岩石非均质构成对宏观力学特性的影响研究

利用岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法描述岩石的非均质构成,分别针对2类矿物细胞元和3类矿物细胞元构成的非均质岩石模型,研究了岩石非均质构成对其宏观应力-应变关系曲线的影响。基于岩石矿物构成定义了岩石的非均质度,根据数值模拟计算结果分析了岩石非均质度对岩石宏观力学参数(宏观弹性模量、极限强度)的影响。研究结果表明:均质岩石宏观力学特性由细胞元力学特性决定,非均质岩石宏观力学特性由细胞元力学特性和岩石非均质构成共同决定;在非均质度较小时,宏观弹性模量受岩石非均质性的弱化影响较小,反之,当非均质度较大时,宏观弹性模量受非均质性的弱化影响较大;宏观极限强度受岩石非均质性的弱化影响趋势与宏观弹性模量一致。

非饱和混凝土宏观力学特性及细观分析方法研究综述

非饱和混凝土宏观力学参数对港工混凝土结构设计至关重要。文章对非饱和混凝土宏观力学特性的试验研究、细观力学分析理论及细观力学有限元法的研究现状进行了综述。总结了目前针对非饱和混凝土宏观力学特性的试验研究成果以及现有的混凝土细观力学分析理论和细观力学有限元方法的特征及适用性,阐述了影响非饱和混凝土宏观力学特性的影响因素,基于此对非饱和混凝土宏观力学特性在力学试验、细观分析理论及细观力学有限元法方面的发展趋势及需要解决的问题进行了总结与展望。

模袋混凝土冻融循环试验下宏观力学特性分析

本文主要研究的是模袋混凝土冻融循环试验下宏观力学特性。通过对不同配合比下做出的模袋混凝土试块,在养护室内养护28天后,放进混凝土快速冻融试验机内,每循环25次测量试块的质量损失率和相对动弹性模量,分析研究模袋混凝土抗冻性及宏观力学特性。

岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响

基于二维颗粒流软件,采用2种不同算法生成clump和cluster模型,研究细观参数和结构（结晶颗粒大小形状分布、预制微裂纹）对宏观力学特性的影响,量化宏细观参数对应关系,探讨微裂纹发展演化规律及试件破坏的细观机制。研究表明：（1）2种模型生成算法各有优势,圆形区域标记法模型力学特性随细观参数变化规律性较好,波动较小,搜索算法能较好地控制结晶级配组成;（2）单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS与clump半径、无黏结比例（随机分布微裂纹）呈指数函数变化,与黏结强度比呈幂次函数关系;弹性模量、泊松比与上述三细观参数均呈线性变化,且二者变化趋势相反;UCS/TS比值随clump半径、黏结强度比、cluster黏结强度比值n、无黏结比例的增加而增大,且黏结强度比对其影响最大;张拉裂纹比例受黏结强度比影响最大,clump半径影响次之;（3）单轴压缩下试件以张拉破坏为主,张拉裂纹优势导向主要沿轴向扩展,剪切裂纹则主要沿与轴向夹角20°~40°扩展,巴西劈裂试样张拉破坏裂纹均贯穿试件中心。clump与cluster模型微裂纹扩展演化过程及破坏模式差异较大,相比cluster模型,clump模型剪切裂纹比例相对较大,裂纹破碎带更宽,破裂面粗糙不平整。

考虑颗粒级配影响的滑带土宏观力学和微观结构特性研究

滑带土受滑坡变形演化的影响,其物质组成和结构性质存在空间变异性。滑带土的颗粒级配在不同部位表现出各向异性,可作为滑带空间变异性的直观指标,因此考虑滑带土颗粒级配影响下的宏观变形力学和微观结构特性有利于揭示滑坡真实的演化模式。以三峡库区典型滑坡——黄土坡滑坡的滑带土为研究对象,在保持土体本身自相似性的前提下,利用三轴固结不排水剪切试验和电镜扫描试验对不同颗粒级配影响下的滑带土的宏观变形力学和微观结构特性进行了研究。试验结果表明:颗粒级配分形维数对滑带土的强度参数和内部结构有显著的影响。

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性试验研究

通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性,分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系;同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明,围压一定,温度为25℃～300℃时,随着温度的升高,试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大,而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用,砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,矿物颗粒间接触关系得到改善,摩擦特性得以增强;超过300℃以后,随着温度的升高,粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小,而峰值变形逐渐增大,由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙,试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用,当温度一定时,随着围压的升高,粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。

不同胶结砂土力学特性及胶结破坏的离散元模拟

采用离散元法研究不同胶结砂土的宏观力学特性以及微观胶结破坏,其中一种胶结砂土胶结特性由离散元商业软件PFC2D中的胶结接触模型(Contact bond model)进行控制,另一种则采用蒋明镜等提出的无厚度改进胶结接触模型(改进的蒋氏模型)控制。首先,将改进的蒋氏模型引入PFC2D;其次,使用PFC2D对不同胶结强度和不同围压下的上述两种胶结砂土进行双轴压缩试验模拟,对比分析了两种不同胶结砂土的模拟结果。结果表明:蒋氏试样(胶结特性由改进的蒋氏模型控制)应变软化和体积剪胀显著,峰值内摩擦角基本随胶结强度增大而增大;而PFC试样(胶结特性由Contact bond model控制)在高胶结强度时应变软化和体积剪胀性比较显著,低胶结强度时表现为应变硬化和体积剪缩,峰值内摩擦角随胶结强度增加而减小。离散元模拟结果在一定程度上与已有室内实测结果相符,蒋氏试样更能反映胶结砂土的主要力学特性。由胶结破坏微观信息统计可知,蒋氏试样中胶结点受拉破坏率远大于受剪破坏率,而PFC试样中两者相当,且蒋氏试样中的总胶结点破坏速率峰值要大于PFC试样。通过对改进的蒋氏模型参数分析可知,低围压条件下,试样宏观力学特性与胶结破坏形式对切向胶结强度与法向胶结强度的比值较为敏感。

贵阳红黏土介-微观结构对力学特性影响试验研究

为阐明贵阳红黏土宏观力学强度与变形特性的介-微观机理,同时考虑不同围压、不同干密度下贵阳重塑红黏土宏观力学特性之间的差异,通过不固结不排水三轴剪切试验、N2吸附测试及电镜扫描(SEM)测试,研究了原状和重塑土样因颗粒形态、孔隙结构与分布等不同所产生的宏观力学特性之间的差异。试验结果表明:不固结不排水三轴剪切试验条件下贵阳红黏土原状样应力-应变曲线表现出具有驼峰状的应变软化特性;重塑样则呈现出明显的应变硬化现象。随着干密度的增加,一定围压下重塑样强度曲线硬化现象加强;随围压增加,强度不断增强。原状和重塑土样氮气吸附-脱附等温曲线均表现出明显的Ⅳ型、H3滞后环,曲线整体均呈反"S"型。不过,在平均孔径、比表面积、总孔容积等指标上有差异,反映出原状样孔隙主要由中大孔构成,含部分微小孔;经重塑后大孔和微孔有所减少,介孔呈增多趋势。扫描电镜(SEM)下原状样较重塑样介-微观结构更加复杂,介-微观结构形态参数更加优化,表现出明显的原生结构、更强的力学强度。

不同围压下页岩力学特性的实验研究

采用TAW-2000岩石三轴压缩试验机对页岩的力学特性进行研究,分析了围压对页岩抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数的影响。结果显示:(1)页岩的抗压强度、杨氏模量与围压之间呈正增长趋势,泊松比与围压之间呈负增长趋势;(2)随着围压的不断上升,页岩的抗压强度和弹性模量增长幅度表现出先上升后下降;(3)伴随着围压平衡上升,页岩的宏观破坏现象是第一组无裂纹,10 MPa时出现较小的裂纹,上升至15 MPa和20 MPa时出现了明显的破裂现象,根据宏观的破裂现象推导出页岩的破坏模式主要表现为先拉伸再剪切的断裂式破坏。

PVA-ECC材料抗压强度及收缩性的时变规律研究

PVA-ECC材料的长期力学性能对港口工程结构加固修复至关重要。通过PVA-ECC材料不同龄期试块的抗压强度试验和收缩性试验对其宏观力学特性的时变规律进行了研究。研究表明,2%PVA掺量的PVA-ECC材料的流动性差,其在港口水工结构加固工程中的适用性有待进一步研究。通过抗压强度试验可知,随着龄期的增加,1.5%PVA掺量和1.8%PVA掺量的试块抗压强度呈现抛物线上升的趋势,经180d养护后的试块抗压强度分别达到69.4 MPa和76.1 MPa,是C40混凝土试块强度的1.5倍和1.6倍,从抗压强度分析,两者均满足加固工程的强度要求。根据材料收缩性对比试验可知,随着龄期的增加,三种试块的收缩率在0~28 d期间变化剧烈,在28d后变化均趋于平缓,不同PVA掺量的试块收缩率均大于C40混凝土试块,而1.5%PVA掺量的试块与C40混凝土试块收缩率更接近。鉴于1.5%PVA掺量的PVA-ECC材料流动性更能适应沿海港工结构加固的现场施工,同时,其收缩率与混凝土收缩率接近,且抗压强度足够高,因此,在港口工程结构加固修复中,推荐采用1.5%PVA掺量的PVA-ECC材料。同时,基于试验数据拟合得到了适合不同配比、不同龄期PVA-ECC材料的立方体抗压强度计算公式,可用于PVA-ECC材料的强度预测。

岩石的微观结构特征与其力学行为启示

岩石的微观结构特征往往能很好反映其宏观特性,深入研究其微观结构特征对宏观特性的把控及工程建设具有重要意义。通过对常见砂、泥岩微观结构特征进行的电镜扫描实验,从微观结构特征上充分解释了其软化特性、抗冲击特性及波的传播特性等宏观力学特性方面表现的异同,并据此建议工程施工爆破中针对硬岩应注意爆破药量和爆破方式对岩石强度的影响,软岩应特别注意水的影响。同时,认为地震中硬脆岩石的大规模破坏和破碎可能与其微观结构也存在一定联系并建议进行深入研究。

不同密实度土的微结构与其土水特性间的关系

针对土体微观结构与其宏观力学特性之间的关系问题,采用常规固结实验、土水特征曲线实验和扫描电镜观察的方法,研究了土体微结构与其土水特性之间的关系.结果表明:在排水过程中,随着平面孔隙比增大,土样含水度呈现出先增大再减小的变化趋势.在吸水过程中,随着平面孔隙比的增大,土样含水度呈现出先增大后减小再增大的变化趋势.土样的排水能力和吸水能力达到最大值时,其对应的平面孔隙比是不同的.

寒区大空隙沥青混合料性能衍化效应研究

为明确大空隙沥青混合料在寒区服役环境下的损伤规律,研究采用宏观损伤试验和细观定量分析技术〔无损CT扫描和Image-Pro Plus(IPP)图像处理技术〕相结合的方法,对寒区冲刷、堵塞和冻融作用下OGFC-13和OGFC-16的性能和细观空隙结构特性进行了分析。结果表明:在动态水压冲刷作用下,空隙率为25%的试件强度降幅明显,最大降幅达到30%以上;在极端堵塞试验中,堵塞物最大堵塞深度达到20 mm左右,堵塞后的渗透系数均小于0.06 cm/s;冻融作用下,混合料的损伤度随循环次数而升高,而OGFC-13损伤度低于OGFC-16,且在23%的孔隙率下损伤度最低;细观空隙结构定量分析显示,混合料空隙率在冻融和冲刷作用下会略微升高,在堵塞状态下会大幅降低;孔隙数量变化趋势与孔隙率相反,孔隙特征表现为其等效直径均以1.18~4.75 mm为主,约占空隙数量的50%。本项研究得出了寒区大空隙沥青混合料宏观性能和细观空隙结构衍化规律,可为寒冷地区大空隙混合料设计提供技术支撑。

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的"砂土变形细观瞬时光学测量系统",并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。

基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究

提出一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法——随机多尺度力学模型分析方法。从描述混凝土材料的细观尺度入手,首先采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后采用材料特征单元尺度法来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各单元网格的力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。通过分析,给出了混凝土单轴拉伸情况下的变形及宏观应力-应变关系,结果与实验结果相比较为吻合;与细观力学模型相比,该文方法极大地节省了计算资源,具有高效性。

黏聚单元嵌入技术及其在混凝土细观分析模型中的应用

采用针对随机颗粒的渐变网格剖分和黏聚单元嵌入的方案,建立骨料-砂浆-界面的三维高效细观有限元模型,并在单机上实现了混凝土标准试样的单轴拉伸和单轴压缩数值试验。结果表明:该嵌入方案能够捕捉到骨料-砂浆界面由弱连接到脱开的全过程,再现混凝土试样的破坏形态;通过对细观模拟结果获得的应力-应变关系曲线的对比分析,一定程度上揭示了混凝土宏观力学特性的内在机理,为探究混凝土类复合材料宏观力学特性的内在机制提供了技术保障。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料有效弹性模量预测

为了分析碳化硅颗粒增强铝基复合材料细观结构对其宏观力学性能的影响,针对无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料建立了表征其细观结构的2维代表性体积单元有限元模型,以建立复合材料宏观性能与细观结构之间的依赖关系。在周期性边界条件和模拟单轴拉伸边界条件下研究了颗粒的形状(圆形、椭圆形)和体积分数(10%、15%、20%)对其有效弹性模量的影响,并与无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料试验值进行比较。结果表明:在2种条件下的预测结果相差不大,预测误差均不超过5%;碳化硅颗粒体积分数对复合材料的力学性能影响显著,对颗粒形状的影响很小,在相同边界条件及体积分数下,圆形和椭圆形颗粒的预测值相差不超过0.4%。

不同应力路径下贵阳红黏土固结不排水试验及微观机理研究

为揭示贵阳红黏土不同应力路径、固结不排水试验条件下宏观力学特性及微观作用机理,通过分别施加300 kPa、400 kPa、500 kPa不同围压,在增 P、减P、等P 加载路径下,研究其应力-应变关系。结合SEM电镜扫描测试结果,分析了贵阳红黏土颗粒形态和孔隙结构等对宏观力学特性的影响规律。研究结果表明:三种应力路径下贵阳红黏土的应力-应变关系不同,应变速率也具有较大差异,但均表现出不同程度的应变软化现象。不同围压下,红黏土发生剪切破坏的峰值应力与围压呈正相关关系。SEM扫描电镜下,贵阳红黏土内部为片状黏土矿物、少量针状分散矿物及微小不定形物质,按一定的分布规律,进行接触、联结与排列组合形成特殊的微观结构,直接影响着宏观力学特性。

不同黏粒含量黄土的人工切坡稳定性探讨

归纳前人成果确定了随黏粒变化的抗剪强度指标,对黄土切坡坡形随黏粒变化的稳定性进行研究,结果表明:黏粒含量一定,潜在滑动面受到的压剪区作用随坡角增加而减小,稳定系数亦随之减小;黏粒含量在一定区间增加时,微观结构处于骨架结构状态的黄土切坡的稳定性受黏粒变化影响较小,当黏粒含量增加致使黄土微观机构变化为镶嵌结构时黄土切坡稳定性发生跳跃性变化。我国黄土的粒度在区域分布有一定的变化规律,从西北向东南黄土颗粒组成由粗变细,砂粒含量逐渐减少,黏粒含量逐渐增多。黄土的宏观力学特性在很大程度上取决于其微观初始结构。