尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究

为探究尺寸效应对小尺寸岩样单轴压缩试验的影响规律,通过在室内伺服试验机上对直径25 mm,不同长度的花岗岩岩样进行单轴压缩试验,研究尺寸效应对小尺寸花岗岩岩石力学参数以及破坏形式的影响规律。试验结果表明,随着长径比增加,岩样表现出抗压强度和泊松比逐渐减小,弹性模量增加的趋势。其中,多项式模型较为适合小尺寸岩样尺寸效应强度模型;不同长径比岩样的单轴压缩试验应力应变曲线加载趋势不同,其峰值应变随着长径比的增加而减小;随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏,岩样破坏面数量与角度出现规律性变化。当长径比在1.1~2.2时,岩样破坏形式遵循相同的破坏准则,通过拟合公式推导不同长径比岩样的力学参数存在可行性;岩石单轴试验破坏过程中的能量与长径比呈负相关,且当长径比在1.9~2.2时,各能量变化幅度趋于平缓,岩样破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,可作为小尺寸岩样单轴试验的最佳长径比。

钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应对比分析:试验研究

文章旨在研究并对比钢筋及BFRP筋(玄武岩纤维增强筋)混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应的异同,对4根钢筋混凝土深受弯构件及4根BFRP筋混凝土深受弯构件(梁高为300~1200mm)进行了剪切破坏试验。对比分析了荷载-位移曲线、斜裂缝宽度、混凝土应变、纵筋应变及腹筋应变随结构尺寸变化的发展趋势。揭示了钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件抗剪强度尺寸效应规律,并分析了设计规范和计算方法的适用性。研究表明:(1)BFRP筋混凝土深受弯构件的极限荷载约为钢筋混凝土深受弯构件的0.3~0.5倍,而挠度约为钢筋混凝土深受弯构件的1.4~1.7倍;(2)梁高从300mm增至1200mm时(试验梁的水平及竖向腹筋率均为0.51%),钢筋混凝土深受弯构件的名义极限抗剪强度下降34.0%,而BFRP筋混凝土深受弯构件下降45.7%;(3)对于大尺寸构件的抗剪承载力,设计规范的计算结果安全储备不足,未能合理考虑尺寸效应;(4)提出的尺寸效应理论公式可以定量描述结构尺寸对钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件名义极限抗剪强度的影响。

考虑尺寸效应影响的FRP筋混凝土构件纯扭承载力计算方法

纤维增强聚合物(FRP)筋作为非腐蚀材料替代钢筋已成为解决锈蚀问题的创新方案,被应用于预应力结构、海洋平台、沿海码头和长期处于浸蚀性化学环境的构件中。关于FRP筋混凝土构件的纯扭承载力设计方法只有加拿大规范CSA S806-12提出,且以借鉴现有的钢筋混凝土构件纯扭承载力计算公式的形式给出,考虑了FRP筋与钢筋间材料力学参数的区别。该文通过已验证了的三维细观数值模拟方法,研究了最大横截面宽度为1000 mm的FRP筋混凝土柱纯扭破坏行为,揭示了其名义抗扭强度尺寸效应规律。基于模拟数据,对比了现有的FRP筋混凝土构件纯扭承载力计算公式,并在中国规范GB 50010-2010关于钢筋混凝土构件纯扭承载力计算方法的基础上,提出了考虑尺寸效应影响的FRP筋混凝土构件纯扭承载力的计算方法。通过对比现有的试验数据,验证了所提公式的正确性和合理性。

TA1箔力学性能和断裂行为的尺寸效应

对不同晶粒尺寸的100μm厚TA1箔进行单轴拉伸试验,研究其力学性能和断裂行为的尺寸效应,并构建基于尺寸效应的微尺度本构方程。结果表明,随着晶粒尺寸增大,钛箔的拉伸应力及强度呈现增大的趋势,伸长率先缓慢下降至25%,随后快速降低。拉伸过程中颈缩阶段和平缓阶段不断缩短,除晶粒尺寸为56.88μm的试样外,其余试样断口夹角处于50°~60°,为典型的剪切型断裂。晶粒尺寸超过21.08μm后,断口表面的撕裂棱和韧窝数量不断减少,断裂模式由塑性断裂转变为准解理断裂,晶粒尺寸大于36.14μm后,钛箔基体从HCP-Ti结构转变为FCC-Ti结构,位错密度降低,断口表面出现明显的解理断裂特征,断裂模式完全转变为解理断裂。基于表面层模型构建考虑尺寸效应的本构模型,可精确预测微尺度钛箔拉伸过程中的力学特性。

考虑尺寸效应影响的钢筋混凝土构件纯扭承载力计算方法

近年来,钢筋混凝土构件的抗扭设计问题受到了广泛关注,现行的设计规范是基于小尺寸试件的试验数据外推而来,并未考虑尺寸效应的影响,对大尺寸试件承载力预测值的安全度有待商榷。对比分析国内外规范中RC构件纯扭承载力计算方法公式,基于钢筋混凝土柱纯扭加载三维细观数值模拟结果,总结钢筋混凝土柱名义抗扭强度尺寸效应规律,建立可定量反映配箍率影响的名义抗扭强度尺寸效应律公式;通过引入尺寸效应系数αh建立考虑结构尺寸效应影响的钢筋混凝土构件纯扭承载力建议预测公式,并将αh分为3个区域,综合考虑结构设计的安全性和经济性,从而保证大尺寸试件承载力预测值的安全度;通过与90个试验数据的对比,证明修正公式能有效提高大尺寸试件承载力预测值的安全储备。

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明:抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。

NaOH浓度对地聚物再生骨料混凝土尺寸效应的影响

设计了4种不同立方体尺寸(70 mm、100 mm、150 mm和200 mm)和5种不同NaOH浓度(3 mol/L、5 mol/L、7 mol/L、9 mol/L、11 mol/L)的地聚物再生骨料混凝土试块,研究了不同NaOH浓度条件下的地聚物再生骨料混凝土抗压强度的尺寸效应。通过试验发现:GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中规定的换算系数并不适用于地聚物再生骨料混凝土,给出2种方法来进行地聚物再生骨料混凝土尺寸换算系数的取值,第一种是平均数方法:α_(200)=0.93、α_(100)=1.13、α_(70)=0.70,第二种方法采用线性拟合:α_(200)=0.9735-0.0065ε、α_(100)=1.0445+0.0125ε、α_(70)=0.718-0.002ε;尺寸为200 mm、150 mm和100 mm的地聚物再生骨料混凝土抗压强度均符合Bazant的尺寸效应理论曲线,采用无量纲的方法可以得到地聚物再生骨料混凝土抗压强度与NaOH浓度和尺寸参数耦合作用影响的预测方程,所提出的方程具有更好的适用性,并且得出了不同NaOH浓度条件下地聚物再生骨料混凝土的临界尺寸和临界强度值。

新旧混凝土界面双面直剪性能尺寸效应试验研究

以界面处理方式、横向约束形式、混凝土强度、界面尺寸为变量,开展了8组50个新旧混凝土界面试件双面直剪试验研究,得到界面受剪破坏形态和抗剪强度-滑移曲线,分析界面抗剪强度的尺寸效应规律,拟合得到新旧混凝土双面直剪试件极限应力尺寸效应的换算系数,建立受剪承载力计算表达式。结果表明:在剪力作用方向上,新旧混凝土界面受剪极限应力存在明显的随界面高度增加而降低的尺寸效应现象;开裂应力、裂通应力以及滑移的尺寸效应不明显;施加横向约束可提升界面裂通应力和极限应力;施加预压应力可显著提升试件的裂通应力,并有效限制试件的极限滑移。无横向约束条件下,凿毛形式对极限应力影响显著,相比整浇混凝土试件,机械凿毛的同强度新旧混凝土双面直剪极限应力减少至整浇试件的0.22以下,而人工凿毛试件的折减系数在0.34~0.37之间。有横向约束条件下,同凿毛粗糙界面相比,规则齿槽试件的开裂应力、裂通应力以及滑移表现优势突出;约束下强度折减系数提高到无约束同等条件试件的2~2.5倍以上,最大可达到整浇试件强度的0.97倍。新旧混凝土强度提高可增加试件裂通应力和极限应力,但提升幅度有限。

考虑尺寸效应的再生混凝土受压破坏细观模拟研究

再生粗骨料取代率、粗骨料粒径及截面尺寸对再生混凝土单轴压缩破坏行为产生影响。文章采用细观尺度数值模拟方法,建立了再生混凝土二维细观模型,模拟分析了再生混凝土单轴压缩破坏的应力-应变曲线、损伤拓展以及破坏的全过程。结果表明:静态加载下,再生混凝土的损伤由内向外拓展,先出现在最薄弱的界面过渡区,再发展到砂浆基质;截面尺寸、粗骨料粒径和再生粗骨料取代率的改变会影响到再生混凝土的破坏模式和力学性能;再生混凝土存在明显的尺寸效应,不同截面尺寸下,再生粗骨料的粒径和取代率的增大都会在一定程度上削弱尺寸效应行为,而当再生粗骨料取代率为100%时,尺寸效应得到有效抑制。

龄期相关的混凝土尺寸效应断裂模型

该文提出了一种龄期相关的混凝土尺寸效应断裂模型。基于现有模型建立可用于确定试件尺寸和缝高比变化时混凝土断裂破坏的尺寸效应模型演化形式;结合模型参数的时变规律,提出一种考虑龄期影响的尺寸效应断裂模型;采用文献中试件龄期、尺寸和缝高比变化的混凝土断裂试验结果验证模型的适用性。研究发现:为保证模型对于特定龄期混凝土断裂破坏预测的精度,建议模型所用材料常数至少由3组且最大与最小等效裂缝长度之比不小于4的混凝土试件断裂试验结果确定。指数函数形式可较好地描述混凝土材料常数的时变特性。龄期相关的尺寸效应模型可准确预测试件龄期、尺寸和缝高比变化时混凝土构件的断裂破坏。

碱激发矿渣-粉煤灰基再生混凝土抗压强度尺寸效应研究

为研究矿渣-粉煤灰基碱激发再生混凝土(AARAC)的尺寸效应,制备72个不同试件尺寸(70.7 mm、100 mm、150 mm和200 mm)的立方体试块,进行抗压强度试验,分析再生骨料取代率对AARAC抗压强度及其尺寸效应的影响规律。基于Bazant′s尺寸效应律,建立AARAC抗压强度尺寸效应计算方法。在此基础上,提出AARAC的抗压强度尺寸效应转换系数以及临界尺寸与临界强度。结果表明:随着再生骨料取代率增大,AARAC抗压强度不断下降,其降低幅度约为4.0%~30.4%,但其尺寸效应更加显著;规范GB/T 50081—2019中普通混凝土抗压强度尺寸效应换算系数并不完全适用于AARAC。提出的尺寸转换系数及临界尺寸与临界强度能较好预测不同试件尺寸条件下AARAC的抗压强度。

基于断裂能的混凝土弹塑性损伤本构模型和尺寸效应研究

为研究混凝土断裂特性与尺寸效应,引入断裂能和等效应变表示混凝土的损伤演化规律,结合混凝土塑性变形特征,提出基于断裂能的混凝土弹塑性损伤本构模型,并建立相应的数值计算模型。为验证数值计算结果的合理性,引入改进的能量尺寸效应公式进行对比分析。通过对三点弯曲梁的有限元数值模拟和断裂参数敏感性分析发现,尺寸较小的梁失效时,断裂过程区未扩展至特征长度,限制了能量耗散,从而提高了梁的抗断裂能力,增强了梁的名义强度;随着尺寸增大,失效时的断裂过程区逐渐接近特征长度,梁的名义强度逐渐减小;当断裂过程区达到特征长度后,结构名义强度不再随梁尺寸的增大而减小。

基于名义粒径的砂岩颗粒破碎强度及颗粒集合抗剪强度的尺寸效应研究

对单颗粒和颗粒集合分别进行单轴压缩试验和直剪试验,探究不同尺寸、含石量和最大粒径下颗粒强度特征。基于Weibull统计模型建立颗粒强度尺寸效应公式,统计单颗粒名义粒径尺寸占比并推出级配曲线,再将名义粒径级配曲线与颗粒集合级配曲线对比,得到颗粒集合中特征粒径与名义粒径转化关系,由此得到从单颗粒推广到颗粒集合的强度尺寸效应公式,并检验公式适用性。结果表明:砂岩颗粒强度具有明显的尺寸效应;强度尺寸效应公式可以更好地预测天然级配堆石料的强度参数,对实际工程具有一定的指导意义。

粉煤灰-矿渣再生混凝土抗压强度及尺寸效应研究

以粉煤灰和矿渣掺入方式和掺量为变量,设计24组C30再生粗骨料混凝土,对再生混凝土的抗压强度进行了研究。试验结果表明,粉煤灰或矿渣单掺时,再生混凝土的抗压强度随矿物掺料的掺量增加呈现先上升后下降趋势,同等掺量下矿渣单掺优于粉煤灰单掺;双掺时保持粉煤灰或矿渣掺量20%不变,再生混凝土立方体和轴心抗压强度随另一种微细矿物掺量的增加同样呈现先上升后下降趋势,双掺较单掺方式对再生混凝土抗压强度的提升效果更佳,且再生混凝土的抗压强度存在明显的尺寸效应。单掺粉煤灰或矿渣时再生混凝土轴心抗压强度和立方体抗压强度换算系数随其掺量增加而增大,双掺则稳定保持在0.85±0.02。此外,论文还建立了不同微细矿物掺料条件下再生混凝土抗压强度换算系数的修正公式,验证结果表明公式预测误差较小。建议实际工程再生混凝土配制采用粉煤灰和矿渣双掺方式,且掺量控制在25%以内。

小比尺条形基础承载力模型试验的尺寸效应研究

开展小比尺模型试验是土力学承载力研究中的重要方法,但小比尺模型的尺寸效应会影响试验的定量结果,导致小比尺试验一般仅能用于定性研究。在饱和砂土地基中开展了20组条形基础承载力的小比尺模型试验,通过改变基础尺寸、埋深以及砂土的密实度研究承载力的变化,进而引入离散元分析方法,采用抗转动模型模拟砂土颗粒的力学行为,对条形基础承载力试验进行模拟,从微观角度揭示小比尺模型试验尺寸效应的来源和对宏观承载力的影响规律。研究结果表明,饱和砂土地基密实度与基础埋深越大,小比尺实试验的尺寸效应越明显,尺寸效应的产生是应力水平变化、破坏模式改变以及渐进破坏程度综合作用的结果。

基于CT扫描的三维重构煤体加载损伤演化特征及尺寸效应

煤体是一种包含孔隙结构和矿物成分的多孔材料,具有明显的各向异性和尺寸效应。为研究煤体各向异性及尺寸效应对破坏特征的影响,本文提出了一种基于CT扫描、核磁共振和X衍射等技术手段的煤样内部孔隙、矿物成分表征和三维重构模拟方法。在此基础上,反演实验室单轴压缩获得了三维重构模型煤基质和矿物成分的模拟参数,进一步模拟分析了不同宽高比煤体的强度损伤特征。模拟结果表明:①在加载过程中,塑性区首先在孔隙和矿物成分周边逐渐向外扩展连通。在空间分布上,塑性区前期由加载端垂直向内部扩展,后期转变为由四周水平向内部扩展,最终模型破坏的非塑性区形成“双圆台结构体”。②随着宽高比的增加,煤样的抗压强度(p)、达到屈服强度时的应变(ζ)以及弹性模量(K)均会增加,其中ζ和K呈线性增加,而p增幅逐渐减小。③在煤样单轴加载过程中总能量和弹性能呈指数增加,耗散能呈线性增加。随着宽高比增加,煤体内积聚的弹性能增加,破坏时释放的能量增大,更容易诱发动力冲击相关灾害。研究结果为冲击矿压地区区段煤柱尺寸的合理选择提供参考。

基于尺寸效应的夯土水盐运移分布特征研究

水盐循环作用是夯土遗址渐进式破坏的主要影响因素之一。为了研究尺寸对夯土水盐运移分布特征的影响规律,制备5组含盐量为0.3%、边长为50、100、200、500、900 mm立方体夯土试样,并将其置于温度为10~27℃、相对湿度为20%~50%的室内环境进行自然失水试验。在失水周期内,通过钻孔取样,检测夯土试样表层至内部土体的含水率及含盐量,并分析不同尺寸夯土试样水盐运移特征及尺寸效应。试验结果表明:夯土试样的失水周期及表层土体盐分富集量随尺寸的增大而增大,失水速率随尺寸的增大而减小。不同尺寸夯土试样的失水周期分为快速失水、缓慢失水、稳定失水3个阶段,水盐运移活动主要发生在快速失水阶段。失水过程中,盐分随水分向试样表层运移,表层土体盐分含量增加,内部土体盐分含量降低,盐分集中富集在表层土体上。该研究可以为土遗址室内小块体试验、模拟足尺试验和野外观测试验研究提供理论支撑。

方形基坑尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响

为研究方形基坑尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响,以某桥梁承台基坑为依托,采用数值分析手段,通过现场实测对选用参数进行验证,依托选用参数拟定不同平面尺寸计算工况,通过地层应力与桩后土压力变化分析其尺寸效应;通过对比长短桩围护结构与等长桩围护结构的变形受力差异,探明尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响。结果表明:当方形基坑尺寸较小时,在坑边一定距离处会形成连续、封闭的“类圆形”拱区域,存在与圆形基坑中环箍效应相似的“类环箍效应”,算例表明该效应在边长大于18.0 m后环箍断开,效应消失;当拱区域封闭为环箍时,围护结构桩后土压力显著降低,当其不封闭时,土压力增长,坑边中部桩后土压力增长量大于坑角处;长短桩围护结构的支护效果在尺寸效应越强的方形基坑中降低越少,基坑的尺寸效应对其变形及稳定有利,算例中边长小于等于14.4 m的基坑可充分利用其尺寸效应,采用长短桩代替等长桩围护,做到绿色环保。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析

为探究金属材料在SHPB动态测试中的尺寸效应问题,该文选用3种具有典型晶体结构的金属材料2A12铝合金(面心立方,FCC)、45钢(体心立方,BBC)以及TC4钛合金(密排六方,HCP),分别加工成具有相同长径比(0.8)、不同尺寸(Φ10 mm×8 mm,Φ5 mm×4 mm,Φ2 mm×1.6 mm)的圆柱形压缩试样,并采用三组不同杆径的SHPB装置(杆径分别为Φ19 mm、Φ12.7 mm、Φ5 mm)进行动态力学性能测试。结果表明:在金属材料的动态压缩力学性能测试中,所用试样的尺寸在满足一定要求时方可获得其稳定的塑性流动应力,对于绝大多数金属建议采用直径大于5 mm的试样进行测试;采用微型SHPB装置配合小尺寸试样所测得材料的塑性流动应力偏低;对应变率敏感的材料,其尺寸效应也更为显著;被测试样的塑性流动应力或与试样的应力三轴度(即一维应力程度)相关。该文意在分析SHPB测试中的尺寸问题以期对相关学者和工程技术人员准确地获取金属材料的动态实验数据提供参考。