岩土的一种强度准则及其变换应力法

基于岩土摩擦性,假设岩土破坏是由其物理空间内特征面上的应力比决定,提出了等效应力比的概念,即物理空间特征面上的剪应力合力与正应力合力的比值.在二维条件下,等效应力比可表示为σ-τ坐标系下与摩尔圆相切的直线扣除截距正切值;在三维条件下,假设在XYZ空间内存在一三维物理空间平面,此三维空间特征平面的等效应力比为影响材料强度特性的决定性因素,基于上述三维空间特征面建立了强度准则并称之为a准则.SMP准则以及广义Mises准则都是a准则的特例,当二维坐标中的截距为零时,则强度准则退化为SMP(spatially mobilized plane)强度准则,而当正切角为零时,则强度准则退化为广义Mises准则.而当截距与外切角均不为零时,则强度准则为介于上述两者之间的一种强度准则,在偏平面上为介于SMP曲边三角形与广义Mises圆形之间的曲边三角形.在子午面上,采用考虑岩土压剪耦合的屈服准则,破坏准则采用幂函数表达式.在偏平面上提出了基于a准则的形状函数,并采用真三维应力状态表示的破坏强度准则表示在三轴压缩路径下以p,q二维应力变量表达的准则公式,推导得到了基于a准则的变换应力公式,可简单地将一般以p,q为基本变量的二维模型转变为三维应力模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了a准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。     

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响,利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验,基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响,利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质,结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下,梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响,在冲击过程中,样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段,对于不同梯度结构和冲击方向,样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式;(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展,分析发现局部增量达到临界状态后,局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积,最终导致整体性破碎失效;(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到,改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响,不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同,且存在极值情况。     

初始应力下岩体爆破损伤特性及破裂机理

钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛,其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征,导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型,分析了静态应力分布及动态应力演化特征,揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对RiedelHiermaier-Thoma (RHT)模型参数进行标定与修正,并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外,在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征,结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素,当初始应力较大时,合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果,实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。     

基体的真实应力理论

连续介质力学中,各向同性材料的力学理论已基本成熟,即,对任何一个各向同性材料的力学问题,人们几乎总能从现有理论中找到有效解决方案,但对各向异性材料暨复合材料而言,只有线弹性理论才基本成熟,复合材料的塑性变形、破坏和强度等问题,都还缺少成熟分析方法。根本原因是,现有理论只能得到纤维和基体中的均值应力,复合材料的塑性、破坏和强度分析,都必须基于基体的真实应力。本文对作者创建和发展的基体真实应力理论进行了综述介绍,并简要指出了真实应力理论在复合材料破坏和强度分析中所起的作用。     

受压裂纹周边应力极值线及起裂特征研究

通过理论解析并结合数值模拟试验,研究了裂纹倾角对受压裂纹近周第一主应力场和剪应力场的影响。为了能够反映原生裂纹周边的次生裂纹特征,根据原生裂纹近周应力场提出了可描述裂隙岩体中次生裂纹起始位置、起始方向、发展方向的应力极值线的概念。从理论上对应力极值线进行了定义,并通过典型的数值试验分析了应力极值线随裂纹倾角变化的特征与演变过程,进一步从应力极值线角度描述了受压原生裂纹的次生张性裂纹和次生剪切裂纹的特征。研究结果表明:随裂纹倾角增大第一主应力极值线与原生裂纹相交点从裂纹中部向裂纹端部移动,但剪切应力极值线与裂纹相交点始终位于裂纹端部;第一主应力极值线在与原生裂纹相交处垂直于原生裂纹,但最终方向与压力方向平行;剪应力极值线始终与原生裂纹大致共面。研究结果对认识裂隙岩体试样破坏模式、解释张性次生裂纹和剪切次生裂纹的起裂及发展机理有一定的借鉴意义。     

奇异性法预测粘接厚度对单搭粘接接头失效的影响

通过应力奇异性模型预测了铝5052-铝5052单搭粘接接头初始失效位置的受力情况.与Bogy理论公式相比,应力奇异性有限元模型不但可以很好的确定奇异应力场的形状(应力奇异性指数),且还可以确定奇异应力场的大小(应力强度因子),实现了对单搭粘接接头强度的准确分析和预测.研究结果表明:粘接剂厚度的变化不会影响奇异点应力奇异性指数,但会影响该处应力强度因子,应力强度因子随着粘接剂厚度的增加而增大,应力强度因子越大,粘接界面强度越低,该变化趋势与试验结果相吻合.     

平面应变状态下广义非线性统一强度理论的研究

基于广义Hoek-Brown准则的非线性统一强度理论不仅考虑了中间主剪应力效应及其区间性,而且将统一屈服准则、统一强度理论、岩石的非线性统一强度理论联系起来,对在三向应力状态下岩石的破坏特性比较适用。本文利用广义非线性统一强度对平面状态下岩石的强度破坏进行了研究,得到了基于广义非线性统一强度理论的包络线方程,分析了有效剪应力和内摩擦角随有效正应力的变化规律,讨论了中间主剪应力效应参数对剪切破坏包络线及内摩擦角的影响。参数分析结果表明:在平面应变状态下,有效剪应力随着中间主剪应力效应参数的增大而增大,而内摩擦角随中间主剪应力效应参数的增大趋于稳定。     

基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.      

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究

通过对高温加热–遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800℃内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明:(1) 400℃为高温加热–遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400℃时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

THE MECHANISM OF EXPLOSIVE SPALLING OF HIGH STRENGTH AND HIGH PERFORMANCE CONCRETE EXPOSED TO ELEVATED TEMPERATURE

高强高性能混凝土已得到广泛应用,然而高温或火灾下的性能衰减与爆裂成为制约其应用的瓶颈问题,高温爆裂破坏机理尚不清楚. 该文对国内外高温或火灾下高强高性能混凝土爆裂机理的研究进行综述,阐述了蒸汽压、热应力、热开裂3 种热爆裂机理及其影响因素,分析了目前研究存在的困难与挑战. 提出建立一个以蒸汽压致爆机理为主,热应力和热开裂机理为辅的多因素耦合的爆裂模型来定量分析高强高性能混凝土的高温爆裂机理.     

Experimental and numerical studies of thermo-hydrous transfers in concrete exposed to high temperature

The compressive strength of concrete can be as high as 80 MPa at 28 days. High strength concrete (HSC) can be obtained by decreasing porosity and lowering permeability. Concrete, especially HSC, performs poorly when subjected to fire. This is attributed to high thermal stresses and water vapour pressure. High thermal gradient induces high thermo-mechanical stresses in the concrete system. Low permeability prevents water from escaping and induces high water vapour pressure causing cracking and spalling. The aim of this study is both experimentally and numerically study the coupled heat and mass transfers in concrete exposed to elevated temperature. Five concrete mixtures with various cement contents and water cement ratios of a constant aggregate content were studied before and after heating–cooling cycles. The concrete cylindrical specimens were subjected to several tests: compression and splitting tensile tests, measurement of modulus of elasticity, heating–cooling cycles, thermal field and mass loss during the heating–cooling cycles, and permeability tests. Comparisons between the numerical and experimental results on the thermo-hydrous behaviour were reported. Parametric analyses were carried out in order to underline main parameters involved in concrete behaviour at high temperature. The numerical and experimental results included thermal gradient, water vapour pressure, relative humidity, concrete mass losses due to dehydration, and water content for concrete elements heated from 20 to 600°C. The results show the degrees of damage due to the concrete chemical transformations at high temperature.     

骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响

作为混凝土材料的主要组成部分,骨料对混凝土力学性能具有重要影响.但骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响仍缺少研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行层裂实验,通过放置在试件后方吸收杆上的波形测量混凝土层裂强度.对两种不同尺寸骨料的混凝土进行了不同冲击速度下的层裂实验研究.实验结果表明,在相同加载条件下,骨...     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

An Experimental Technique for Spalling of Concrete

The spalling strength of concrete is measured by examining the strain wave profiles in a polymer buffer bar behind the slender concrete bar specimen placed between a large diameter (Φ100 mm) Hopkinson bar and the buffer bar. The experimental results indicate that the spalling strength is related to not only the compressive strength of concrete but also the impact velocities (the loading rates). The rate effect of spalling strength mainly results from the different cracking paths in concrete under different impact velocities. However when the input compressive stress to specimen exceeds the threshold required to trigger the compressive damage, the spalling strength decreases due to the evolution and cumulation of compressive damage in concretes. The repeated impact loading experiments indicate that damage plays an important role in the spallation process of concrete. The high speed video of the spalling fracture process shows that multiple spalling fractures may occur in the scab and damage accumulation resulting from stress wave propagation in scab is the main reason for the producing of multiple spallations.     

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。     

EPS混凝土的动态劈裂强度和能量耗散

 用分离式Hopkinson压杆对多种聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)体积含量的EPS混凝土试样进行了动态劈裂实验。提出了描述EPS混凝土劈裂强度与应力率关系的经验公式,该式同时适合于静态和动态应力率,并根据实验结果拟合了系数。分析了EPS含量、粒径大小对劈裂强度和动态增强因数的影响,发现碳纤维能有效提高EPS混凝土的动态劈裂强度,尤其对于小EPS粒径混凝土。此外,还研究了试样的能量耗散随应力率的变化规律,EPS含量增加时,试样的能量耗散随应力率的增加而增加,反应出EPS颗粒具有增韧和吸能效果。     

接触爆炸对底部有土垫层纤维混凝土板破坏效应试验研究

采用钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢筋混凝土3种材料共24块板试件进行了接触爆炸试验。对试验现象进行了描述,由迎爆坑尺寸拟合分析得到了3种材料的爆炸介质压缩系数。采用ЛяхоB公式对试验测得的土压峰值进行了拟合分析,结果表明,随试件厚度的增加,砂土中应力波峰值衰减更显著,相同比例爆距的土压值明显减小,并由试验结果得到了底部有土垫层介质情况下混凝土板临界爆炸贯穿厚度计算公式。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

An Experimental Method to Determine the Tensile Strength of Concrete at High Rates of Strain

In the present work, dynamic tensile strength of concrete is experimentally investigated by means of spalling tests. Based on extensive numerical simulations, the paper presents several advances to improve the processing of spalling tests. The striker is designed to get a more uniform tensile stress field in the specimen. Three methods proposed in the literature to deduce the dynamic strength of the specimen are discussed as well as the use of strain gauges and a laser extensometer. The experimental method is applied to process data of several tests performed on wet micro-concrete at strain rates varying from 30 to 150/s. A significant increase of the dynamic tensile strength with strain-rate is observed and compared with data of the literature. In addition, post-mortem studies of specimens are carried to improve the analysis of damage during spalling tests.