冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

分数维空间中的损伤力学研究初探

结合损伤力学和分形几何理论，给出分数维空间中分形损伤变量定义ω（ｄ，ζ）及其解析表达式．指出欧氏空间损伤变量ω０实际是分数维空间分形损伤变量ω（ｄ，ζ）当维数取Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ维数时的一种特例，将欧氏空间损伤变量定义推广到分数维空间，建立起一种兼顾反映损伤细观结构效应和宏观损伤力学分析需要的损伤定义与描述方法．在此基础上，推导了材料损伤演化律和损伤本构关系的分形表达形式．作为例证，文中分析了单调压缩载荷下混凝土损伤及演化行为．实验对比分析表明：分形损伤模型较好地反映了混凝土实际损伤力学行为．     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

混凝土单轴压缩下细观损伤特性的CT研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文利用CT技术对混凝土的细观损伤过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件实时静力压缩CT图像,提取出图像上各点的CT数并根据分区理论定义了一个基于CT数的统计损伤变量.通过对图像和CT数以及损伤变量的分析表明混凝土试件在静力压缩条件下经历了压密阶段、扩容阶段,损伤急剧增大到破坏的细观损伤演化全过程,以此反映了混凝土细观损伤演化的特性.进而通过细观损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索.     

基于CT扫描的花岗岩三维数值试件重构模型及应用

岩石细观结构控制宏观破裂模式,建立一种表征岩石细观结构的数值模型重构方法并能够嵌入到力学模型中计算岩石破坏过程应力分布,对于揭示岩石破坏机理具有重要的理论意义.论文以花岗岩试件为研究对象,借助于先进的CT技术获取试件内部结构切片图像,利用数字图像处理技术实现了基于CT图像的花岗岩试件结构的识别和表征,基于矢量化方法和岩石破裂过程分析系统RFPA3D建立了花岗岩三维数值试件,对花岗岩试件单轴压缩破裂过程进行了数值模拟.通过数值试验结果与物理实验结果对比发现,基于CT扫描的花岗岩数值试件真实表征了岩石细观结构,所以力学模拟得到的破裂模式与室内物理实验得到的破裂模式相似,同时能够解译岩石破裂力学机理,为深入研究岩石、复合材料等力学特征提供了一种可行方法.     

CT技术在混凝土细观损伤检测中的应用

应用X射线CT技术无损检测混凝土内部结构和裂纹演化过程,是对混凝土细观裂纹演化规律的分析和研究.详细总结了目前CT技术在混凝土破损过程中的实时动态观测、CT图像分析、裂纹演化规律、损伤演化与损伤变量分析、混凝土三维图像重建等方面的应用进展.结论表明:CT技术是研究混凝土细观损伤演化过程的有效观测手段,并指出混凝土CT试验目前存在的问题是如何获得各种试验条件下精确的CT图像及其成果的应用研究.     

岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上,利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤,并将其分形维数作为岩石性质的主要参量,用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律,从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

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。     

冻融循环作用下沥青混凝土分形断裂特性研究

沥青混凝土作为一种主要的路面材料,暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描,采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析,可获得其内部冻融损伤情况。基于分形理论量化表征了冻融循环作用下内部裂纹扩展的几何特征。沥青混凝土经过冻融循环后的断裂韧性被认为是决定其力学性能损伤程度的关键指标,建立了考虑分形特征的临界裂纹应力、应力强度因子和断裂韧性方程。研究发现：平均分形维数反映了冻融循环过程中的波动特征;断裂韧性由裂纹几何参数决定;弹性模量、临界开裂应力及断裂韧性等力学参数随冻融循环次数的增加而逐渐减弱。

     

岩石节理面在剪切中表面损伤的分形演化

通过剪切实验，对岩石节理的表面损伤演化进行了研究，探讨了描述节理粗糙面分形维数Ｄ和截距Ａ在剪切过程中的变化规律，提出岩石节理表面损伤的分形演化经验公式．     

岩石节理面在剪切中表面损伤的分形演化

通过剪切实验，对岩石节理的表面损伤演化进行了研究，探讨了描述节理粗糙面分形维数Ｄ和截距Ａ在剪切过程中的变化规律，提出岩石节理表面损伤的分形演化经验公式．     

不同化学溶液和冻融循环作用下砂浆力学特征的研究

通过对不同化学溶液和冻融循环共同作用下砂浆物理力学特性进行室内试验,研究了溶液的酸碱性、浓度和化学成分对砂浆化学冻融损伤劣化程度的影响,进一步分析了化学冻融后试样物理力学特性的变化规律,并对不同化学溶液下砂浆的冻融损伤劣化机理进行了探讨。试验结果表明:溶液酸性越强,砂浆物理力学参数的冻融损伤劣化程度越大;冻融初期,碱性NaOH溶液抑制了砂浆的损伤劣化的程度,但随着冻融循环次数的增加,这种抑制作用逐渐消失。相同条件下,Na_2SO_4溶液加剧了砂浆的冻融损伤程度。试样抗折强度的化学冻融损伤劣化程度相对于其抗压强度要严重得多;同时,基于化学冻融前后砂浆的孔隙率建立损伤变量,来定量地描述砂浆化学冻融损伤的劣化程度。     

岩石破碎程度的分形度量

本文用分形几何方法对破碎岩石块度分布进行了统计分析,结果表明,分形维数Ｄ是反映岩石破碎程度恰当的统计特征量,同时指出,分形维数是岩石细观结构、破坏方式及试样形状尺寸等因素的综合反映．     

单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的CT试验研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文在对混凝土进行单轴压缩试验的基础上,根据CT扫描图像反映的细观破损过程,分析了基于CT数平均值变化规律的特点;将混凝土材料的损伤过程进行了分段,提出了损伤变量的提取方法.随后结合试验得到的宏观应力应变曲线,经过拟合得到...     

多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤效应

采用分离式霍普金森压杆冲击实验系统,对流固耦合的多孔隙红砂岩试样进行了不同冲击速率下的损伤效应对比实验,得到反复冲击作用下多孔隙砂岩试件的损伤演化本构关系曲线。通过检测不同冲击速率作用前后流固耦合砂岩试样的声波速度变化和冲击损伤破坏结果,探讨多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤演化的主要影响因素,得出冲击损伤强度随声波速度和孔隙率的变化曲线;提出不同耦合介质和孔隙率对多孔隙砂岩冲击损伤效应的影响关系。     

压缩载荷下孔隙结构变化的CT实验研究

为了研究孔隙对岩石力学性能的影响,利用自制的孔隙物理模型,通过单轴压缩和CT扫描实验研究了受载条件下孔隙率对岩石孔隙结构的演化及其对外部物理力学性能的影响,得到了不同加载阶段和不同CT观察尺度下孔隙模型的裂纹扩展规律以及孔隙和固体介质的损伤变化情况. 实验结果表明：孔隙模型在受载条件下裂纹主要发生在峰值荷载之后,主裂纹大都集中在孔隙密集的地方且伴随许多细小裂纹的产生;峰值载荷前出现了少数微裂纹,微裂纹的产生与演化主要发生在孔隙周边.     

红砂岩冻融循环三轴力学特性及损伤机制

岩石的冻融破坏是寒区工程中不可忽视的自然灾害之一。为了探究冻融循环对岩石物理力学特性的影响,通过开展不同冻融循环次数下红砂岩的常规三轴试验,分析了其物理力学参数随冻融循环次数及围压的演化规律。结果表明,在冻融循环达到5次时,岩样中部表面会出现宏观裂纹且中部直径显著增大,随着表观裂纹不断发育,岩样尺寸随之增大;在单轴情况下,随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度不断降低,降幅最快发生在冻融循环前5次,超过2次后,岩样由脆性破坏转换为延性破坏;在三轴情况下,岩样峰值强度随冻融循环次数增加而降低,降幅最大发生在冻融循环5次以后,在冻融循环次前10次时围压对弹性模量影响较大,超过10次后冻融损伤对弹性模量影响较大。通过微观结构观察到冻融循环一方面会降低岩石矿物颗粒之间的连结紧密程度,使岩石孔隙直径增大,另一方面会使岩石颗粒崩解,破坏岩石颗粒的完整性。     

两条粗糙平行节理构型对超声波波速影响的试验研究

基于图形图像学和分形几何学交叉学科理论,采用图像学中的颜色单元体,借鉴将颜色灰度值间接对应节理面高度值的思想,结合分形布朗函数,本文提出了间接描述节理粗糙度的自仿射维数计算方法——YUV维数法。依据本文提出的方法,计算了24个节理岩石共48个粗糙面的YUV维数,剖析了节理面几何构型的分形特征。采用含两条节理岩石超声波试验,探讨了节理岩石的两条节理YUV维数对超声波波速的影响规律。研究结果表明,超声波波速平均值随着任一节理YUV维数、两条节理维数之和减小而增大。在维数减小过程中,尽管波速持续增加,但波速增大速率逐渐降低。当维数减小至某个量值时,波速不再增大,近似趋于一常量。通过类比分析,文中认为上述结论的机理和原因是:维数由大变小的过程,可类比为节理面孔隙缺陷被逐渐压密且分布越来越规则的过程,因为在此过程中,量化的数值体现就是维数逐渐变小。因而,当维数变小,或者说节理面缺陷孔隙被压密且分布更为规则时,超声波波速将由小变大,且最后将趋于一常数。