岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜(SEM)的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。

金属成形中韧性断裂准则的细观损伤力学研究进展

随着韧性材料内细观损伤发展机制的深入研究,细观损伤力学在预测金属材料发生韧性断裂的过程中发挥着越来越重要的作用.与传统的宏观断裂力学不同,细观损伤力学侧重于研究材料内细观损伤的演化对于材料宏观断裂的影响.介绍了细观损伤力学发展的背景;阐述了细观损伤力学的研究现状;探讨了细观损伤力学发展过程中所面临的一些问题和应变梯度塑性理论对于细观损伤力学发展的推动作用.

细观力学和细观损伤力学

本文扼要地阐述细观力学的定义和范畴;探索其主要研究课题和应用领域,展示细观损伤力学的新进展;并对细观力学的未来发展趋势加以展望。

湖南岐山仁瑞寺节理边坡稳定性的细观损伤力学分析方法

对湖南仁瑞寺岩质边坡进行地质勘查,该边坡结构面主要为X节理,一组走向为170°～265°,另一组走向为105°～125°,倾角较陡,普遍为50°～90°。通过6组实验分别确定岩块与结构面的力学参数。基于细观损伤力学理论,认为节理岩体是由岩块与微裂纹构成的各向异性材料,并利用代表性体积单元建立微裂纹的滑裂准则。通过编制相应的软件建立坡角为60°、节理倾角为52.5°和90.0°的岩质边坡计算模型,并对该边坡的稳定性进行分析。采用逐步去除约束的方式进行开挖模拟,得到边坡的塑性贯通区。通过与实际滑坡形式进行对比,模拟效果好,证明微裂纹是控制岩质边坡破坏的主要因素,对理解节理边坡的破坏机制具有重要意义。同时,该方法对于预测节理边坡破坏面的形状与位置以及复杂边坡的稳定性分析都有一定的借鉴意义。

细观损伤力学新进展

概述了细观损伤力学的当前状态,对存在的一些问题作了简要评述,并提出了若干修正方案.从应用的角度出发,对细观损伤力学未来的发展趋势进行了粗线条的预测.

细观损伤力学法下阻燃材料在展览馆建筑中的使用寿命研究

展览馆中人流较为密集,火灾事件常有发生,故阻燃材料的存在显得尤为重要。针对博物馆、美术馆、科技馆等展览馆用阻燃材料进行分析,以两种阻燃剂为例,利用细观损伤力学法建立细观损伤力学模型,研究了保温材料和装饰材料的宏观力学性能,从而预测其使用寿命。研究发现,两种阻燃材料的使用,提高了建筑用保温材料和装饰材料的弹性模量,使其宏观力学性能显著提升,在添加阻燃材料后其使用寿命有了显著的提升。

基于细观力学的多相耐火材料压缩状态损伤表征

针对多相复合耐火材料压缩状态下的非线性力学行为,在细观损伤力学的基础上,对改进的广义自洽模型进行逆向求解,研究多相耐火材料受到压缩载荷时的损伤行为,提出一种能表征多相耐火材料在压缩载荷下非线性损伤行为的方法。以AMC(aluminum-magnesium-carbon)多相耐火材料为例,利用该方法对其在受压状态下的力学行为进行表征。结果显示,表征结果和实验值吻合较好,为多相复合耐火材料的损伤表征提供了一种思路和理论基础。

基于细观损伤力学的耐火材料单轴压缩非线性力学行为研究

在单轴压缩实验的基础上,分析材料细观损伤机理,结合广义自洽模型,通过构建基质相弹性模量关于外载荷的损伤函数来表征细观损伤演化过程,建立材料受载状态下的微损伤模型,实现材料非线性力学行为的定量描述。以镁碳质耐火材料为例,对材料在受压载荷下的损伤演化过程进行了模拟,结果表明,运用此方法对耐火材料的受压损伤过程进行表征,其结果与材料试验结果可以较好地吻合。

基于细观力学的耐火材料单轴拉伸微损伤模型研究

实现定量描述耐火材料非线性力学行为对于评价其损伤演化机制至关重要,因此在单轴拉伸试验的基础上,对材料细观损伤机制进行分析,并结合广义自洽模型,通过构建损伤相弹性模量关于外载荷的损失函数来表征细观损伤演化过程,建立了材料受载状态下的微损伤模型,实现了材料非线性力学行为的定量描述。同时以镁碳质耐火材料为研究对象,对材料在单轴拉伸载荷下的损伤演化过程进行了模拟。结果表明,运用此方法对耐火材料的受拉损伤过程进行表征,其结果与试验结果可以较好地吻合。

纤维混凝土受压细观统计损伤本构模型研究

分别对31个普通混凝土试块、38个钢纤维混凝土试块及11个聚丙烯纤维混凝土进行了单轴受压本构试验研究,采用卡方检验方法对试验结果进行统计分析及假设检验,确定了以峰值应变为损伤变量的概型分布.基于唯象细观统计损伤力学及热力学的相关理论,在传统模型基础上引入了损伤阈值概念,并研究了不同混凝土损伤阈值取值问题.同时,探讨了塑性应变对本构模型的影响,建立了考虑塑性应变及损伤阈值的纤维混凝土单轴受压细观统计损伤本构模型.研究结果表明:损伤变量较好的服从Weibull分布函数;普通混凝土损伤阈值γ为0.6倍峰值应变,掺入纤维后,损伤阈值γ提高为0.8倍峰值应变;所建立的本构模型能够有效地描述纤维混凝土的受压本构关系.

不同应力三轴度断裂的晶粒尺度效应及损伤建模

开展了不同晶粒尺寸及应力状态下的薄板拉伸实验,发现晶粒一致时断裂应变随应力三轴度的增加逐渐减小,针对剪切应力状态,晶粒尺寸增大导致断裂应变增大,并且晶粒尺寸过大会导致试样断裂形式改变;而针对单拉及平面应变状态,随晶粒尺寸增大,断裂应变减小。为描述尺度效应及应力状态影响,通过有限元仿真,利用考虑尺度效应的GTN-Thomason模型模拟了试样的变形过程,对比了实验与仿真的力-位移曲线,验证了模型在较高应力三轴度下的准确性,仿真结果表明,晶粒尺寸增大导致孔洞连接加快,应力三轴度增加有利于孔洞增长从而导致快速断裂。进一步地,在考虑尺度效应的GTN-Thomason模型基础上加入剪切因素影响,提高了损伤模型在较低应力状态下的预测精度。

金属塑性损伤力学模型研究进展

针对金属塑性损伤力学模型进行综述,总结和介绍了连续介质损伤力学模型以及细观损伤力学模型各自的优缺点及应用范围,并简要概括了两种模型的区别。以韧性断裂准则为出发点,总结了包括Kachanov-Rabotnov模型、Bao-Wierzbicki模型以及GTN模型在内的各模型的发展历程,在此期间,应力三轴度和Lode角参数的引入对各模型的发展具有积极的推动作用。在显微观察及有限元仿真等技术的影响下,各模型得到了更加深入的研究。结果表明,连续介质损伤力学模型对微观塑性损伤的预测精度更高、应用范围更广,具有广阔的应用前景。

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中,由于应力重分布导致围岩损伤破坏,传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展,采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性,但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究,缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟,使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化,定量模拟计算围岩损伤度的变化,揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性,得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主,围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹;损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系;损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义,也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。

一个新的损伤演化方程及其在层裂中的应用

采用统计细观损伤力学方法,基于延性金属断裂过程的孔洞演化机理,提出一个新的损伤演化方程,该方程在一定的条件下与由空心球体胞模型导出的损伤方程形式相同。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对OFHC铜的平板对称正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合得较好。

高地应力条件下围岩破损区岩体力学特性研究

利用细观损伤力学的基本原理,建立了高地应力区围岩稳定分析的细观损伤力学模型,对围岩破坏全过程进行了分析模拟。引入等效模型的概念,对破损区域内围岩在破坏前后分别建立等效模型,进行数值力学试验,根据试验得到的力学特性曲线,对围岩开挖破碎带岩体主要力学参数(强度、变形模量等)随施工过程的变化规律进行了深入的定量研究,得到了岩体主要力学参数的变化数值,为岩体稳定分析和结构设计提供了可靠的依据,同时也进一步明确了开挖后围岩扰动区域的划分标准。

混凝土在水中的力学性质与在空气中的一样吗

我们常说的混凝土的抗压强度、延性、变形、裂缝等指的都是空气中的,但是,如果混凝土是用在水中的,这些特性会发生变化吗?混凝土在围压下的破坏状态主要取决于轴向主压应力σ1与围压σ2的比例。

岩石细观损伤扩展规律的CT实时试验

利用最新研制的与CT机配套的专用加载设备 ,进行了三轴 (单轴 )荷载作用下岩石材料破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT(computerizedtomography)试验 .得到了在不同荷载作用下岩石材料中微孔洞被压密→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数等数据进行了分析 ,引入了初始损伤影响因子 ,定义了一个基于CT数的新的损伤变量 ,得到了损伤扩展的初步规律 .

铜川紫红色软砂岩冻结效应实验CT识别

冻融问题是寒区岩土工程中的重要问题,针对西部大开发中这一较为突出的问题,从细观损伤力学的角度,运用先进的CT设备观测陕西铜川地区紫红色软砂岩在受到不同冻融循环次数、冻结温度、冻结速度时,其内部损伤变化状况。研究结果发现随着冻融循环次数的增加,岩样CT均值减小、内部损伤逐渐增大;随着冻结温度的降低,岩样CT均值增大、内部损伤降低;岩样冻结后CT均值增大,但与冻结速度没有关系。本文还从岩样内部水分迁移、颗粒重组等方面对损伤变化产生的原因进行了分析。