基于微观结构特征的混凝土动态抗拉强度提高机理及其统一模型

通过总结和分析混凝土材料静动态强度及其微观结构特征的主要研究成果,从微观角度研究了混凝土动态抗拉强度提高机理。研究表明,基于微观结构特征研究混凝土动态抗拉强度提高机理是可行的,并建立了能够解释水灰比、养护条件、龄期、含水量以及不同加载速率等因素影响混凝土动态抗拉强度微观结构机理的统一模型。模型使混凝土动态抗拉强度形成得到了统一,即由固体材料效应、自由水效应以及惯性效应三部分组成,各部分在不同应变率阶段影响程度不同。

钢纤维混凝土动态抗拉强度的实验研究

基于线弹性和一维应力波假定,采用Φ75mmSHPB对钢纤维体积率Vf分别为0、0.75%和1.50%的三种混凝土材料进行了一维杆层裂实验,考虑了应力波在混凝土材料内传播时的波形弥散效应和应力幅值衰减,通过计算应变片记录的应力信号确定了材料的动态抗拉强度。结果表明,钢纤维混凝土的动态抗拉强度受应变率和钢纤维体积率的影响,可为测试脆性材料的动态抗拉强度提供一种有效方法。基于微观扫描技术,对钢纤维增强机理进行了分析。

冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。

酸腐蚀后灰岩动态抗拉强度试验研究

地下工程普遍面临着地下水的化学腐蚀及开挖扰动荷载的影响,目前,关于化学腐蚀损伤灰岩动力学性能的影响机理,国内外还没有实质性的研究。为研究酸性环境下化学腐蚀对岩石物理力学性能的影响机理,首先通过配置PH值为2、4、6的酸性溶液来研究灰岩孔隙率的变化,然后利用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对腐蚀后灰岩动态抗拉强度进行测定,在分析出试样比能量与酸腐蚀的关系后,进行试样动态抗拉强度与比能量的关系研究,最后通过改变SHPB冲击气压,进行灰岩应变率分析,得出酸腐蚀后灰岩物理力学性能随腐蚀时间和腐蚀强度的变化规律。为研究地下工程腐蚀和动荷载耦合作用对岩石力学性能的影响提供了理论依据。

不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性

为研究加载速率和冻融循环对砂岩动态劈裂特性的影响,对冻融0,25,50,75,100次的砂岩进行了静态和不同加载速率的动态劈裂试验,分析了冻融砂岩的静动态抗拉强度及冲击荷载作用下耗散能变化规律.研究结果表明:冻融砂岩的静动态抗拉强度、纵波波速、质量损失率均随冻融次数增加而劣化.随冻融次数、加载速率增加,动强度增加因子(DIF)不断增大,且砂岩冻融损伤越大,DIF随加载速率增加越明显.建立的基于冻融损伤和加载速率的动态抗拉强度预测模型可以很好地反映砂岩的强度变化.砂岩的冻融损伤越大,动态抗拉强度随加载速率的变化速率越快;冲击荷载作用下的耗散能随冻融次数增加而减小,随加载速率增加而增大.

混凝土单轴动态拉伸强度随机性的统计特性分析

混凝土拉伸破坏行为是混凝土试件及结构力学行为的重要组成部分,其与加载速率密切关联。针对混凝土材料静、动态拉伸强度的随机性和离散性,探讨了骨料分布形式的影响规律。从细观角度出发,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑各相材料动态加载下力学特性的应变率效应,建立了混凝土动态力学行为研究的细观尺度力学模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对5组不同应变率下64个具有不同骨料分布形式的混凝土试件的单轴动态拉伸力学行为进行了数值试验。基于概率统计分析理论,对不同应变率下混凝土动态抗拉强度的离散性进行了统计分析,包括均值、方差及分布形式等概率统计特性。研究表明:混凝土动态抗拉强度服从双参数Weibull分布;随着应变率的增大,混凝土抗拉强度离散性逐渐减小。

鄂西炭质页岩动态拉伸力学特性试验研究

为探索湖北省西部地区郑万高铁湖北段苏家岩隧道炭质页岩段围岩动态拉伸力学特性,从而为层状岩体地层隧道爆破破岩机理研究提供依据,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,同时借助高速摄像及数字图像相关技术(DIC),开展0°、30°、45°、60°和90°共5种不同冲击角度(冲击加载方向与试样层理面夹角)下鄂西炭质页岩动态巴西劈裂试验,每个冲击角度工况采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3种冲击气压进行动态加载来达到不同冲击速率,以研究冲击角度和冲击速度对炭质页岩动态抗拉强度及动态拉伸破坏模式的影响规律。研究结果表明:不同冲击速度下,随着冲击角度增加炭质页岩动态抗拉强度整体呈现出先减小后增大的趋势,且冲击角度为30°时最小,冲击角度为90°时最大,页岩动态抗拉强度呈现出显著的各向异性特征,且随着冲击速度增加页岩动态抗拉强度各向异性程度也随之降低;随着冲击速度增加,炭质页岩动态抗拉强度均相应增大,且动态抗拉强度与冲击速度具有显著的线性关系;此外,冲击角度和冲击速度均对页岩动态拉伸破坏模式有较大的影响。

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。

高应变率下砂岩的动态力学性能研究

利用直径30 mm的分离式霍普金森压杆,对不同弹速下砂岩试样进行巴西圆盘劈裂实验,研究砂岩在高应变率下的动态抗拉强度及试样的破坏模式,得到了砂岩的动态抗拉强度随着应变率的提高而增加。其中,在应变率小于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而大幅增大,在应变率高于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而平缓的增加。考虑了压杆撞击速度及试样尺寸对试样的破坏时刻、应变率的影响,通过试样表面贴应变片观测发现试样是由中心向两端发展的起裂顺序。同时,利用ANSYS-LYDYNA有限元对巴西圆盘试样的动态应力分布进行数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。

混凝土动态劈裂试验中的惯性效应研究

在商业有限元软件中采用应变率不敏感的材料本构模型对巴西圆盘动态劈裂试验进行了数值模拟,研究了不同厚径比以及平台巴西圆盘中平台角度对动态抗拉强度的影响。分析表明,动态劈裂试验中惯性效应对抗拉强度有比较大的影响,且惯性效应与试件尺寸、平台角度以及应变率有关。所得结果将为巴西圆盘动态劈裂试验设计提供参考,通过与试验数据的对比,可得到材料真实的应变率效应。

大骨料混凝土冻融循环后单轴动态抗拉性能试验研究

针对寒冷地区水工混凝土结构受冻融循环和动荷载作用后会影响其混凝土力学性能,采用混凝土自动快速冻融机进行大骨料混凝土抗冻性试验,再利用大型电液伺服静动三轴试验设备对其进行单轴动态抗拉试验。基于试验数据分析了不同冻融循环次数下的大骨料混凝土的破坏形态和质量损失率及单轴抗拉强度、峰值应力点的应变随冻融次数和应变速率的变化规律。结果表明,动态极限强度较静态极限强度提高的百分比随冻融循环次数增加呈降低趋势,冻融循环作用后单轴抗拉强度在应变速率为1×10-3/s或1×10-2/s时损失最多;在对试验结果分析的基础上建立了冻融循环和动态加载速率作用的大骨料混凝土单轴动态抗拉破坏准则。

自密实混凝土动态巴西劈裂试验研究

自密实混凝土在工程施工中应用极为广泛,为测得自密实混凝土这类材料的真实动态抗拉性能,通过使用分离式霍普金森压杆系统,在不同冲击气压下对以预制加载角度为变量的平台巴西圆盘试件进行了动态巴西劈裂试验。结果表明,在预制加载角2β=30°时,巴西圆盘试件的起裂点位于圆盘中心部位,符合巴西圆盘试验的弹性力学原理,计算得到其动态抗拉强度具有明显的应变率效应。

钢纤维橡胶混凝土力学性能试验

为提高废旧轮胎的利用价值,可将其加工成橡胶颗粒加入混凝土中制成橡胶混凝土。但橡胶混凝土在提高混凝土韧性和变形性能的同时,降低了混凝土的力学性能。在橡胶混凝土(橡胶掺量为5%)中掺入钢纤维(掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)制备钢纤维橡胶混凝土(steel fiber reinforced rubber concrete,SFRC),以提高混凝土的各项力学性能。为探究最优的钢纤维掺量,进行了立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及动态抗拉强度测试。结果表明:掺入钢纤维能够显著提高混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度,改变材料破坏模式,增强韧性。当钢纤维掺量为1.0%时,立方体抗压强度提高13.9%;当纤维掺量为1.5%时,劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高37.9%和32.8%,动态抗拉强度是基准混凝土2.0倍以上。综合考虑力学性能和试件破坏形态,在橡胶掺量为5%时,钢纤维最优掺量为1.5%。

深孔爆破对隐患资源开采两帮的动力响应特性研究

隐患资源安全开采是采矿工程领域面临的难点问题。结合某铅锌矿隐患资源开采工程实际情况,利用显示动力分析软件LS-DYNA构建深孔爆破荷载作用下充填体动力响应的数值仿真模型;设计了5种不同装药结构,分析爆炸应力波在充填体环境下的传播特征。结果表明:隐患资源两帮受到的拉应力小于其动态抗拉强度,两帮不会发生"片落";采用不耦合装药并且空气间隔系数为0.52可以使爆破应力分布更均匀;爆破振动速度和应力叠加使药包中心点到充填体的投影位置的速度和应力达到最大值;爆破参数为:炮孔直径为110 mm,排距×孔距=2.0 m×1.8 m,边孔与充填体之间的距离为1 m,一卷炸药(长0.67 m,直径90 mm)+1 m空气间隔的边孔装药结构即方案4。现场试验表明,优化的装药结构可以较好解决深孔爆破对隐患资源开采稳定性的问题。

冻融循环作用后砂岩的动态抗拉性能及能量演化试验研究

为研究冻融循环对砂岩动态抗拉性能的影响,利用Ф50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),以3种平均加载率(344.72,371.991和431.761 GPa/s),对经历6种不同冻融循环次数(0,20,40,60,80和100次)的砂岩进行动态劈裂抗拉测试,并利用核磁共振系统测试冻融循环后砂岩内部孔隙变化,分析冻融循环及加载率对砂岩的破坏特征、动态劈裂抗拉强度及能量演化规律的影响。研究结果表明:(1)冻融砂岩劣化模型满足指数函数关系,随着冻融循环次数的增加,孔隙度变大,动态劈裂抗拉强度减小,破碎程度增加。冻融循环80次后劣化速率最快。(2)加载率的提高将弱化冻融循环对砂岩的劣化作用使砂岩半衰期延后。(3)最大吸收能因加载率的提高而增大的速率随损伤状态的提高而降低。最大吸收能随冻融循环次数的增加呈指数下降,且与动态劈裂抗拉强度呈现良好的正相关。研究结果可为寒区工程中岩石的破坏机制研究提供理论基础。