岩土材料的环境效应

《岩土材料的环境效应》主要对各种环境作用下岩土材料的性质进行系统研究及理论分析。通过一系列不同应力、化学溶液及渗流等耦合作用过程中岩土试件的即时加载试验等单轴和三轴压缩细观和宏观力学试验，分析了不同环境以及化学、渗流与应力耦合侵蚀下岩土材料的力学效应。综合运用土力学、损伤力学、孔隙介质力学、渗流理论、弹塑性力学及物理化学等理论，研究了各种环境效应下岩土材料破裂过程的非线性损伤演化规律和机理，建立了岩土的化学损伤演化变量及本构模型，提出了相应的非线性力学分析与数值模拟方法，并将上述环境效应机理研究初步应用于岩土工程。《岩土材料的环境效应》可作为岩土工程领域内的科研人员及大专院校土木工程、岩土工程、工程地质等专业的研究生用书，也可供从事岩土工程设计、勘察和试验的工程技术人员参考。

陈四利，1959年生，辽宁绥中人，沈阳工业大学教授。1982年7月毕业于沈阳工业大学应用力学专业，获学士学位；2003年获东北大学工程力学专业博士学位。
从教20多年以来，主讲了《材料力学》、《弹性力学》、《土木工程材料》、《土力学及地基基础》、《断裂与损伤力学》和《高等岩土力学》等课程。在科研方面，主要从事有关工程材料与结构的断裂、损伤与疲劳、结构强度、环境岩土工程理论与试验以及岩土力学理论与应用等方向的研究，曾主持和参加国家自然科学基金项目、省部级科研项目以及多项横向课题研究，发表学术论文60余篇，参编专著2部。
宁宝宽，1971年生，辽宁抚顺人，沈阳工业大学副教授。1994年毕业于东北大学矿山建筑专业，获学士学位；2006年获东北大学结构工程专业博士学位。长期从事结构力学、土力学地基基础等课程的教学工作和相关研究工作，发表学术论文30多篇。

1 绪论
1.1 岩土材料的环境效应研究背景
1.2 岩土材料的环境效应研究现状
1.2.1 水泥土环境效应研究现状
1.2.2 混凝土环境效应研究现状
1.2.3 岩石环境效应研究现状
1.2.4 损伤力学与岩土工程研究现状
1.2.5 细观力学与岩土工程研究现状
1.2.6 岩土本构模型研究现状
1.3 研究思路和方法
1.3.1 研究思路
1.3.2 研究方法
1.3.3 研究內容

2 水泥土的环境效应试验研究
2.1 概述
2.2 宏观试验方案设计与优化
2.2.1 侵蚀环境设计
2.2.2 加载装置与观测系统
2.2.3 水泥土试样的制备
2.3 环境侵蚀下水泥土的单轴压缩破裂试验
2.3.1 试验过程
2.3.2 试验结果分析
2.4 环境侵蚀下水泥土力学特性的时间效应
2.4.1 不同pH值对水泥土强度增长趋势的影响
2.4.2 不同离子浓度影响的强度增长趋势
2.4.3 不同化学溶液对水泥土强度增长趋势的影响
2.5 水泥土冻融和侵蚀的双重效应
2.5.1 试验材料制备与试验方案
2.5.2 试验结果分析
2.5.3 冻融循环侵蚀对水泥土力学性能的双重效应
2.6 环境侵蚀下水泥土的三轴压缩试验
2.6.1 试验设备及其原理
2.6.2 三轴压缩破裂试验步骤
2.6.3 试验结果分析
2.7 环境侵蚀下水泥土细观破裂过程的实时观测试验
2.7.1 概述
2.7.2 细观加载仪及其观测系统
2.7.3 细观实时观测试验试件的制备
2.7.4 水泥土的细观破裂实时观测试验
2.7.5 环境侵蚀下水泥土的细观破裂特征实时观测
2.8 小结

3 混凝土的环境效应试验研究
3.1 概述
3.2 试验方案设计与优化
3.2.1 混凝土试件的制备和养护
3.2.2 侵蚀和冻融试验
3.2.3 混凝土试样的抗压试验
3.3 混凝土的环境效应试验研究
3.3.1 纯净水养护的混凝土力学特性
3.3.2 酸侵蚀和冻融循环对混凝土力学特性的影响
3.3.3 硫酸钠侵蚀和冻融循环对混凝土强度的影响
3.4 动态水侵蚀环境下混凝土的环境效应
3.4.1 动态水侵蚀环境下混凝土的侵蚀试验
3.4.2 动态水侵蚀环境下混凝土的侵蚀试验结果分析
3.4.3 动态水侵蚀环境下混凝土的机理分析
3.5 粉煤灰混凝土的环境效应试验研究
3.5.1 试验方法
3.5.2 试验结果分析
3.6 环境侵蚀条件下混凝土的荷载破裂特征
3.7 砂浆的环境效应试验
3.7.1 试验方案及试件制备
3.7.2 试验设备
3.7.3 环境侵蚀条件下水泥砂浆的力学性能
3.7.4 不同pH值的溶液中水泥砂浆的单轴抗压强度试验
3.7.5 不同水泥掺量的水泥砂浆冻融性质
3.7.6 冻融次数对水泥砂浆冻融性质的影响
3.8 小结

4 岩石的环境效应试验研究
4.1 概述
4.2 岩石细观力学加载仪
4.3 岩石单轴压缩破裂过程的实时细观观测试验
4.3.1 岩样的备制
4.3.2 岩石矩形板试件的环境效应
4.4 小结

5 岩土材料的环境损伤机理分析
5.1 概述
5.2 环境侵蚀下岩土材料表面细观损伤特征
5.2.1 水泥土材料的表面损伤
5.2.2 混凝土和砂浆材料的表面损伤
5.2.3 岩石材料的表面损伤
5.3 岩土材料的损伤演化机理分析
5.3.1 环境侵蚀下水泥土的宏－细观损伤机理
5.3.2 化学腐蚀下岩石细现损伤的化学作用分析
5.4 小结

6 岩土材料的环境损伤本构模型及应用
6.1 概述
6.2 环境侵蚀下水泥土的环境损伤本构模型
6.2.1 水泥土环境损伤本构模型的建立
6.2.2 水泥土破坏形式的损伤本构模型
6.2.3 损伤本构模型的应用
6.3 环境侵蚀条件下水泥土的神经网络本构模型
6.3.1 神经网络本构模型的建立
6.3.2 神经网络计算框图
6.3.3 网络模型的训练和优化
6.3.4 实例验证
6.4 环境侵蚀下岩石细观损伤的断裂力学模型
6.4.1 岩石断裂的理论基础
6.4.2 断裂准則
6.4.3 细观损伤的断裂分析
6.5 环境效应下岩土材料的工程应用
6.5.1 概述
6.5.2 水泥土搅拌桩的环境效应
6.5.3 喷射混凝土材料的环境效应
6.5.4 岩石材料的环境效应及耐久性
6.6 小结
参考文献
……

    近年来，靠前学者在混凝土损伤领域也做了大量的研究工作，李兆霞教授、Mroz（1993）等提出了与应变率相关的黏塑性损伤本构关系，程光旭等根据研究成果，提出了描述混凝土损伤的“弹性模型法”的不适宜性。谢和平、鞠杨等根据单轴应力状态下混凝土循环压应力一应变曲线的试验结果，经计算分析，明确了弹性模量法的实用范围，即“弹性模量法”仅适用于线弹（脆）性和非线性弹性材料。此外，张盛东（1997）对混凝土损伤本构关系的研究，鞠杨（1995）对钢纤维（增强）混凝土疲劳损伤行为及其累积损伤理论和疲劳寿命估算方法研究，谢里阳等（1994）对两级载荷作用下疲劳损伤状态的试验研究，周苏波（1998）基于单向拉伸应力一应变全曲线下的混凝土损伤定量分析等大量的研究成果，促使混凝土材料的弹性损伤，蠕变损伤、疲劳损伤、动力损伤以及由腐蚀所引起的损伤方面的研究又向前迈进了一步。
    岩石的破坏机理是岩石力学研究的重要内容之一，也是其研究的主要理论之一，损伤力学是由Dougil于1976年首先引入岩石材料的，随后，1979年Dragon利用断裂面概念对岩石的损伤进行了理论探讨。1981年Krajeinovic运用热力学等理论对岩石类脆性材料的损伤本构方程进行了研究，建立了相应的模型和理论，并成为当前岩石力学领域中广泛关注的前沿课题之一。
    近十几年来，我国学者在此方面进行了大量的研究工作，黎振兹给出了连续损伤力学的概念和方法及其应用（1984）；谢和平等探讨了岩石的连续损伤力学模型（1988），并分析了岩石材料的局部损伤拉破坏（1988）；唐春安用统计理论探讨了岩石损伤参量与本构关系及实验确定；卢应发等人引入微观应变向宏观应变的转化因子，建立了岩石损伤本构模型（1990）；王金龙等人推导出了岩石的应力应变关系和损伤变量（1990）；叶黔元给出了岩石内时损伤本构模型（1991）；李庆斌等建立了岩石三轴损伤本构模型（1994）。
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