砼受压全过程声发射特性及其损伤本构模型

本文根据在ＭＴｓ８１５．０２型电液伺服岩石与砼力学试验系统上完成的砼受压应力。应变全过程试验及相应声发射检测结果，分析了砼全过程的声发射特性，利用内变量理论建立了砼受压损伤本构模型。模型中的损伤因子可由相应声发射特性的损伤能相对比确定。经比较，所建模型与实验结果吻合较好。     

循环受压砼全过程声发射实验及其本构关系

本文根据在ＭＴＳ电液伺服试验系统上完成的不同应变控制加载工况的循环受压砼应力—应变全过程试验及相应声发射检测结果分析了受压砼全过程的声发射特性，然后利用损伤力学的等效应变假定建立了考虑不可逆效应的循环受压砼本构关系，该模型兼容理想弹性损伤本构模型和一般弹塑性本构模型。经比较，本文所建模型与实验结果吻合较好。     

砼受压全过程发射b值与分形维数的研究

声发射ｂ值反映了材料内部微裂缝发展，本文在ＭＴＳ试验系统进行了砼受压全过程实验同时，检测了砼声发射的幅值和事件数变化，并根据实验结果对ｂ值进行了研究。研究表明：在应力－应变全曲线峰值处ｂ值最小。此外，还根据分形理论对砼受压全过程分形维数进行了研究。     

砖砌体双参数单轴受压弹塑性损伤力学模型

参考弹塑性损伤模型理论和相关试验数据,建立了砖砌体单轴单调受压和重复受压两种弹塑性损伤本构模型.在模型中采用抗压强度和峰值压应变双参数来调整形变曲线,从而实现了砖砌体单轴受压本构模型的精细化建立.模型不但与既有弹塑性模型相符,而且还符合受压延性与强度呈反向变化的试验结论.重复受压加-卸载路径建立在卸载线性假定的基础上,参考两组试验数据,得出了双线性抗压刚度劣化函数,并通过强度线性插值来调整劣化速率,从而建立了随强度改变的受压加-卸载损伤本构模型.     

砼受压全过程声发射b值与分形维数的研究

声发射ｂ值反映了材料内部微裂缝发展。本文在ＭＴＳ试验系统进行砼受压全过程实验同时，检测了硅声发射的幅值和事件数变化，并根据实验结果对ｂ值进行了研究。研究表明：在应力－应变全曲线峰值处ｂ值最小。此外，还根据分形理论对砼受压全过程分形维数进行了研究。     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

预静态加载后的混凝土动态受压特性试验

进行了混凝土在应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s的条件下,经历极限抗压强度分别为0、40%、60%、75%和85%的单调荷载作用的动态单轴压缩试验,在此基础上分析了经历不同单调加载历史和应变速率下混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。试验结果表明,随着应变速率的提高,动态单轴抗压强度明显增加;当单调加载应力水平高于某一应力阈值时,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土弹性模量随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加表现出先增大后减小的趋势;混凝土峰值应变随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加而减少。     

准脆性材料的弹塑性各向异性损伤耦合本构模型研究

针对准脆性材料的非线性特征：强度软化和刚度退化、单边效应、侧限强化和拉压软化、不可恢复变形、剪胀及非弹性体胀，在热动力学框架内，建立了准脆性材料的弹塑性与各向异性损伤耦合的本构关系。对准脆性材料的变形机理和损伤诱发的各向异性进行了诠释，并给出了损伤构形和有效构形中各物理量之间的关系。在有效应力空间内，建立了塑性屈服准则、拉压不同的塑性随动强化法则和各向同性强化法则。在损伤构形中，采用应变能释放率，建立了拉压损伤准则、拉压不同的损伤随动强化法则和各向同性强化法则。基于塑性屈服准则和损伤准则，构建了塑性势泛函和损伤势泛函，并由正交性法则，给出了塑性和损伤强化效应内变量的演化规律，同时，联立塑性屈服面和损伤加载面，给出了塑性流动和损伤演化内变量的演化法则。将损伤力学和塑性力学结合起来，建立了应变驱动的应力-应变增量本构关系，给出了本构数值积分的要点。以单轴加载-卸载往复试验识别和校准了本构材料常数，并对单轴单调试验、单轴加载-卸载往复试验、二轴受压、二轴拉压试验和三轴受压试验进行了预测，并与试验结果作了比较，结果表明，所建本构模型对准脆性材料的非线性材料性能有良好的预测能力。     

定围压比作用下混凝土轴向受压性能试验研究

通过对混凝土施加围压,使单轴受压混凝土的裂缝发展受到限制,从而研究混凝土在接近无裂纹发展状态(无损伤产生的理想状态)下的受压性能。本文在MTS815.02岩石电液伺服系统上完成了三轴应力比σ1∶σ2∶σ3=(-α)∶(-α)∶(-1)(α=0.15,0.18,0.19,0.20,0.22)作用下的混凝土单调、循环加卸载受压的常规三轴试验。研究了不同围压比对混凝土受压应力-应变关系的影响规律,以及围压对混凝土裂缝发展的限制作用,得出了一些与同类试验不同的结果,混凝土理想无损伤发展状态的受压应力-应变关系曲线被提出,并通过试验首次研究了理想无损伤发展状态下的混凝土循环加卸载的应力-应变关系,系统地分析了围压对混凝土受压性能的影响规律。     

砼受压损伤的分形描述

本文采用分形几何描述方法，量化地分析了受压砼内部微裂缝的分形维数变化情况，并给出了损伤变量ω与分数维Ｄ间的关系。     

基于0.2定围压比状态下的约束混凝土性能研究

通过对混凝土施加0.2定围压比,使单轴受压混凝土裂缝发展受到约束,研究了混凝土在接近无裂纹发展状态下的受压力学性能。本文以在MTS815.02岩石电液伺服系统上对不同强度等级的混凝土试件在定围压比为0.2时的单调、循环加卸载受压常规三轴试验为基础,研究分析了0.2定围压比对混凝土受压应力-应变规律的影响和围压对混凝土裂缝发展的限制效果,并根据0.2定围压比下混凝土材料的特殊性能,提出了无裂纹发展状态下混凝土上升段表达式及参数。分析结果表明,0.2定围压比下,各强度混凝土本构关系均表现出了类似金属材料的本构关系,且低强混凝土试件应力-应变的提高幅度优于中强混凝土试件。综上所述,0.2定围压比改善了混凝土在受压时无征兆失效(脆性破坏)的力学性能。     

混凝土疲劳刚度衰减规律试验研究

对C15混凝土进行了大量的静载及恒幅疲劳试验研究，分析了疲劳加载过程中混凝土的刚度衰减规律，并以循环卸载割线弹性模量的衰减率为损伤因子建立了疲劳寿命与循环卸载割线弹性模量的数学模型，提出了通过较少循环的微损试验结果来预测混凝土疲劳寿命的方法．     

混凝土的弹塑性损伤双面本构模型

针对混凝土材料拉压应变空间下损伤机制的不同,结合连续损伤力学和塑性理论建立了一个全新的本构模型。该模型中损伤和塑性变形的演变由应变空间的同一个非弹性曲面来控制,但对拉压应变空间中非弹性曲面的演变分别采用了随动强化法则和各向同性演化规律。计算结果表明,该模型能较好地描述混凝土材料在单轴及多轴单调加载和低周反复荷载下的典型非线性特征。     

受压混凝土的不可逆变形与刚度衰减的研究

本文根据内变量定义，引入表征塑性发展和产生损伤的内变量，根据塑性力学和损伤学方法，结合混凝土单调受压应力一应变全曲线的试验结果，对混凝土不可逆变形和刚度衰减进行了研究，经与反复加卸载试验结果相比，吻合较好，如果将其推广至反复加卸载试验极为困难的复杂受力工况将是方便有效的。     

STUDY ON DAMAGE BIFURCATION AND INSTABILITY OF ROCK-LIKE MATERIALS

The critical bifurcation orientation and its corresponding hardening modulus for rock-like geomaterials are derived by considering the effect of stiffness degradation and volumetric dilatancy under the assumption of isotropic damage. The dependency of the localized orientation on the degree of damage and initial Poisson's ratio of rock is examined and the bifurcation behavior of the uniaxial compression sample under the plane-stress condition is compared with that under plane-strain condition. It is shown that the localization orientation angle intimately depends on both the initial Poisson's ratio and degree of damage for the rock sample under the uniaxial compression condition. As the initial Poisson's ratio or degree of damage increases, the orientation angle of the plane on which localization tends to be initiated gets to decrease. At the same time, the localization orientation angle of a rock sample under the plane-stress condition is larger than that under the plane-strain condition.     

冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究

通过对自然状态以及饱水状态下的混凝土试样分别进行冻融循环试验,并在不同冻融循环次数后对混凝土试样进行单轴压缩强度测定,研究了材料弹性模量、抗压强度、应力应变关系等力学特性的变化规律,以此分析了在冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:混凝土冻融损伤劣化模式具有多样性,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样逐渐呈现出颗粒脱落、微裂纹萌生扩展、剥蚀和块落等多种形式相结合的损伤劣化模式;而试样弹性模量及强度明显减小,且强度受水影响非常显著。该研究从试验角度解释了在冻融环境下混凝土力学性能的变化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测、防治提供了较可靠的试验与理论依据。     

三向受压混凝土的动态特性研究

为探究混凝土在三向受压状态下的动态特性,利用自行研制的大型多功能三轴材料试验机,进行不同应变速率(10^-5/s、10^-4/s、10^-3/s、10^-2/s)下混凝土不同定侧压比(1:1、2:1、3:1、4:1)的动态真三轴抗压试验,研究了混凝土在动态抗压下的强度和变形特性。结果表明:混凝土在三向受压状态下表现出明显的应变率效应,峰值应力随着应变速率的增加先减小后增大,峰值应力减小最大幅度为5.42%而后开始增大,最大增幅为18.22%。而峰值应力随着侧压比的增大而增大,到达3:1时应力速率敏感性降低。混凝土的峰值应变在低侧压比(1:1和2:1)时随着应变速率的增加而减小,而在侧压比较高(3:1和4:1)时先减小再增大。随着应变速率的增加,裂纹开始从骨料处产生,塑性应变增大,导致峰值应变增大;在动态加载条件下,峰值应变随着侧压比的增大有先增大后减小的趋势。较高侧压比时混凝土的弹性模量随着应变速率的增加具有增大的趋势,最大增幅为240.66%。应力-应变曲线上升段随着应变速率增大越来越陡峭。试件的破坏形态随着侧压比的增大从柱状破坏变为斜剪破坏。     

循环加卸载损伤大理岩的动力学特性

利用MTS 815电液伺服岩石实验系统进行上限应力为80%、85%、90%、95%单轴抗压强度的大理岩单轴压缩循环加卸载实验，每种上限应力条件分别设置20、40、60、80次循环。再利用分离式Hopkinson压杆对损伤岩样进行动力学实验。分析了循环加卸载上限应力及循环次数对大理岩塑性应变的影响，揭示了大理岩动态力学参数和破碎吸收能随损伤变量的演化规律。实验结果表明:塑性应变与循环次数呈正相关，且上限应力越大，塑性应变趋于稳定所需的循环次数也会增大；动态单轴抗压强度、动态弹性模量随损伤变量增加呈指数衰减；破碎吸能占比以损伤变量D=0.343为临界点分为两个阶段，D＜0.343时，破碎吸能占比稳定在10%左右，数值约为13 J，当D＞0.343时破碎吸能占比随损伤变量增加不断增大。研究结果可为岩体工程的设计、施工及支护参数的选取提供参考。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。