基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。

岩石卸荷破坏的变形特征及本构模型

对闪长岩试样进行了加轴压、卸围压试验,研究了卸荷条件下闪长岩的变形和破裂特征.结果表明:与加载试验相比,卸荷试验中岩样轴向应变没有明显的应变强化过程,轴向应变峰值较小,弹性模量与围压呈非线性关系降低,泊松比与围压呈非线性关系增加,岩样破坏特征以主剪切破坏为主.基于试验认识,采用损伤力学理论,通过岩石强度的随机分布假设和摩尔-库仑强度理论,引入比例系数,建立了一个能够反映岩石卸荷特征的三维损伤本构模型.基于试验结果给出模型参数,模型能够反映岩石卸荷条件下的强度及脆化特征,理论结果和试验结果吻合较好.

金坛盐岩储气库运营模型试验研究

针对盐岩重度低、低弹强比、高流变性等强度与变形特性,研制出与金坛盐矿盐岩的力学行为较为相似的材料配方;采用地质力学模型试验技术,开展金坛盐岩储气库运行稳定性的模拟试验,研究腔体在周期性注、采气作用下的变形特点与力学分布规律。根据模型试验结果,采用盐岩非线性蠕变损伤本构模型,结合金坛盐岩储气库长期运营进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行对比,研究分析储气库围岩在循环加卸载下的力学响应特点与盐岩溶腔的长期运营稳定性,得到了在周期性加卸载作用下腔体围岩蠕变变形的特点与规律,研究表明相似模型试验技术可以有效地应用于盐岩储气库运营长期稳定性的研究,其结果对盐岩储气库的建造与运行具有一定的指导意义和工程应用价值。

加卸载对盾构隧道材料损伤和结构特性的影响

为研究加卸载对盾构隧道结构受力和材料损伤状态的影响,基于混凝土塑性损伤本构、非线性接触理论和Python二次开发,用全周单向受压弹簧模拟地层反力,建立二维管片-接缝不连续模型和三维精细化管片-接缝不连续模型,模拟不同土质中(固结黏性土、硬质黏性土、中等程度黏性)盾构隧道上方不同加卸载水平下的结构变形、材料内力以及材料损伤变化规律,并讨论了螺栓异常工作对结构的影响,得到了不同土质中径向相对位移、接头张开量、材料应力和混凝土损伤因子关于加卸载量的关系曲线,及接头张开量、螺栓应力水平分别在预紧力损失和锈蚀深度两种异常状态的变化曲线.研究结果表明:从结构变形宏观指标给出了3种土质条件下加卸载的荷载安全值分别为510、340 k Pa和170 k Pa;从材料应力水平及损伤程度给出了加卸载的荷载安全值分别为340、170 k Pa和170 k Pa;螺栓预紧力损失对结构的影响主要受拱顶接头张开量控制,螺栓锈蚀对结构的影响主要受螺栓应力水平控制,且锈蚀深度的安全限值为6 mm.

高速铁路隧道基底混凝土结构的随机损伤模型

基于热力学原理与能量耗散原理,针对高速铁路隧道基底混凝土结构"拉—压—拉—压"反复受力特点,定义双标量损伤变量,引入硬化函数,建立混凝土受拉、受压条件下基于修正弹塑性亥姆霍兹自由能的随机损伤本构模型。在有效应力空间,根据塑性力学正交法则推导损伤变量的演化法则;在概率密度演化方程求解的基础上,建立"弹性预测—塑性修正—损伤修正"数值分析算法,并进行程序二次开发,实现对随机损伤本构模型的求解。通过与混凝土单轴拉伸、单轴压缩室内试验结果对比,验证所建立随机损伤本构模型的准确性和适用性。该模型既可在均值意义上反映混凝土受拉、受压的应力—应变关系,也可以在概率意义上模拟其离散范围,较为全面地反映了混凝土受力行为的非线性与随机性;可用于计算分析隧道基底混凝土结构的损伤演化规律及损伤疲劳寿命。

岩石的卸荷劣化及其本构模型研究

卸荷条件下,岩石的变形参数产生劣化效应,弹性模量E在卸荷较小时变化较小,随着卸荷量的增加其快速减小;而泊松比μ则随着卸荷量的增加而变大。岩石的破坏阶段,变形参数与其应力跌落量有关:E随着应力跌落量的增加而减小;并呈线性关系。根据岩石变形参数的变化规律,将卸荷条件下岩石的损伤本构模型分为三段:一般加载段、卸荷段、应力跌落段。结合试验证明修正的统计损伤本构模型较为符合实际。

冻融受荷协同作用下沥青混合料损伤模型研究

为研究寒区沥青路面抗冻融性能,借助细观损伤力学与宏观统计随机损伤理论,提出冻融变量、荷载变量及协同效应等概念,构建了冻融与荷载共同作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程,揭示冻融循环次数、应变及油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理.研究表明:寒区沥青混合料力学性能受冻融变量、荷载变量及协同效应影响显著,在冻融受荷协同作用下总损伤劣化呈非线性加剧趋势,沿冻融和受荷两条途径的损伤率演化规律迥异.冻融循环次数和油石比对损伤变量影响较大,但冻融次数超过20时,损伤变量和损伤率降幅均显著且趋于恒定.适当上浮最佳油石比,可有效改善寒区沥青混合料的抗冻融耐久性能.

混凝土随机损伤本构模型研究新进展

综述了混凝土微观损伤机理与随机损伤本构模型研究现状,介绍了本课题组在混凝土随机损伤本构模型方面取得的研究进展:进行了考虑mode-Ⅱ微裂缝的微观损伤机理分析,提出并验证了混凝土随机损伤本构模型——束-链模型,发展了测定多轴受压混凝土损伤变量的X-射线CT方法。最后,得到了相关研究结论。

混凝土随机损伤本构关系研究新进展

提出了一类混凝土细观损伤物理模型 ,用于解释高性能混凝土在本构层次上的细观损伤演化特征 .建立了混凝土单轴受拉、单轴受压与双轴拉压组合条件下的随机损伤本构关系模型 .利用混凝土单轴受拉破坏全过程的声发射实验数据 ,引入随机建模理论 ,确立了细观损伤单元的极限破坏应变随机场分布参数 .通过与一批高性能混凝土本构关系试验数据相比较 。

考虑荷载作用的沥青混合料冻融损伤特性研究

针对寒区道路工程中的沥青路面冻融受荷损伤问题,借助细观损伤力学和宏观统计随机损伤模型,建立了冻融与荷载耦合作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程;探讨了冻融循环次数、应变和油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理。研究表明:冻融循环疲劳损伤累积和荷载作用于带有微缺陷粗集料界面附近产生的应力集中加剧了沥青混合料总损伤劣化程度。冻融循环20次之后,损伤度变化不大,基本趋于恒定;相同损伤程度时,应变值随冻融次数的增加而减小。油石比对总损伤影响显著,当油石比相对较小时,以冻融破坏为主;当油石比较大时,以受荷破损为主。研究成果可为寒区沥青路面抗冻设计、性能评价及养护维修时机选择提供参考。

混凝土随机损伤力学的初步研究

阐述了混凝土随机损伤力学研究的基本学术观点 ,系统介绍了确定性的混凝土弹塑性损伤本构关系、混凝土随机损伤本构关系、结构非线性反应分析的密度演化理论等内容 。

循环加卸载下闪长玢岩蠕变特性及损伤本构模型

分级加载压缩蠕变试验未能充分考虑稳定蠕变中的黏塑性应变,故采用三轴循环加卸载压缩蠕变试验来实现岩石的黏弹、塑性应变分离,从而使岩石黏弹、塑性应变在岩石蠕变的各个阶段得以充分考虑.以某水电站闪长玢岩为例,探讨该类岩石蠕变特性.在破坏前,岩石的瞬时弹性应变以及瞬时塑性应变随着偏应力逐级增大呈线性增长;随着偏应力的增加,黏弹性应变和黏塑性应变呈非线性增长.引入一个分数阶Abel黏壶与Kelvin模型串联形成新型黏弹性模型;用分数阶Abel黏壶代替传统的黏塑性模型中的线性牛顿体并基于损伤建立黏塑性损伤模型.然后将新型黏弹性模型和黏塑性损伤模型与瞬时弹性模型和瞬时塑性模型串联组成一个新的岩石蠕变损伤模型.最后将该模型与岩石蠕变曲线进行拟合,从而证明该模型的适用性.

再生保温混凝土单轴受压随机损伤本构关系研究

基于混凝土弹簧模型理论[8],并考虑到再生保温混凝土内部新水泥砂浆与旧水泥砂浆物理性能差异性,以及再生骨料本身的随机性,确立了各弹簧弹性模量之间的相对关系,分析了由不同原生强度再生骨料配制的再生保温混凝土的破坏模式以及破坏机理;建立了基于弹簧模型理论的再生保温混凝土单轴受压随机损伤细观模型;在细观弹簧模型的基础上,推导出再生保温混凝土单轴受压随机损伤本构方程。根据模型计算得到的应力-应变曲线与试验实测曲线符合度较好。

非线性模糊随机损伤研究

为研究岩土材料非线性模糊随机损伤演变机理,建立广义非确定损伤力学模型,基于模糊随机双层数学覆盖下3种典型模糊损伤泛函,提出平面应变下服从随机β分布的各向异性初始模糊随机损伤场,及其广义FPDF(Fuzzy Probabilistic Density Function)、FCDF(Fuzzy Cumulative Distribution Function)数学模型。并基于黏-弹-塑性模糊随机初始损伤应力场模型及损伤矢量临界值算法,推导了黏-弹-塑性模糊随机损伤本构模型,及模糊随机损伤变化率指数模型方程与数字特征算法。基于土方开挖损伤增益,探讨基坑工程损伤演变及广义可靠性,结果表明:模糊随机损伤模型可根据材料强度耗散对损伤分布调整,以反映细观粒子间的凝聚或断裂造成的复杂宏观硬化-屈服-破坏-重分布-愈合等力学性征。得到结论:阶段卸载导致场内损伤增益由单汇向多汇发展,且强度指标变异累加会诱发可靠指标削减,这些规律性认识对实现全面化、精确化分析研究有重要意义。

循环荷载下完整底板导水通道演化过程研究

采动影响下完整底板防治水的重点是研究岩层由隔水层到导水通道的演化过程。煤层开采引起底板岩体承受压–拉–压循环荷载,并导致弹性模量变化。以弹性模量为损伤变量,采用双标量型D-P弹塑性损伤本构模型,根据成庄矿条件建立数值模型,分析采动底板导水通道演化规律。结果表明,(1)上一计算步煤壁处底板压缩破坏深度随顶板悬露面积增大而再次加深,工作面煤壁位置处底板压缩损伤深度的增长速率在充填体影响下迅速减小(顶板初次垮落),并最终达到稳定(顶板周期垮落);(2)采动底板中同时存在压、拉损伤破裂带,二者相互连通,决定了导水通道的位置;(3)充填体的弹性模量对底板破坏深度有很大影响,其值过低会导致破坏深度持续快速增加。由注水试验所得监测结果与数值模拟成果基本吻合。

碾压混凝土重力坝的广义损伤可靠度及敏感性

为深化模糊随机损伤力学研究,基于自适应模糊随机损伤力学模型,对材料裂纹尖端广义损伤应力场进行分析,证实了数值模型的可靠性。以碾压混凝土重力坝为例,并考虑材料参数空间变异,就模糊随机损伤增益下的宏观场分布做敏感性研究,结果表明,碾压混凝土抗压强度极限值是影响大坝安全的主控指标。采用不同模糊分布对自适应损伤力学模型做激励分析,揭示了各分布对混凝土及岩石类材料广义损伤场演化的控制特征。

砌体本构关系的研究新进展

砌体本构关系的研究是砌体基本力学性能研究的重点之一,至今还没有建立起具有广泛适用性的砌体本构关系,通过对现有的弹性本构关系、经验本构关系和损伤本构关系进行综述,发展了较为前沿的砌体随机损伤本构关系概念和方法,并用试验结果加以验证,理论分析与试验结果吻合良好.

土方开挖粘塑性模糊随机损伤机理研究

以基坑工程为例分析了开挖损伤演变的模糊随机性并建立了广义非确定性空间O:ξ(s,f)。提出了初始损伤有效张量的概念模型,在"损伤源汇"概念基础上提出了模糊衰减模型,构造了粘塑性模糊随机损伤增量方程并实现了基坑开挖过程的模糊随机损伤模拟。在线性算子基础上提出了模糊随机损伤矢量极限值{Ωu},进而建立了以损伤有效张量为基础的粘塑性模糊随机损伤本构模型及粘塑性非线性模糊随机数值方法。在粘塑性模糊随机损伤有限元基础上建立了粘塑性模糊随机损伤变化率方程,实现了对基坑开挖过程中模糊随机损伤演变发展的全面模拟,完成了模糊随机卸荷损伤模型的构建。

岩土工程非线性模糊随机损伤

针对非确定损伤理论在非线性损伤力学研究中的空白,基于3种典型模糊损伤分布:降半分布、秋千分布和组合秋千分布,提出了服从β分布平面应变各向异性初始模糊随机损伤场,推演了损伤矢量临界值算法及平面应变损伤有效张量和模糊随机有效弹性矩阵族。由损伤材料粘-弹-塑性应变率演化通式,修正了Mohr-Coulomb损伤破坏准则下粘-弹-塑性模糊随机损伤本构模型,就土方开挖损伤增益特征,构造了基于模糊衰减模型的模糊随机损伤增量方程及其随机数字特征,实现了对粘-弹-塑性模糊随机损伤增量方程卸载模型的全面阐述。

堤防工程的模糊随机损伤敏感性

为揭示非确定参数和广义损伤泛函对广义损伤场及广义损伤可靠度影响机理,基于自适应模糊随机损伤力学模型,以荆南长江干堤为例进行局部裂纹尖端应变能密度分析,证实了经模糊识别后,广义损伤场分析区域较之常规损伤模型宽广,符合工程结构具有多种可能工况和材料失效范围复杂的事实.考虑核心参数的空间变异,就模糊随机损伤增益下的宏观场分布进行敏感性研究,验证了岩土结构在重力工况下采用组合秋千模型进行广义损伤分析,可反映刚柔材料接触部位吸收较多能量从而诱发显著损伤发育的客观实际.采用不同模糊分布对自适应损伤力学模型进行激励分析,表明应用混合破坏准则对复杂结构广义可靠度的精细研究,可综合反映各区域的损伤水平.研究结果表明:在广义独立标准正态空间内,模糊随机损伤模型对损伤宏观分布的演绎,展示了材料微观、细观流动破坏诱发的结构宏观能量重分布,揭示了各模糊分布对广义损伤场流动演变的控制特征.