度,打击UHTCC和RPC的平台巴西圆盘试样.研究结果表明：两组材料的动态劈裂强度随着应变率的上升而上升,具有明显的应变率敏感性,RPC的动态劈裂强度约为UHTCC的1.35倍;不同冲击荷载下两组材料的动态能量吸收量相近.     

岩石巴西圆盘的SHPB试验分析

为了研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩不同应变率下三种岩石的拉伸敏感系数、弹性模量、能量耗散特征和破坏方式的变化规律,利用霍普金森试验装置对三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,试验结果表明:三种岩石的拉伸敏感系数随应变率的提高而增大,且应变率对拉伸敏感系数存在突变阈值;千枚岩和磁铁石英岩的弹性模量随应变率的增加而增大,花岗岩的弹性模量在应变率达到247.1 s-1以后基本不变;入射能、反射能、吸收能随着应变率的提高而增加,但试件吸收的能量相对于入射能是减小的,而透射能基本保持不变;三种岩石均沿加载直径方向劈裂,由中心起裂,满足了巴西圆盘试验的有效性,当应变率较大时,会在试样的加载端部的三角区出现粉碎区.     

动态压缩下混凝土应变率效应压力与横向效应的影响与校正

混凝土在高应变率条件下具有非常明显的应变率强化效应.然而,在动态压缩试验过程中混凝土试件内也必然存在横向惯性效应;而且由于常用的混凝土动态本构关系中应变率效应与静水压影响被假设是解耦的,因此需要对其进行归一化处理.基于试验结果,利用波动力学理论,结合数值计算,对动态压缩试验中试件内的横向惯性效应和静水压效应进行分析和校正,并给出了混凝土材料压缩强度的真实应变率强化规律.研究表明:随着试件径向尺寸与应变率的增加、材料声速和破坏应变的减小,试件的横向惯性效应愈加明显;混凝土试件压缩强度在高应变率区间的应变率强化效应非常明显,对比之下,对试件内横向惯性效应与静水压影响进行校正后的混凝土材料压缩强度的真实应变率强化效应远低于前者;在高应变率区间,混凝土材料由于其内在含孔隙与随机预损伤等结构问题应该存在应变率强化效应,但随着应变率的提高,该强化趋势会减小,直至趋于一个近似恒指.      

混凝土力学性能的应变率效应

针对混凝土材料本构关系具有明显的应变率效应,对混凝土材料在不同应变率下的力学性能进行了分析研究。总结了应变率对混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量以及临界应变的影响,通过比较各拟和公式预测的动态增大系数以及文献中的试验数据,分析了各公式的适用条件和范围。结果表明：对于混凝土抗压强度,在不同的应变率范围内应采用不同的经验公式;对于混凝土抗拉强度,修正的CEB（欧洲国际混凝土委员会规范）公式与试验数据符合更好;应变率对弹性模量的影响较小,可采用CEB公式计算动态弹性模量;应变率对与极限抗压强度、极限抗拉强度相对应的临界应变值的影响需做进一步的研究。     

基于颗粒流的平台圆盘巴西劈裂和岩石抗拉强度

使用颗粒流(PFC)虚拟实现不同中心角的平台圆盘巴西劈裂和直接拉伸试验,观察平台圆盘巴西劈裂中裂纹形成、扩展的一般过程,分析不同中心角对岩石破坏过程及破坏模式的影响.研究结果表明:平台中心角越大,岩石内损伤破坏程度越高,破坏模式变得更复杂.通过对不同平台中心角的圆盘试样断裂模式的观察和分析,并结合已有的研究成果推荐平台中心角为20°;利用直接拉伸数值试验的拉伸强度,计算出平台中心角为20°时的抗拉强度修正系数k=0.931 5.     

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。     

单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度相关性研究

运用PFC3D颗粒流模型对单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度的相关性进行了研究。对比分析了均质与含单颗粒杂质圆盘在巴西试验过程中的应力状态及破坏形态,揭示了杂质颗粒位置的不同对巴西圆盘抗拉强度实验结果的影响规律。结果表明,杂质颗粒可使抗拉强度减小,杂质颗粒位于加压轴线垂直方向的直径上时,距圆盘中心水平距离越近,对抗拉强度影响越大;杂质颗粒位于加压轴线上时,距圆盘中心距离越远,对抗拉强度的影响越大;杂质颗粒所处位置不同会导致试件发生不同形态特征的破坏。通过多次含有杂质圆盘单轴抗拉实验结果综合分析,得出了含杂质圆盘单轴抗拉强度实验结果的修正系数公式。     

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.     

高应变率下混凝土动态拉伸性能的实验研究

采用分离式Hopkinson压杆,利用圆柱体对径受压原理对直径为74 mm的混凝土试件进行了动态劈裂拉伸实验,得到了不同应变率下的混凝土动态劈裂抗拉强度。证实了混凝土动态拉伸性能的应变率敏感性,抗拉强度随着应变率的增加而增加;并发现了相应的临界应变率,大约是2s-1,当应变率超过它时,混凝土的抗拉强度会有一个较大比例的增加。同时对裂纹发生位置与扩展顺序及裂纹扩展速度进行了初步探讨。     

劈裂法测地勘岩芯抗拉强度的形状效应研究*

对现场所取岩芯进行力学分析是确定和评价其工程性质的重要途径和手段;但对于一些整体性和强度较差以及裂隙或层理发育的岩层,将现场钻取的岩芯加工成符合规范的标准岩芯。首先加工难度大,更主要的是二次加工对岩芯扰动大,导致力学实验结果偏差较大。为此,将现场地勘岩芯直接应用于力学实验岩芯,通过抗压强度测试中的尺寸效应、劈裂法抗拉强度测试中的形状效应研究,得出以下结论:不同高径比的巴西圆盘劈裂法间接测试抗拉强度的形状效应表明,劈裂法间接测得的抗拉强度和圆盘尺寸离散性较大;但也表现出一定的分布规律。总体上随高径比的增大而呈减小趋势;因此,由于抗拉强度形状效应的离散性,试验中尽可能采用规范规定的尺寸进行强度试验。若在标准岩芯获取受限制的情况下,也可以用非标试件进行试验,引起的误差必须修正。     

应变率对花岗岩抗拉特性影响的数值模拟

为研究应变率对花岗岩抗拉特性的影响,利用巴西劈裂实验标定数值模型细观参数,并开展静态和动态劈裂数值模拟计算,从应力-应变、裂纹演化和破坏特征等方面对比分析静载荷和动载荷作用下花岗岩抗拉特性。计算结果表明,不同应变率下抗拉特性的率相关性基本一致;随应变率增大,抗拉强度增大;裂纹数量增多,均以张拉微裂纹为主;破坏程度加剧;动载作用下应变率对抗拉力学特性的影响比静载作用时更显著。     

微波照射后花岗岩损伤机理试验

在不同微波照射参数下,对干燥花岗岩试件进行了微波照射.通过热成像仪、超声波检测和巴西圆盘劈裂试验,以纵波波速、抗拉强度、相对动弹性模量及损伤变量作为定量指标,衡量微波照射对岩石损伤效应的影响.研究结果表明:微波照射功率的增加,对花岗岩纵波波速、抗拉强度下降幅度的影响明显,远高于微波照射时间变化对其的影响.高功率下,花岗...     

平台巴西圆盘抗拉强度公式修正系数的研究

基于平面问题得出的平台巴西圆盘抗拉强度公式,并没有考虑试样形状参数和泊松比值的影响,其适用性有待于验证.结合Griffith破坏强度准则和三维有限元计算,考察了试样形状参数和泊松比值对平台巴西圆盘应力分布的影响.根据情况总共建立了54个三维有限元模型,对有限元结果分析后发现,平台巴西圆盘试样的厚度和泊松比值对其应力分布存在较大的影响,通过对有限元结果进行的多元拟合,给出了平台巴西圆盘抗拉强度公式中更加精确的修正系数.     

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...