冻融和循环载荷作用下对饱和砂岩损伤机理的研究

为研究寒冷地区饱和砂岩的冻融损伤机理,采用DMA450伺服压机,在静载100N、动载80N、波动频率5~200Hz、温度-40~40℃的条件下,进行了饱和砂岩在不同频率正弦波单轴载荷作用下杨氏模量随温度变化的实验研究,获得滞(粘)弹性的弛豫衰减,以及有衰减引起的砂岩样品微结构变化情况。结果表明:饱和砂岩的杨氏模量和弹性波速度随温度升高而降低,随频率提高而增大;-40~20℃温度范围是冻融损伤最严重的区域。同时,在三种低频条件下(1.6Hz、2.8Hz和5.0Hz)用共振法在0℃获得相变衰减峰,反映了饱和砂岩的冻胀融缩效应,其产生的应力导致了饱和砂岩的损伤。从机理来看,前者是微观缺陷的演变,长期积累会导致破坏;后者是一种物理风化作用造成的宏观损伤。本文结果可为研究寒冷地区饱和岩石冻融损伤的机理及规律提供一定的参考。     

饱和岩石滞弹性弛豫机理的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波加载方式,模拟地震波的传播。实验时固定静载为100N,正弦波动载荷恒为60N,将总载荷控制在屈服点以下。在温度为-50℃~90℃,升温速率保持在1℃/分,频率为5Hz~400Hz的条件下,对饱和泵油彭山砂岩和遂宁砂岩样品进行单轴循环加载实验,获得饱和泵油彭山砂岩和遂宁砂岩的衰减、虚模量、实模量、波速与温度和频率以及动载荷的关系。以此研究了饱和多孔岩石的衰减和虚模量、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的动态响应。取得了随频率增高,饱和多孔岩石的衰减峰和虚模量峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫机制。杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有频散效应;杨氏模量和弹性波波速随动载荷振幅的增大而降低。这些结果与低频共振的驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫规律具有一定的普适性。     

用正弦波加载和超声实验研究饱和砂岩弛豫特征和衰减峰

采用Metravib分析仪在-50℃~100℃温度条件及300~400Hz的正弦波作用下进行泵油饱和砂岩应力应变实验,获得了虚模量温度峰与对应实模量的剧烈亏损规律,显示出饱和砂岩有别于由衰减峰引起的典型粘弹性行为。利用超声法对饱和大理岩与花岗岩样品进行波速和衰减特性测试,获得了大理岩的Biot衰减峰变化规律。该研究对岩石物理理论模型的发展具有重要意义,可以利用岩层的衰减和波速频散特性进行油气藏的预测,降低勘探风险。     

岩石时频效应的实验研究

对饱和泵油南京砂岩和饱水大理岩在MTS上进行了单轴压缩实验和正弦波加载实验,求得两种饱和岩石的单轴抗压强度和屈服强度,并获得随正弦波频率的提高,饱和泵油南京砂岩的杨氏模量、纵横波速度增大,具有较明显的频散效应.饱和岩石中的微细观缺陷在正弦波加载中引起滞后,导致瞬时杨氏模量与应力成不对称"X"形,获得随正弦波频率增高,"X"交点在模量轴上的位置增高,杨氏模量增大,模量的频散增强.本文揭示了岩石的非线性时频响应的一些物理机理,对于岩石介质中的非线性波动研究以及地震、工程等理论研究和应用都具有重要意义.     

砂岩球体法向恢复系数实验研究

法向恢复系数是岩崩块石运动分析的关键参数,其取值直接决定了块石的运动轨迹。本文中采用自行设计的碰撞实验装置和声频采样技术,测定了砂岩球体碰撞的法向恢复系数,研究了粒径、碰撞速度、含水状态和板的弹性特性4个因素对恢复系数的影响。结果表明:砂岩球体法向恢复系数存在复杂的尺寸效应,恢复系数随粒径的增大先增大后减小;碰撞过程中存在的黏弹性耗能机理和弹塑性损伤耗能机理共同作用产生了复杂的尺寸效应;受砂岩非均质特性的作用,粒径较小时,恢复系数的速度效应较明显(随速度增大而增大),粒径较大时速度对恢复系数的影响消失;砂岩饱和使黏弹性耗能和弹塑性损伤耗能增加,使恢复系数比风干时低;等效弹性模量对恢复系数的影响较大,等效弹性模量越大,法向恢复系数越小。     

温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度影响的试验研究

为研究温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度的影响,利用对径压缩试验对经历不同温度的灰砂岩圆盘试件的力学特性进行分析,结合动态信号测试分析系统实时监测并记录试件中部侧向应变,采用非金属超声检测分析仪、SEM等手段对经历不同温度的灰砂岩纵波波速、微观结构等特征进行表征。试验结果表明:1高温导致灰砂岩质量与纵波波速分别降低了3.83%与50.03%,损伤程度逐渐增大,且在经历温度为600℃时发生突变;2灰砂岩抗拉强度随经历温度的升高而减小,近似服从负线性分布,峰值压缩变形量与峰值侧向应变均随经历温度的升高而增大,在经历温度为600℃时发生突变;3高温导致试件颜色由灰白色变为淡黄色,断面起伏度降低,裂隙数量与裂隙类型增加。上述研究成果可以为热作用下地下结构稳定性的研究提供参考。     

高饱和黏性土中爆炸波作用下直埋钢管（空管）动态响应

设计和实施了系列爆炸波作用下钢管的动态响应实验，获得了管道应变、振动速度和加速度及地表振动速度的时间历程。分析实验数据可知:在爆炸波近中场，峰值应变大小同管土相对刚度因数负相关，并随比例距离呈幂函数形式衰减，且在爆炸波不同分区衰减指数不同；地表峰值粒子速度、各管的峰值振动速度和测点峰值应变之间具有良好的线性关系。对各测试量做FFT (Fast Fourier Transformation)频谱分析得:振动信号主要集中在低频段，质心频率在10～60 Hz范围内，频谱同天然地震波谱有明显差异，动应变谱质心频率随药量增加亦呈幂函数形式衰减；考虑了爆腔因素以后，管道和地表振速频谱的质心频率和比例距离取对数后具有线性衰减关系。实验所得数据可应用于相似条件下管道的抗震计算，一些结论可作为深入研究爆炸波作用下埋地管道冲击振动机理的依据。     

岩石对冲击波的非线性动态响应

对干燥、饱水、饱泵油大理岩和饱和砂岩进行了SHPB冲击压缩实验,得到了干燥岩石和饱和岩石的应力波衰减规律。在应力波传播过程中,其幅值有较大的衰减,干燥岩石的衰减最大,且孔隙度越大衰减越大,饱和岩石还存在较强的波弥散效应。在小于岩石屈服强度时,多次冲击加载下获得随冲击加载次数的增加,加载模量增大,残余应变减小的压实效应。这一结果可用于大型地震工程和防护工程的设计和建造。     

石英砂岩冻融完整性损失研究

Mutluturk等提出的衰变函数模型能较好分析岩石冻融循环作用下的完整性损失问题,将CT扫描成果引入到该衰变函数模型中,推导出了采用CT数和X射线吸收系数表示的岩石完整性损失关系式。对取自西藏不同钻孔的石英砂岩岩样进行温度区间为-20℃～20℃的冻融循环试验,通过劈裂试验得到不同冻融次数岩石的抗拉强度,对不同冻融次数岩样断面进行CT扫描,利用冻融衰变函数模型从微观和宏观角度分析石英砂岩冻融完整性损失。研究结果表明,不同钻孔石英砂岩有较大差别的冻融耐久性,相比4-1钻孔,钻孔17-1石英砂岩完整性损失较大,抗冻融风化能力较差;岩样冻融过程中X射线吸收系数的微观变化与抗拉强度的宏观变化趋势基本一致;CT数和X射线吸收系数表示的岩石冻融衰变模型本质上是孔隙率的函数,利用该模型能够较方便的分析岩石冻融完整性损失。     

结合内时理论研究岩石衰减与应变振幅的关系

本文将解决复杂弹塑性问题的有效工具内时理论,引入到岩石衰减的研究中来。根据内时理论,简要推导了在中等应变条件下,岩石衰减与应变振幅的用非弹性参数α表示的具体关系式。在MTS压机上,对砂岩、花岗岩等多种岩石样品进行了一系列的循环加卸载实验。利用应力应变滞回曲线的面积,根据衰减的能量损耗的定义,计算了各种实验条件下的岩石样品的衰减值。实验数据表明,在各次循环平均应力相等的条件下,岩石样品的衰减随应变振幅的增加而增加,与内时理论的推导结果相一致。最后,对表示岩石非弹性的参数α进行了简要的讨论。砂岩的α值较为稳定,在0.5左右;而花岗岩的α值变化较大,但二者都随着应力的增加而增加。该实验结果对地震波在地球介质中的衰减研究有一定的参考意义。     

Étude de l?adhérence des joncs et des plats composite avec le béton par flexion (beam test)

The Near Surface Mounted (NSM) technique has been used in recent years for the strengthening of reinforced concrete beams. It involves the insertion of strips or rods of polymers reinforced with carbon fiber (CFRP) in the groove made previously in the concrete cover of corresponding surfaces, filled with epoxy adhesive for fixation. In order to characterize the bond behavior of the laminate and rods to concrete, an experimental work of pullout-bending tests was carried out. The pullout force at the laminate and the slip at the free and loaded end were measured. The influences of the concrete strength, the strength of the bond, and bond length on the bonding behavior between the three materials concrete, epoxy adhesive and CFRP were analyzed.     

黄土中压力型锚索锚固段应力分析

为研究黄土地区压力型锚索锚固机理，根据压力型锚索锚固段受力状态，基于三线型剪切-滑移模型，推导了注浆体与岩土体界面在弹性阶段所对应的剪应力及轴向应力分布的闭合解．根据相关压力型锚索锚固试验数据，采用推导的闭合解计算了不同张拉荷载作用下界面的剪应力分布，并与试验结果进行了对比．结果表明，各级张拉荷载作用下注浆体/岩土体界面剪应力的分布及其最大值与试验结果基本吻合，验证了本文提出解析模型的正确性与可靠性；压力型锚索锚固界面剪应力呈指数分布规律，在承压板附近剪应力分布集中且应力较大，随着离承压板距离的增大，剪应力逐渐减小；压力型锚索锚固界面剪应力峰值随外荷载增大而增大．研究结果可为压力型锚索的设计和计算提供一种理论参考．     

碳纤维布与钢板复合加固梁剥离破坏研究

通过12根碳纤维布与钢板复合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究,结果表明复合加固方式能有效地改善被加固构件的受力性能,但常由于复合加固层的剥离可能导致加固效果的降低。复合加固层与被加固构件之间的剥离是由于薄弱截面在剪应力及正应力的集中作用下而产生的,文中对复合加固层与混凝土之间的粘结剪应力及剥离正应力的计算公式分别进行推导,并进一步对碳纤维布与钢板复合加固的剥离机理进行分析,为工程应用提供依据。     

反复荷载下型钢再生混凝土组合柱粘结性能研究

为研究反复荷载下型钢再生混凝土组合柱粘结性能,对17个组合柱进行了拟静力试验。重点分析型钢翼缘应变分布特征,利用粘结应力计算公式获取型钢翼缘粘结应力大小及其分布规律。在此基础上,分析组合柱粘结破坏机理和位移荷载循环次数对其粘结应力的影响规律,并给出粘结应力退化率计算公式。研究结果表明:反复荷载作用下型钢再生混凝土组合柱粘结应力分布规律基本呈抛物线状;柱中部附近的粘结应力最大,柱上下端粘结应力分布复杂,需对这三个部位采取相应的措施以保证型钢与再生混凝土之间的粘结强度;位移循环荷载作用下粘结强度逐渐降低,出现粘结应力退化现象。研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供理论参考。     

PVC-FRP管混凝土柱组合抗压刚度理论分析

为研究PVC-FRP管混凝土柱的组合抗压刚度,应用弹性力学中的位移变分原理,对PVC-FRP管混凝土柱进行小变形下的弹性理论分析。考虑PVC-FRP管和核心混凝土径向位移和纵向应变协调,分别推导出PVCFRP管和核心混凝土的抗压刚度以及PVC-FRP管对核心混凝土套箍系数的理论计算公式。在此基础上,建立PVC-FRP管混凝土柱组合抗压刚度计算理论。分析CFRP条带体积含纤维率,混凝土泊松比以及混凝土强度等级等因素对PVC-FRP管混凝土柱组合抗压刚度的影响规律。理论计算结果与试验值吻合较好。     

Prediction of bond failure and deflection of carbon fiber-reinforced plastic reinforced concrete beams

Carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) reinforced concrete beams can fail due to interface debonding, due to the high tensile strength of such rebars. A set of 16 concrete beams reinforced with different amounts of CFRP reinforcement was subject to static three-point bending. The beam dimensions and CFRP reinforcements used were selected to demonstrate a transition from compression failure to bond failure with decreasing reinforcement ratio. It is shown that accurate bond strength data to predict such failures can be obtained from a “hinged-beam” test configuration, rather than the conventional direct “pull-out” tests. Deflection under service loads can also be predicted more accurately using a proposed equation that includes the reinforcement ratio and the elastic modulus of the reinforcement.     

ESPI技术对外贴纤维混凝土加固承载的实验研究

采用电子散斑干涉技术,对外贴碳纤维加固混凝土梁的外贴材料位移的分布特征,进行了全场实时测量,通过实验获得的散斑干涉条纹图可以得到外贴材料与混凝土梁的粘结传力长度随粘结长度及初始载荷之间的关系;了解用于加固的碳纤维材料的应变分布特点和产生梁侧剥离破坏时的碳纤维表面位移(应变)的演化过程。实验还说明了电子散斑干涉技术不仅可用于位移的测量,而且也可用于结构安全监测和破坏预报。文中给出了对C20D、C25A和C60C侧贴碳纤维板加固在不同载荷作用直到构件破坏前的位移测试及对试件C60C轴线上的剪应力分析结果。     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.     

基于修正压力场理论的再生混凝土梁抗剪承载力计算方法研究

基于修正压力场理论分析有腹筋再生混凝土梁的剪切破坏机理,建立了更接近有腹筋再生混凝土梁实际受力的抗剪模型,并通过考虑再生骨料有效粒径和受箍筋作用下的裂缝宽度与构件裂缝处应力的联系,分析了再生骨料咬合力对梁斜截面抗剪性能的影响,提出了再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法。此外,本文将理论结果与课题组自制的6根再生混凝土梁的抗剪承载力试验结果进行了对比,理论值与试验值吻合较好,验证了本文方法的有效性,从而为设计人员提供了一种预测再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法。