应变梯度理论
应变梯度理论是近解释材料在微米尺度下的尺寸效应现象而发展起来的一种新理论。Fleek 等[6]于1994年在细铜丝的扭转实验中观测到微尺度下应变梯度的硬化，其中直径12m μ的无量纲扭转硬化约为直径170m μ的三倍。通过对12.5m μ、25m μ和50m μ三种厚度纯镍薄片的弯曲测试，Stolken 和Evanslv[7]于 1998年发现镍的无量纲弯曲硬化随着薄片厚度的减小而明显增大，然而在拉伸试验中并未发现这种微尺度现象。Chong 和Lam[8]于 1999年通过压痕实验观察到热固性环氧树脂和热塑性聚碳酸酷的无量纲硬化与应变梯度有关，材料的塑性具有微尺度效应。McFarland 和Colton[9J 于2005年通过对不同厚度聚丙烯悬臂微梁的弯曲测试，同样观测到无量纲弯曲刚度随梁厚减小而增大。与宏观尺度相比，微尺度下结构的力学特性及行为研究主要考虑到以下两个方面
(1)尺度效应。材料不是无限可分。因此材料颗粒的固有属性将影响到微结构的力学特性。
(2)表面和界面效应。一些在宏观尺度下常被忽略的力和现象，在微尺度下起着重要的作用;而一些在宏观领域作用显著的力和现象，在微尺度下作用微小，甚至可以忽略。例如，微尺度下，与特征尺寸L 的高次方成比例的惯性力、电磁力(L3)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力(L2)、表面张力(Ll)、静电力(L0)等的作用相对增大。随着尺寸的减小，表面积(L2)与体积(L3)之比相对增大，表面力学和物理效应将起主导作用。 理论模型建立
(1)偶应力理论
早在一个多世纪前，voigt[12]便提出了体力偶和面力偶的概念，并建议构建考虑作用在材料微粒表面或边界上的力偶的连续模型。随后Cosserat 兄弟[14]根据的假设建立了相关的Cosserat 理论，对应的运动方程中出现了偶应力。直到20世纪60年代左右，一些学者才开始尝试Cosserat 理论的改进扩展工作，他们对Cosserat 连续体物质点的旋转施加一定约束，并逐渐发展了一种更为普遍的理论—偶应力理论。相比其它非经典连续介质理论，偶应力理论是一种相对简单的理论。如应变梯度理论考虑旋转梯度、拉伸和膨胀梯度的影响，而偶应力理论仅考虑了旋转梯度(与偶应力共轭)。Ashby[22]指出几何必需位错和统计储存位错是材料的塑性硬化来源，而几何必需位错产生于塑性剪切应变梯度。据此，Fleek 和Hutchinson[23]及Fleek 等[6]在偶应力理论框架上发展了一种应变梯度塑性理论(通常称为CS 应变梯度塑性理论)，它是经典的2J 形变或2J 流动理论的推广。在理论中为了考虑旋转梯度的影响，引入了偶应力，并且服从二阶变形梯度本构率的Clausius-Duhem 热力学限制条件[24] 。这种理论不仅在模拟裂纹扩展时能消除裂纹尖端的应力奇异性[25],还能成功预测微结构力学行为中的微尺度效应。例如，Fleck 等[6]铜丝的扭转实验中证实了应变梯度硬化的存在，并应用提出的CS 应变梯度塑性理论成功解释了这种微尺度现象。经典牛顿力学框架下，连续变形体的材料颗粒仅在力的作用下作平动;在TouPin 和Mindiin 等学者[18-21]建立的传统偶应力弹性理论中，材料颗粒不仅在力的作用下作平动，还在力偶的作用下作转动。因此，偶应力理论中的系统能量包括应力对应变和偶应力对旋转形变做的功，其中旋转形变是二阶变形梯度的反对称部分，含有8个独立分量。对于各向同性线弹性材料而言，系统本构方程中除了两个经典的拉梅系数外，还包含两个与材料微结构有关的附加常数。在上述偶应力理论构建中，仅用到传统的力和力矩的平衡关系，对力偶并没有施加约束。Yang 等[28]从引入高阶平衡关系角度出发，提出一种修正偶应力理论。在添加力偶矩平衡关系后，偶应力张量被约束成对称量，它对与之共轭张量的曲率张量的对称部分做功，并与应力对应变做的功一起转变 为系统能量。这种理论下的本构方程仅包含一个附加常数，从而大大降低了非经典常数的确定难度。Park 和Gao[29]曾使用这种新理论计算Bemoulli-Euler 微梁的弯曲，发现微梁厚度与
材料内察长度相当时，呈现出明显的尺度效应，所求得的无量纲弯曲刚度与弯曲实验测量值[28]吻合得较好。
(2)应变梯度理论
应变梯度理论的基本思想是通过将高阶应变梯度和/或位错密度纳入支配材料行为的本构或演化方程，来引入尺度对结构或系统的弹、塑性变形和位错运动等力学行为的影响。这种理论最早由Mindlin[30]提出，他将弹性体的应变能密度视为应变和它的第一、二阶导数的函数。同时，他也给出了一种更常用的仅包含应变和其一阶导数的简化理论，简化后的附加变形包含了二阶变形梯度的所有18个独立分量。比较而言，偶应力理论仅包含了二阶变形梯度中的8个独立分量，而应变梯度理论是一个完整的二阶梯度理论。Mindlin为非经典连续介质力学研究提供了一种新的思路，后人针对各种应用对其理论进行了改进和扩充。除了弹性材料外，不少学者致力建立了塑性[31-33]、弹塑性[34]、热弹性135]等材料的应变梯度模型。例如，通过使用等效应变的一次和二次拉普拉斯算子表示附加的应变梯度，Aifantis等[32]建立了应变梯度塑性理论。Fleek等[31]和Gao等[33l则发展了另一种基于几何必需位错的应变梯度塑性理论。Aifantis为应变梯度理论的发展和应用做出了卓越的贡献。他和他的合作者们建立并逐步发展了模拟物体弹性、塑性和位错动力行为的各种应变梯度理论，并就相关理论的发展、应用及数学表述给出了综述[36]。另外，黄克智等[37]也在他们的综述性文章中综合介绍了偶应力和应变梯度塑性理论。除了用于描述位错组态、材料软化和裂纹尖端附近的变形场等问题外[36]，应变梯度理论也广泛应用在微尺度效应研究中。例如，Aifantis[38] 讨论了应变梯度弹性、塑性理论在解释不常见微结构的标准尺寸试件或普通微结构的小尺寸试件的扭转和弯曲中的微尺度现象上的能力。在Mindlin[30]建立的传统应变梯度弹性理论中，附加变形即引入的二阶变形梯度，它包括了8个独立分量的反对称部分和10个独立分量的对称部分在内的所有18个独立分量。对于各向同性材料而言，二阶变形梯度对应有七个线性弹性常数，即两个拉梅系数和五个与材料微结构有关的非经典常数。应用虚功原理得到的控制方程和边界条件也包含五个附加常数，从而能捕捉到微结构中的尺度效应。后来，Fleck 和Hutchinson[31，39]重新表述了Mindlin的应变梯度理论，他们将二阶变形梯度张量分解成两个独立部分，即拉伸梯度张量和旋转梯度张量。与Mindiin的工作类似，Fleck和Hutchinson 仅使用了传统平衡关系—力和力矩平衡来支配高阶应力行为。受Yang等[28]的工作启发，Lam等[40]尝试将新的高阶平衡关系应用在本构关系及控制方程的推导中。在施加附加的力偶矩平衡关系后，Lam等重新定义了高阶应变张量及与之共扼的高阶应力张量，并推导了相应的本构关系和应变能表述。由于高阶平衡关系的引入，旋转梯度的反对称部分不出现在变形能中，与微结构有关的附加材料常数的个数由五个减少到三个。基于所提出的新理论，Lam等[40]研究了微悬臂梁的弯曲问题，发现微梁的无量纲刚度与梁厚呈二次方反比关系，这与微梁的弯曲实验观测结果相吻合。
(3)微态理论
微态理论是由连续介质力学大师Eringen建立。在1964年，Eringen[41]、Eringen和Suhubi[42]分别提出了简单微流体和简单微弹性体理论，他们的模型中分别考虑了微流体的局部微运动和微固体的微变形和微旋转，并推导了对应的基本场方程、边界条件和本构方程。到1966年，Eringen[43]综合阐述了这类理论，并将之正式命名为微态连续统力学。这种理论把材料体看作无数变形物质点的连续集合，每个物质点都具有有限的尺寸和内部结构。除了经典的三个平动自由度外，每个材料物质点还具有独立的拉伸和旋转自由度，即允许物质点作刚体运动和发生变形。因此，微态连续体的变形会同时产生宏观应变和微观内部应变。后来的学者发展和拓宽了该理论，建立了弹粘塑性材料[44]、考虑热存储效应[45]、热磁祸合弹性体[46]等一系列理论模型。Chen和Lee[47]建立了基于微态理论的所有瞬时力学变量和原子坐标及速度的联系，并通过统计系综平均后得到连续场量，从而将微态理论和分子动力学结合起来。
微态理论已经应用于微尺度结构与材料的模拟中。例如，Dinard[48]使用基于微态理论的各向异性可压缩塑性模型，探讨了含孔洞泡沫镍板的尺度效应，成功预测了孔洞周围的应变集中随孔洞尺寸减小而减弱的变化趋势。
微极理论
微极理论实质是微态理论的一种特例。微极理论中，每个材料物质点除了经典的三个平动自由度外，仅添加了独立的旋转自由度，即意味着物质点可以作刚体运动，但不允许变形。Eringen[49l于1965年首次提出微极连续统理论，并在同年[50]和1967年[51]分别构建了基于微极理论的流体和弹性体模型。相一比经典力学理论，由于附加独立自由度的引入，微极材料会有旋转惯性矩、体力偶和表面力偶的作用产生。微极理论的后续研究重心在于该理论的扩展和推广。Eringen、de Borst、Tauchert等学者在该领域作了大量的工作，提出了用于粘弹性[52]、塑性[53]、热弹性[54]等材料的微极理论。微极理论同样可以描述微结构中的尺度效应。例如，McFarland和Colton[9]使用微极弹性连续理论探讨了微结构对悬臂微梁的弯曲刚度的影响，计算结果预测到梁的弯曲刚度随梁厚减小而增大，这与文中实验所观测到的微尺度现象是吻合的。上述理论对每个物质点均引入了附加自由度或高阶变形，与之不同的另一种理论则考虑了表面效应的影响。由于微尺度结构具有急剧增大的表面/体积比，表面效应的重要性显著提高。为了引入表面效应，Gurtin和Murdoch[55]提出了一种表面弹性理论，将表面看作和体不同性质、无滑移地勃附在体上的二维弹性膜，表面应力的出现导致了非经典的边界条件，它和表面经典的弹性方程共同组成场方程。对于特征尺寸大于100nm 的结构，表面/体积比可以忽略，因此表面弹性理论目前仅运用在纳米结构中。Wang 和Feng [56-58]基于Bemoulli-Euler梁和Timoshenko梁理论，建立了一种考虑表面效应的理论模型，有力预测了纳米梁在振动和屈曲行为中的微尺度效应。
实验研究方法
微尺度材料的力学性能测试主要包括弹性模量、泊松比、残余应力屈服强度、疲劳强度和断裂强度等参数，常用的测量方法有拉伸测试法、弯曲测试法、纳米压入法、鼓膜法和共振频率测试法等[59]
拉伸试验法
(l)拉伸测试法
拉伸测试是测量弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等参数的最直接的方法。一般的拉伸测试装备主要包括加载装臵、力传感器、位移传感器、机械框架和夹具五部分。载荷和位移是拉伸法测量的主要内容，所需材料参数通过绘出的包括塑性变形在内的拉伸应力一应变曲线得到。
μ进行了拉伸试验。最近，Chasiotis和Knauss[61]早在1955年，Eisner[60]就对直径1m
设计了一种新的拉伸实验装备测得表面微加工多晶硅的弹性模量和拉伸强度，他们使用原子力显微镜获得变形试样的表面形貌后，再通过数字图像相关法(DIC)来确定应变。在测量FCc 薄膜力学特性的纯拉伸实验中，Espinosa等[62]发现金、铜和铝试样的屈服应力比试样厚度减小得快，显示出明显的尺度效应。
(2)弯曲测试法
弯曲测试法是微尺度材料测试领域比较常用的方法之一。与拉伸法相比，弯曲法可以很容易地使用光学显微镜测量，如原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)和力调制显微镜
μ)的屈服应力和断(FMM)等Pearson等[63l于1957年通过弯曲实验研究了硅丝(直径为20m
裂强度。在新的测量仪器出现后，Espinosa等[64]使用原子力显微镜、纳米硬度计
和Mirau型干涉显微镜对金薄膜进行了三点弯曲实验，测得了杨氏模量、屈服应力
和残余应力。前文中已提到，已有学者在金属和聚合物材料的弯曲实验中观测到尺 度效应(如无量纲弯曲刚度随特征尺寸的减小而增大)[7-9]。
(3)纳米压入法
纳米压入法具有极高的位移分辨率和加载精度，通过分析所记录的加载与卸载过程中的载荷一位移曲线来确定材料参数，主要是材料硬度。这种方法分为纳米压痕和划痕技术，其中纳米硬度计是常见的实验装备。Oliver 和Pharr[6s]使用Berkovich 压头进行压痕实验并测得熔融石英、钠钙玻璃和单晶铝等六种材料的弹性模量和硬度。Jardret 等[66项]使用Berkovich 压头对一些金属和高分子材料展开了划痕实验，指出其中的技术要点。采用扫描隧道显微镜(STM)，Stemashenk 。等[67]对单晶钨薄膜所做的压痕实验发现，当压痕深度由10m μ到1m μ时，材料硬度值急剧增大，表现出强烈的尺度效应。
(4)鼓膜法
鼓膜法通常被称之为两轴拉伸试验，是最早用于研究薄膜力学性能的技术之一。薄膜凸起高度是主要测量物理量之一，最早是采用指针仪等机械法进行测量，随后发展为超声厚度测量，目前则使用精度更高的激光干涉测量[68]。由于金属具有良好的延展性，早期的鼓膜实验主要集中在对金属薄膜的研究上。Beam[69]最早于 1959年使用鼓膜技术对金、银薄膜的力学性能进行测量。后来的学者们也逐渐对非金属材料产生兴趣，以矩形薄膜为对象,Tabataa 等
[70]测得了LPCVD 多晶硅和PECVD 氮化硅组成的复合薄膜的内应力和弹性模量。
(5)共振频率法
微结构的谐振频率与材料的弹性模量、剪切模量和泊松比等材料特性参数密切相关，通过检测谐振频率来计算材料参数是一种较早采用的动态测试方法。该方法采用非接触光学测量技术，使用激光多普勒干涉仪、迈克尔逊干涉仪等仪器测量振动位移，再进一步确定微结构的振动频率。早在1979年，Petersen 等[71]通过测量悬臂微梁的横向共振频率得到氧化硅薄膜 的弹性模量。在压电陶瓷或电磁驱动器激振下，Mazza 等[72]使用激光多普勒干涉仪对镍和铁镍合金微梁进行了振动实验，测得材料的弹性模量、弹性极限和失效应力。Chen 等[73]使用电场驱动的谐振实验装臵，在Zno 纳米丝的弹性模量测量中观察到尺度效应，发现当试样直径小于120nm 时，弹性模量随直径的减小而显著增大。
[6] Fleck N A, Muller G M ，Ashby M F, etal. Strain gradient Plasticity: theory and experiment. Acta Metall. Mater.，1994，42:475一487
[7]Stolken J S ，Evans A G.A microbend test method for measuring the Plasticity length scale. Aeta Metall. Mater.，1998，46:5109一5115
[8]Chong A C M ，Lam D C C. Strain gradient plasticity effete in indentation hardness of polymers. Journal of Materials Research ，1999，14(10):4103~4110
[9]Mcfarland A W, Colton J S. Role of material microstructure in Plate stiffness with relevanee to microcantilever sensors. J. Micromeeh. Microeng.，2005，15:1060~106
[10]魏悦广.机械微型化所面临的科学难题一尺度效应.世界科技研究与发展，
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[11]林谢昭.微机电系统的尺度效应及其影响.机电产品开发与创新，2005，18(5):
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[12]Voigt W.Theoretisehe studien uber die elastieitatsvethaltnisse der krystalle.Abh.
Ges.WissGottingen ， 1887，34:3一511893，33:257一258
高应变低应变桩基检测 一、定义 根据建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003 第2.1.6条，低应变：采用低能量瞬态或稳态激励方式在桩顶激励，实测桩顶速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判断的检测方法。 第2.1.7条，高应变：用重锤冲击桩顶，实测桩顶部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。 高大钊版的《土力学与地基基础》关于大小应变的定义 大应变：指激励能量足以使桩土之间发生相对位移，使桩产生永久贯入度的动测法 小应变：指在激励能量较小，只能激发桩土体系（甚至只有局部）的某种弹性变形，而不能使桩土之间产生相对位移的动测法。 桩达到极限承载力时，即为桩周土达到塑性破坏。唯有大应变才能使桩产生一定的塑性沉降（贯入度），所测的土阻力才是土的极限阻力；小应变只能测得桩土体系的某些弹性特征值，而土的弹性变形与其强度之间并没有确定的关系。因此从理论上讲，小应变不能提供确切的单桩极限承载力，只能用于检验桩身质量。 二、何种桩需要检测 建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003第3.3.3条，单桩承载力和桩身完
整性验收抽样检测的受检桩选择宜符合下列规定： 1 施工质量有疑问的桩； 2 设计方认为重要的桩； 3 局部地质条件出现异常的桩； 4 施工工艺不同的桩； 5 承载力验收检测时适量选择完整性检测中判定的Ⅲ类桩； 6 除上述规定外，同类型桩宜均匀随机分布。 解释：对于基桩的检测包括单桩承载力及桩身完整性两个部分，这两个部分要求检测的数量不同。 三、低应变与高应变适用范围 低应变：适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。低应变法的理论基础以一维线弹性杆件模型为依据。因此受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5，设计桩身截面宜基本规则。另外，一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立，所以，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，本方法不适用。本方法对桩身缺陷程度只做定性判定，尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量的结果，但由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、滤波等造成的实测波形畸变，以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身阻尼的耦合影响，曲线拟合法还不能达到精确定量的程度。对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。
一、简要回答下列问题 1. 刃型位错与螺型位错在结构方面的主要区别是什么？ 2. 一个环形位错能否各部分均为刃型位错？为什么？ 3. 位错滑移和攀移的实质分别是什么？ 4. 面心立方晶体的(111)面上有一]110[2 a b =的螺型位错，当其在(111)面上滑移受阻时，可通过交滑移转移到哪一个{111}面上继续滑移？为什么？ 5. 为什么冷加工变形可在金属晶体中产生过饱和的点缺陷？ 6. 随着塑性变形量的增加，晶体内部的位错密度发生何种变化？为什么？ 7. 柯垂尔气团与斯诺克气团的主要区别是什么？ 8. 晶体的滑移通常总是沿着其最密晶面和最密晶向进行，为什么？ 9. 面心立方晶体中的全位错的柏氏矢量取何值时其组态最稳定？为什么？ 10. 体心立方晶体中的全位错的柏氏矢量取何值时其组态最稳定？为什么？ 11. 为何晶体的滑移通常总是沿着其最密晶面和密排晶向进行？ 12. 晶体中存在的位错如右图所示， 位错线的正方向是图中箭头所标 示的方向，两位错的柏氏矢量均 平行于X 轴。现对晶体施加一个 σzx 的应力，请指出两位错运动后 滑移面两侧两部分晶体的相对位 移量。 二、 何谓点缺陷的热力学平衡性？何谓过饱和点缺陷？指出产生过饱和点缺陷 的主要途径和相应机制。 三、金属晶体切变强度的实测值远低于其理论计算值，试用位错滑移理论加以详 细说明。 四、试说明晶体中刃型位错与螺型位错在结构特征、柏氏矢量、应力场特征以及 受力时的运动方式诸方面的不同之处。 五、试分析位错线互相垂直的两个刃型位错之间的交割行为。 六、 试分析位错线互相平行且柏氏矢量相同的两个正刃型位错之间的相互作用情况。
应变梯度理论 应变梯度理论是近解释材料在微米尺度下的尺寸效应现象而发展起来的一种新理论。Fleek 等[6]于1994年在细铜丝的扭转实验中观测到微尺度下应变梯度的硬化，其中直径12m μ的无量纲扭转硬化约为直径170m μ的三倍。通过对12.5m μ、25m μ和50m μ三种厚度纯镍薄片的弯曲测试，Stolken 和Evanslv[7]于 1998年发现镍的无量纲弯曲硬化随着薄片厚度的减小而明显增大，然而在拉伸试验中并未发现这种微尺度现象。Chong 和Lam[8]于 1999年通过压痕实验观察到热固性环氧树脂和热塑性聚碳酸酷的无量纲硬化与应变梯度有关，材料的塑性具有微尺度效应。McFarland 和Colton[9J 于2005年通过对不同厚度聚丙烯悬臂微梁的弯曲测试，同样观测到无量纲弯曲刚度随梁厚减小而增大。与宏观尺度相比，微尺度下结构的力学特性及行为研究主要考虑到以下两个方面 (1)尺度效应。材料不是无限可分。因此材料颗粒的固有属性将影响到微结构的力学特性。 (2)表面和界面效应。一些在宏观尺度下常被忽略的力和现象，在微尺度下起着重要的作用;而一些在宏观领域作用显著的力和现象，在微尺度下作用微小，甚至可以忽略。例如，微尺度下，与特征尺寸L 的高次方成比例的惯性力、电磁力(L3)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力(L2)、表面张力(Ll)、静电力(L0)等的作用相对增大。随着尺寸的减小，表面积(L2)与体积(L3)之比相对增大，表面力学和物理效应将起主导作用。 理论模型建立 (1)偶应力理论 早在一个多世纪前，voigt[12]便提出了体力偶和面力偶的概念，并建议构建考虑作用在材料微粒表面或边界上的力偶的连续模型。随后Cosserat 兄弟[14]根据的假设建立了相关的Cosserat 理论，对应的运动方程中出现了偶应力。直到20世纪60年代左右，一些学者才开始尝试Cosserat 理论的改进扩展工作，他们对Cosserat 连续体物质点的旋转施加一定约束，并逐渐发展了一种更为普遍的理论—偶应力理论。相比其它非经典连续介质理论，偶应力理论是一种相对简单的理论。如应变梯度理论考虑旋转梯度、拉伸和膨胀梯度的影响，而偶应力理论仅考虑了旋转梯度(与偶应力共轭)。Ashby[22]指出几何必需位错和统计储存位错是材料的塑性硬化来源，而几何必需位错产生于塑性剪切应变梯度。据此，Fleek 和Hutchinson[23]及Fleek 等[6]在偶应力理论框架上发展了一种应变梯度塑性理论(通常称为CS 应变梯度塑性理论)，它是经典的2J 形变或2J 流动理论的推广。在理论中为了考虑旋转梯度的影响，引入了偶应力，并且服从二阶变形梯度本构率的Clausius-Duhem 热力学限制条件[24] 。这种理论不仅在模拟裂纹扩展时能消除裂纹尖端的应力奇异性[25],还能成功预测微结构力学行为中的微尺度效应。例如，Fleck 等[6]铜丝的扭转实验中证实了应变梯度硬化的存在，并应用提出的CS 应变梯度塑性理论成功解释了这种微尺度现象。经典牛顿力学框架下，连续变形体的材料颗粒仅在力的作用下作平动;在TouPin 和Mindiin 等学者 [18-21]建立的传统偶应力弹性理论中，材料颗粒不仅在力的作用下作平动，还在力偶的作用下作转动。因此，偶应力理论中的系统能量包括应力对应变和偶应力对旋转形变做的功，其中旋转形变是二阶变形梯度的反对称部分，含有8个独立分量。对于各向同性线弹性材料而言，系统本构方程中除了两个经典的拉梅系数外，还包含两个与材料微结构有关的附加常数。在上述偶应力理论构建中，仅用到传统的力和力矩的平衡关系，对力偶并没有施加约束。Yang 等[28]从引入高阶平衡关系角度出发，提出一种修正偶应力理论。在添加力偶矩平衡关系后，偶应力张量被约束成对称量，它对与之共轭张量的曲率张量的对称部分做功，并与应力对应变做的功一起转变 为系统能量。这种理论下的本构方程仅包含一个附加常数，从而大大降低了非经典常数的确
高应变讲解 公司内部档案编码：[OPPTR?OPPT28?OPPTL98?OPPNN08] 高应变
一一武汉岩海（曾） 一.准备工作 1.基桩开挖：不小于2倍桩径 2.选择重锤：应为极限承载力的广％ 3.桩顶要剔除浮浆以及露头钢筋，保证平整 4.冲击钻钻头8mm,膨胀螺丝6mm,固定螺丝的小扳手1把，老虎钳1 把，小铁锤1把 5.打磨机：切割片为精钢片，不能用砂轮 6.传感器的安装：应力环线向下，加速度计线向上 7.桩头垫子：3CM左右厚的三合板或者木板 8.吊车：可以使用重锤 9.应变传感器两个孔距离为6-7CM
二.理论知识 1.高应变：200^1000个应变 低应变：小于10个应变 2.通过重锤冲击桩头，产生沿着桩身向下传播的应力波和一定的桩土位移，利用对称安装于桩顶两侧的加速度计和应变计，记录冲击波作用下的加速度和应变，并且通过长线电缆传输给基桩动测仪 3.桩垫要求：2'3CM厚的板子，可以垫细沙，管桩用麻袋2-3层 4.锤子重量：设计承载力*2二极限承载力 s*r% 5.锤击时采用重锤低击（1'2. 5m） 6.积分：加速度一速度一位移 7.贯入度：反弹后的位移，最好在2、6mm 8.传感器安装点：大直径基桩--1倍，小直径基桩--2倍，大直径桩一直径大于600mm,桩长大于30m 9.一定要保证4个传感器安装贴平！！！ 10.测点桩长：传感器（加速度计）安装点到桩底的长度 测点面积：桩的截面积（管桩为内外直径的差） 11.-般先做完低应变，测完整性，比较好的基桩才做高应变 12.桩密度：灌注桩一2450,管桩一2550 系数JC值 粗砂，砂土、，粉质砂土~,粉土、，粉质黏土、，黏土、，固定端为0,自由端为1
一种复合材料的明确的大变形理论公式 摘要 一种几何非线性的复合材料和由此产生的显式动力有限元算法的制定。建议制定假设，小的弹性和大的塑性变形，考虑使用映射成等价各向同性空间在每个时间步长，其中组合构成的方程的整合模型变量的张量的各向异性。内部变量的演化计算的辅助空间，同时考虑到材料的非线性变形，结果映射回真实应力空间。映射张量为每一个新的空间结构的更新，使加工一般各向异性材料的大应变下，可以加工多种复合材料使用的混合理论。复合材料的变形是出于每种物质的力学响应，并由此产生的模型允许一个完全非线性的分析，结合不同的材料模型，如在一种复合物质中，在其他弹塑性变形损坏下，三分之一的物质的仍保持弹性变形。 关键词: 复合；各向异性；混合理论；构成模型 1 引言 复合材料结构的应变和应力分析通常涉及使用平均材料的机械性能，或作为一个完全新的材料复合的研究。第一种方法是相当有效的，当所有材料弹性变形，以及不同阶段之间的相互作用是线性的并依赖其在复合材料的体积参与。在第二种方法中，加载下材料的变形没有得到复合物质的隔离性能，这意味着对表征的材料常数进行更多的测试时，例如，一个新的纤维方向或另一个阶段列入参考。作者采用不同的复合物质的联合变形考虑复合材料的变形。每种材料单独考虑，允许矩阵塑化，例如，独立的纤维。 另一个要强调的一点是，各向同性是一个例外而不是一种处理复合材料的规则。因此，必须对重大高效的大应变非线性有限元算法建立一个简单，全面和有效的各向异性模型。 本文作者使用各向异性材料的机械性能，定义了两个四阶张量，建立了一个真正的应力和应变的空间和虚构的，各向同性的，应力和应变空间之间的映射。作为弹塑性行为假定，选择在虚拟空间的屈服面，以履行凸性和不变性的先决条件，可用于各向同性率本构方程的数值积分的简单和久经验证的算法。类似的程序，可以用来研究材料的破坏或蠕变。该算法是实施明确动态代码SIMPACT[1]，考虑允许接触，处理点球的方法。因为基础的方案是明确的，所以刚度矩阵的计算是没有必要的。根据复合材料混合理论[2],通过添加一个外循环在确定的左手边的动力学方程,并对不同物质衡量影响整体变形的程度,紧随其后的是代码集算法的分析。 在第2节给出一个简短的讨论混合理论，而在第3节给出建议的方法来处理各向异性材料的基础上。在第4节给出的各向异性模型验证和实施的主要步骤。 2 混合理论与算法的概要 大应变的实施制定认为，这样的应变梯度张量乘法分解为 (1) 其中F是应变梯度，Fe和Fp的弹性和塑性构成。应变在其弹性和塑料零件中通常在添加剂中分解，在原有的或变形的结构也如此假设，例如，Almansi 应变
高应变法基桩检测 施工方案 广州亚邦工程勘察有限公司 2010年6月11日
一、工作内容及目的 对本工程的基桩进行高应变法检测，目的是检测桩身结构完整性，计算基桩的竖向抗压承载力。 二、检测人员 现场由2～3名持检测上岗证的技术人员负责测试。 三、检测设备 检测采用武汉岩海公司生产的RS-1616K(P)桩基动测仪。检测仪器设备及现场联接如图1。 注：A1、A2加速度传感器F1、F2力传感器 四、检测原理 高应变动力试桩的基本原理：用重锤冲击桩顶，使桩—土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号，应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线，从而判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。 假设桩为一维线弹性杆，测点下桩长为Ｌ，横截面积为Ａ，桩材弹性模量为E，桩材质量密度为ρ，桩身内应力波传播速度（俗称弹性波速）为C（C 2 =E/ρ），广义波阻抗或桩身截面力学阻抗为
Z = A ρC ；其桩身应力应变关系可写为： 假设土阻力是由静阻力和动阻力两部分组成： 推导可得桩的一维波动方程： 分析方法采用Case 法和实测曲线拟合法： 记冲击速度峰对应时间为t 1，t 2＝t 1+2L/C 为桩底反射对应时间，根据实测的力、速度曲线F(t)、V(t)推导可得case 法判定桩的承载力的计算公式为： 对于等截面桩，桩顶下第一个缺陷对应的完整性系数由下式计算： 其中： R x ──缺陷点X 以上的桩周土阻力； 缺陷位置可根据缺陷反射波的对应时间t x 由下式确定： 实测曲线拟合法采用了较复杂的桩－土力学模型，选择实测力或速度或上行波作为边界条件进行拟合，拟合完成时计算曲线应与实测曲线 ε ε σ??=?=E A F E d s R R R +=A R x u c t u ?-??=??ρ22 2222 1t t c L x x -=2) ()()(2 ) ()()(111x x x t V Z t F t F t V Z t F t F ?-= ↑?+= ↓) ()()()(11x x x t F t F t F R t F ↑-↓↑+-↓= β2 ) ()() 1(2)()() 1(2211t V Z t F J t V Z t F J R c c c ?-++?+-=
高应变 ----武汉岩海（曾） 一．准备工作 1.基桩开挖：不小于2倍桩径 2.选择重锤：应为极限承载力的1~1.5% 3.桩顶要剔除浮浆以及露头钢筋，保证平整 4.冲击钻钻头8mm，膨胀螺丝6mm，固定螺丝的小扳手1把，老虎钳1把，小铁锤1把 5.打磨机：切割片为精钢片，不能用砂轮 6.传感器的安装：应力环线向下，加速度计线向上 7.桩头垫子：3CM左右厚的三合板或者木板 8.吊车：可以使用重锤 9.应变传感器两个孔距离为6-7CM
二.理论知识 1.高应变：200~1000个应变 低应变：小于10个应变 2.通过重锤冲击桩头，产生沿着桩身向下传播的应力波和一定的桩土位移，利用对称安装于桩顶两侧的加速度计和应变计，记录冲击波作用下的加速度和应变，并且通过长线电缆传输给基桩动测仪 3.桩垫要求：2~3CM厚的板子，可以垫细沙，管桩用麻袋2-3层 4.锤子重量：设计承载力*2=极限承载力 再*1~1.5% 5.锤击时采用重锤低击（1~2.5m） 6.积分：加速度--速度--位移 7.贯入度：反弹后的位移，最好在2~6mm 8.传感器安装点：大直径基桩--1倍，小直径基桩--2倍，大直径桩--直径大于600mm，桩长大于30m
9.一定要保证4个传感器安装贴平！！！ 10.测点桩长：传感器（加速度计）安装点到桩底的长度 测点面积：桩的截面积（管桩为内外直径的差） 11.一般先做完低应变，测完整性，比较好的基桩才做高应变 12.桩密度：灌注桩--2450，管桩--2550 13.case系数JC值 粗砂--0.05，砂土--0.1~0.15，粉质砂土0.15~0.25，粉土0.25~0.4，粉质黏土0.4~0.7，黏土0.7~1.0，固定端为0，自由端为1 14.应用：检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性 15.桩头混凝土强度等级最好比桩身提高1~2级，而且不低于C30 16.case法的条件：只限于中小直径基桩，桩身材质和截面基本均匀 17.RS加速度计采用电荷信号模式，PDA 是采用电压，电荷在导线中传播损耗快18.采用间隔50~200微秒（一般100），短桩用50（10m左右）
大连理工大学 硕士学位论文 平面偶应力问题的辛求解方法 姓名：房桂祥 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：钟万勰 20040610
摘要 平面偶应力理论虽然早在上世纪初就出现了，但是其分析求解一直没有得到很好的解决。现有的求解手段主要采用数值方法一如有限元法。而能给出其解析解的只限于某些特殊的偶应力问题。辛方法作为一种崭新的理论求解体系已成功应用于板、梁等弹性力学阀题的求解，与经典的弹性力学求解体系相比有着其独特的优越性。本文目的在于把这种解析方法应用到平面偶应力问题的求解。 本文借助于Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板与平面偶应力的模拟关系，在平面偶应力问题的类Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理的基础上，以应力函数为原变量，部分应变为其对偶变量，推导出力法形式的平面偶应力问题的Ｈａｍｉｌｔｏｎ对偶方程组。于是把平面偶应力问题引入到Ｈａｍｉｌｔｏｎ体系，从而利用辛空间的分离变量和本征函数向量展开法获得其解。本文讨论了两种典型边界条件——对边自由和对边固支矩形域问题的解析求解。首先求解出由于用应交代替位移作为基本变量而带来的对边自由矩形域问题的所有非齐次特解，这些解均是有特殊物理意义的解。然后，推导出这两类边界条件各自的本征值超越方程，并进一步给出其对应的非零本征值的本征解。从而依据叠加原理，获得这两种典型边界条件问题的解。最后，本文求解了一半无穷矩形域单向拉伸问题，数值结果证明了微尺寸下经典弹性力学的求解方法得出的结果不再适用，由于偶应力的影响，单向拉伸问题在固定端角点处的奇异性消失。 本文将辛方法成功应用于矩形域平面偶应力闯题的求解，为这～类问题提供了一条崭新的解决途径。算例结果也很好地证明了辛方法的有效性和优越性。 关键词：平面偶应力，Ｈａｍｉｌｔｏｎ求解体系，辛对偶空间，本征展开法
1、见习题集P86 题3-28 2、写出位错反应a[ 01-1 ]/2+a[ 2-11]/2 的反应结果，这个反应能否进行？形成的位错能不能滑动？为什么？ 解：a[ 01-1 ]/2+a[ 2-11]/2→a[100]，根据位错反应的Frank 判据，反应式左端的柏氏矢量 平方和为a2/ 2 + 3a2/2 = 2a2，而右端的柏氏矢量平方为a2，因2a2> a2 ，所以反应可以 进行。a[ 01-1 ]/2 位错的滑移面是(111) ，a[ 2-11]/2 位错的滑移面是(11-1) ，所以反应生成的位错线在(111) 与(11-1) 的交线[-110] 上，这个位错的滑移面是(001)，它不是面心立方 容易滑移的滑移面，所以不易滑动。 3、某面心立方点阵晶体的(1-11)面上有一螺型单位位错，其位错线为直线，柏氏矢量为 a/2[110]， (1)在晶胞中标明该位错的柏氏矢量，该位错滑移产生的切变量是多少？ (2)该位错能否自动分解成两根肖克莱不全位错，为什么？并在晶胞中标明两根肖克莱不全位错的柏氏矢量； (3)在（1-11）面上由上述两不全位错中间夹一层错带形成扩展位错。若作用在该滑移面上的切应力方向为[1-1-2]，该扩展位错如何运动？若切应力方向为[110]，该扩展位错又如何运动？ (4)该扩展位错可能交滑移到哪个晶面，并图示之，指出产生交滑移的先决条件是什么？答：(1)√2a/2（hu+kv+lw=0） (2)能（满足几何能量条件） a/6[121]+a/6[21-1]= a/2[110] （几何条件） ∣a/6[121]∣2+∣a/6[21-1]∣2 <∣a/2[110]∣2 a2/6+ a2/6 地基与基础 D I J I Y U J I C H U 孙献国,等:基桩高应变拟合方法的计算原理 658 年第22卷第5期 收稿日期:2008 04 15;修改日期:2008 07 03 作者简介:孙献国(1982-),男,黑龙江齐齐哈尔人,芜湖市建科工程技术咨询检测有限责任公司助理工程师.基桩高应变拟合方法的计算原理 孙献国1, 赵 岚2 (1.芜湖市建科工程技术咨询检测有限责任公司,安徽芜湖241000; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009) 摘 要:文章建立了桩土系统动力学模型,利用行波理论求得了该问题的数值解,编制了计算程序,对高应变理论进行了数值计算模拟,通过拟合计算:分析高应变动测时桩的承载力和土阻力的分布结果。结合工程实例,对模型的应用进行了研究,并将计算结果与已知拟合结果进行了对比分析,在拟合波形上取得了较好的一致性,拟合所得承载力与已知结果相接近。关键词:桩基动测;高应变;拟合 中图分类号:TU473 16 文献标识码:A 文章编号:1673 5781(2008)05 0658 03 0 引 言 高应变动力试桩程序CAPWA P C,是以实测的力时程曲线(或速度时程曲线)作为边界条件输入到以波动理论编制的计算程序中,通过不断修改桩土模型参数求解波动方程,直到计算得到的速度时程曲线(或力时程曲线)和实测的速度时程曲线的吻合程度满足要求,从而得到单桩承载力、侧摩阻力等分析结果。它是根据行波理论发展出来的计算方法。本文通过建立桩土系统的动力学模型,给出桩身波动方程、桩顶边界条件、桩底边界条件和初始条件,求得该定解问题的数值解,并编制了计算程序,给出了计算实例。 1 桩的计算模型 将桩分成N 个弹性杆件单元,应力波通过各单元的时间 t 应相等。对于每一杆件单元,假定土阻力都作用在单元底部,杆件单元的阻抗变化仅发生在单元的界面处,波在单元内部不发生畸变。N 个单元的侧阻分别是R 1,R 2,!,R N ,端阻是R b 。1 1 桩身单元的行波表达式 常用桩身上、下行波表达式[1]为P u (i,j )= 2Z i Z i+1+Z i P u (i +1,j -1)+Z i+1-Z i Z i+1+Z i ? P d (i -1,j -1)+ Z i Z i+1+Z i R (i,j ) P d (i,j )= Z i+1-Z i Z i+1+Z i P u (i +1,j -1)+2Z i+1 Z i+1+Z i ? P d (i-1,j -1)- Z i+1 Z i+1+Z i R (i,j ) (1) 其中,P u (i,j )和P d (i,j )分别表示桩身截面i 处t j 时刻的上行波力和下行波力;R(i,j )为第i 单元侧阻R i 在t j =(j -1) t 时刻的值,桩身各单元的广义波阻抗Z i =A i i C i (i =1,2,!,N ),A i 、 i 和C i 分别为第i 单元桩身的截面积、密度和纵波在桩身的传播速度。1 2 桩顶单元边界条件 用于由桩顶实测力曲线拟合速度曲线为 P u (1,j )=P u (2,j -1) P d (1,j )=P m (j )-P u (1,j ) (2) 其中,锤击桩顶的瞬态纵向激振力P m (j )为实测力曲线值。 用于由桩顶实测速度曲线拟合力曲线为 P u (1,j )=P u (2,j -1)P d (1,j )=ZV m (j )+P u (1,j ) (3) 其中,桩顶瞬态纵向振动速度V m (j )为实测速度曲线值。 1 3 桩底单元边界条件 桩尖受力状态如图1所示。 图1 桩尖受力状况 混凝土裂缝宽度与拉应变的关系研究 1.引言 混凝土是由水泥、砂(细骨料)、石(粗骨料)组成的材料。由于混凝土本身的抗拉强度很小，易于开裂，所以实际工程中，多数混凝土结构都是带缝工作的。钢筋混凝土构件产生裂缝的原因有多种，主要有是荷载作用，钢筋混凝土构件在静荷载或动荷载作用下，当主拉应力超过混凝土抗拉强度时引起混凝土开裂，这种裂缝沿主拉应力方向增宽，扩展方向通常与主拉应力方向正交。除载荷作用外，结构的不均匀沉降、收缩、温度变化，以及在混凝土凝结、硬化阶段等都会引起拉应力，从而产生裂缝。 结构中主拉应力达到混凝土（当时）的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变εtu时才出现裂缝。硬化后的混凝土极限拉应变εtu约为150×10?6，即10m场的构件，产生1.5mm的很小拉变形即会产生裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度很小的位置发生。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。不同龄期的混凝土，其裂缝断面状况有较大差别。龄期很短的混凝土，裂缝断面较为光滑，两裂缝不能完全闭合；而充分硬化后的混凝土，裂缝断面则呈不规则较为锋锐状态，两断面可以闭合。 裂缝对结构的危害性表现在如下几个方面：首先是影响建筑物的美观。一些可见裂缝虽然不影响结构的安全和使用性能，但对建筑的美观产生负面影响；其次，裂缝宽度较大时对结构安全性、适用性产生影响。裂缝的出现对结构承载力有一定的消弱，如果结构处于海洋、高温高湿等侵蚀性环境中，裂缝的出现还会使氯离子等侵蚀性介质更容易进入到钢筋表面，引发和加速钢筋腐蚀，从而减少结构的使用寿命，因此必须控制裂缝宽度。 2.裂缝宽度计算理论 前面已经论述，结构中主拉应力达到混凝土（当时）的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变εtu时才出现裂缝，所有裂缝及其宽度与拉应变之间存在着对应关系。对于裂缝问题，尽管自20世纪30年代以来各国 一、解释以下基本概念 肖脱基空位：晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位。脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位称为肖脱基空位 弗兰克耳空位：晶体中的原子挤入结点的空隙形成间隙原子，原来的结点位置空缺产生一个空位，一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳（Frenkel ）缺陷。 刃型位错：晶体内有一原子平面中断于晶体内部，这个原子平面中断处的边沿及其周围区域是一个刃型位错。 螺型位错：沿某一晶面切一刀缝，贯穿于晶体右侧至BC 处，在晶体的右侧上部施加一切应力τ，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，BC 线左边晶体未发生滑移，出现已滑移区与未滑移区的边界BC 。从俯视角度看，在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面，畸变区的尺寸与长度相比小得多，在畸变区范围内称为螺型位错 混合位错：位错线与滑移矢量两者方向夹角呈任意角度，位错线上任一点的滑移矢量相同。 柏氏矢量：位错是线性的点阵畸变，表征位错线的性质、位错强度、滑移矢量、表示位错区院子的畸变特征，包括畸变位置和畸变程度的矢量就称为柏氏矢量。 位错密度：单位体积内位错线的总长度ρυ=L/υ ；单位面积位错露头数ρs =N/s 位错的滑移：切应力作用下，位错线沿着位错线与柏氏矢量确定的唯一平面滑移, 位错线移动至晶体表面时位错消失，形成一个原子间距的滑移台阶，大小相当于一个柏氏矢量的值. 位错的攀移: 刃型位错垂直于滑移面方向的运动, 攀移的本质是刃型位错的半原子面向上或向下运动，于是位错线亦向上或向下运动。 弗兰克—瑞德源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。 派—纳力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力 单位位错：b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。 不全位错：柏氏矢量不是从一个原子到另一个原子位置，而是从原子位置到结点之间的某一位置，这类位错称为不全位错。 堆垛层错: 密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。 位错反应：位错具有很高的能量，因此它是不稳定的，在实际晶体中，组态不稳定的位错可以转化成为组态稳定的位错，这种位错之间的相互转化称为位错反应。 扩展位错: 如果层错两端都终止在晶体内部，即一个层错的两端与两个不全位错相连接。像这样两个不全位错之间夹有一个层错的位错组态称为“扩展位错” 二、纯铁的空位形成能为105kJ/mol. 将纯铁加热到850℃后激冷至室温(20℃)，假设高温下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。 解答 利用空位浓度公式计算 850 ℃ (1123K) ：C v1＝？？，后激冷至室温可以认为全部空位保留下来 20℃(293K) ：C v2＝？？， C v1 /C v2=??? 三、计算银晶体接近熔点时多少个结点上会出现一个空位（已知：银的熔点为960℃，银的空位形成能为1.10eV ，1ev ＝）?若已知Ag 的原子直径为0.289nm ，问空位在晶体中的平均间距。 1eV ＝1.602*10-19J 解答： 得到Cv ＝e 10.35 )exp(RT Q A C v ?=)exp(RT Q A C v ?= 如何观察和理解高应变实测曲线 这里的实测曲线，并非指原始的加速度信号与应变信号，而是分析过程中以叠加显示形式出现的力曲线、归一化后的速度曲线[F(t)及ZV(t)]和下行波曲线 与上行波曲线 。认真理解与分析两组四条曲线是所有后续处理与分析包括波动方程拟合分析的关键。“高应变现场测试技术及注意事项”一文（王雪峰等，国家科委成果办宜昌桩基动测研讨咨询会资料《桩基动测理论与实践》，P196-214）对其质量判断已有详尽介绍，这里仅作进一步补充与解释： 1、力曲线和速度曲线起始段的重合亦即良好的一致性是必须的，这是一维应力波理论的必然产物，但当 ①输入的传感器灵敏度不准确，弹性波速（或弹性模量）不合理时； ②传感器安装不合理，安装部位材质较差或安装部位不合理时（离桩顶太近，离接桩部位太近，离地表太近）； ③打击力不够（尤其对于粗短的端承桩）或严重偏心时； ④锤垫过厚，信号过缓时； ⑤桩上部存在严重缺陷(包括扩颈)时； ⑥上部土层阻力较大时； ⑦利用柴油锤激发时（由于记录两条曲线的传感器低频响应不一样，在低幅值段，速度曲线往往略低于力曲线），二者的一致性未必能得到充分满足。 鉴于导致力曲线与速度曲线起始段不一致的因素较为复杂，我们在现场和室内分析时一定要仔细判断，在测试现场务必排除①、②、③、④条，为后续分析创造条件。 力曲线和速度曲线的一致性仅限于二者峰值点以前的部位，其中二者曲线形态的正比性是首先应得到满足的，而峰值的相等性（FVX=FMX）却未必，当然只要没有⑤、⑥条件存在，它们应当接近。 2、力曲线和速度曲线应较少毛刺，没有莫明振荡、尾部正常归零，这里所指的尾部系指100ms左右处。大量现场试验表明，除特长桩外，一般高应变测试过程中，桩土系统在几十毫秒内基本上均完成了各种响应，因而经过近100ms以后，基本处于相对静止状态，也即桩顶的力和速度应回复到零。RS仪的分析软件只显示512点，如果采样间隔为100us，则满屏只能显示51.2ms，此时加速度曲线一般不归零，欲观全貌，可将原始信号压缩一次（“[”）再积分（“v”），自然显示100ms时间段。也可以积分后再压缩观看（“v”→“Esc”→“Enter”→“[” →“f”）。 当①加速度计安装不紧 ②传感器附近桩身材质不良 高应变法 一、定义、适用范围 1、定义： 用重锤冲击桩顶，实测基桩上部的速度和力时程曲线，通过波动理论分析，对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。 2、适用范围/不适用范围： 适用于：检测基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性；监测预制桩打入时的桩身应力和锤 击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。 进行灌注桩的竖向抗压承载力检测时，应具有现场实测经验和本地区相近条件下的可靠 对比验证资料。（灌注桩的截面尺寸和材质的非均匀性、施工的隐蔽性（干作业成孔桩除外）及由此引起的承载力变异性普遍高于打入式预制桩，导致灌注桩检测采集的波形质量低于预制桩，波形分析中的不确定性和复杂性又明显高于预制桩。与静载试验结果对比，灌注桩高应变检测判定的承载力误差也如此。）不适用：对于大直径扩底桩和预估Q-s曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用本方法进行竖向抗压承载力检测。 3、可以采用高应变法进行单桩竖向抗压承载力验收检测的范围有哪些？抽检数量如何确定？ 对于确定混凝土灌注桩单桩竖向抗压承载力时，应符合下列规定： 1 符合下列条件之一时，应采用静载试验： 1）地基基础设计等级为甲级和乙级的； 2）施工过程变更施工工艺参数或施工出现异常； 3）场地地质条件复杂的； 4）新桩型或采用新工艺施工的； 5）桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响，难以确定其影响程度； 6）设计单位认为必须通过静载试验确定单桩竖向抗压承载力的工程或具体桩位； 对于预制桩，处上六款规定之外，还应包括“引孔法”施工的预制桩。 对于以上几种情况以外的预制桩和满足高应变适用检测范围的灌注桩，可采用高应变法 进行单桩竖向抗压承载力验收检测。 对已进行为设计提供依据静载荷试验、且具有高应变检测与静载荷试验比对资料的桩基 工程，可采用高应变法。 抽检数量：不应少于同条件下总桩数的5%，且不得少于10根。(省规)（国标里不得少 第21卷第2期机 械 强 度V o l.21N o.2 1999年6月JOU RNAL O F M ECHAN I CAL STR EN GTH June1999 应变梯度理论的新进展(一)Ξ ——偶应力理论和SG理论 RECENT AD VANCES IN STRA IN GRAD IENT PLAST I C IT Y- ——Couple stress theory and SG theory 黄克智ΞΞ 邱信明 姜汉卿 (清华大学工程力学系,北京100084) Hw a ng Ke hchih Q iu X inm ing J ia ng Ha nq ing (D ep a rt m en t of E ng ineering M echan ics,T sing hua U n iversity,B eij ing100084,Ch ina) 摘要 介绍两种应变梯度塑性本构模型:CS应变梯度塑性理论——偶应力理论、SG应变梯度塑性理论。并对它们在断裂力学中的应用进行了评述。给出一种考虑可压缩性的方法,并根据这种模型用薄梁弯曲的例子给出了可压缩性的影响。本文的讨论虽限制在形变理论范围内,但按照相应的方法也可以得到流动理论的形式。 关键词 应变梯度 塑性 偶应力 高阶应力 断裂 中图分类号 O344 Abstract In the paper tw o k inds of fram ew o rk of strain gradien t p lasticity recen tly developed and their app licati on s are review ed:strain gradien t p lasticity fo r CS so lid——the coup le stress2theo ry,strain gradien t p lasticity fo r SG so lid. T he app licati on s are m ain ly focu ssed on the fractu re p rob lem s.O ne w ay of accoun ting fo r m aterial comp ressib ility is suggested.T he review is confined to the defo rm ati on theo ry versi on,though the flow theo ry versi on can be parallelly con structed. Key words stra i n grad ien t,pla stic ity,couple stress,h igher-order stress,fracture 1 引言 新近的试验表明,当非均匀塑性变形特征长度在微米量级时,材料具有很强的尺度效应。例如F leck 等[1]在细铜丝的扭转试验中观察到,当铜丝的直径为12Λm时,无量纲的扭转硬化增加至170Λm直径时的3倍;Sto lken和Evan s[2]在薄梁弯曲试验中也观察到当梁的厚度从100Λm减至1215Λm时,无量纲的弯曲硬化也显著增加;而在单轴拉伸情况这种尺度效应并不存在。在微米量级的尺度下微观硬度试验与颗粒增强金属基复合材料中也观察到尺度效应,当压痕深度从10Λm减至1Λm时,金属的硬度增加一倍[3～7];对于以碳化硅颗粒加强的铝-硅基复合材料,L loyd[8]观察到当保持颗粒体积比为15%的条件下,将颗粒直径从16Λm减为7.5Λm后复合材料的强度显著增加。 由于在传统的塑性理论中本构模型不包含任何尺度,所以它不能预测尺度效应。然而,在工程实践中迫切需要处理微米量级的设计和制造问题,例如,厚度在1Λm或者更小尺寸下的薄膜;整个系统尺寸不超过10Λm的传感器、执行器和微电力系统(M E M S);零部件尺寸小于10Λm的微电子封装;颗粒或者纤维的尺寸在微米量级的先进复合材料及微加工。现在的设计方法,如有限元方法(FE M)和计算机辅助设计(CAD),都是基于经典的塑性理论,而它们在这一微小尺度不再适用。另一方面,现在按照量子力学和原子 Ξ ΞΞ黄克智,男,生于1927年7月,江西南昌人,汉族。中国科学院院士,工作于清华大学工程力学系(100084),破坏理论与塑性本构研究室教授、博士生导师。1947年毕业于江西中正大学,1952年清华研究生毕业,我国固体力学专家。清华大学工程力学研究所所长,国务院学位委员会力学评议组召集人,远东与大洋洲断裂学会执委,国际理论与应用力学联合会理事,国际材料力学行为学会常委。长期从事断裂力学理论及应用,包括材料强韧化理论,宏细观断裂力学,应变梯度与尺寸效应,断裂力学在核容器与管道工程中的应用;材料本构理论,包括材料大变形本构理论,具有相变情况的本构理论,形状记忆合金、铁电材料等本构关系等科学研究。曾主持了7项国家重大科研项目。作为第一获奖者曾获国家自然科学三等奖、国家教委科技进步一等奖等11项国际、国家与部委级奖励。此外参加获得国家自然科学三等奖、国家教委科技进步一等奖等4项奖励。已出版5部专著,在国内外学术刊物与会议上发表论文190余篇。 19990127收到初稿,19990423收到修改稿。国家自然科学基金重大项目(19891180) 资助 桩基高应变完整性检测 引言 基础工程是建筑工程的主要组成部分，地基质量直接关系到整个建筑物的机构安全，直接关系到人民生命财产安全。桩基础是主要的基础形式之一，随着高层建筑的层高增加，结构体型复杂、层数相差悬殊的建筑以及地下空间的开发利用越来越广泛，桩基础是许多高层建筑的首选或必选基础形式。而桩基础单桩承载力的测试是保证桩基隐蔽工程的重要保证之一。而高应变检测结合了低应变检测和静载荷实验的功能，既能检测桩基的完整性，又能检测桩基的承载力，高应变检测方法填充了静载荷实验的缺点。 技术原理 高应变检测的目的是检测工程桩的竖向抗压承载力和桩身结构完整性，并对桩基的质量进行评价。其基本原理是：用重锤冲击桩顶，使桩—土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端承载力，通过安装在桩顶以下转身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号，应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线，从而判断桩的承载力和评价桩身质量完整性。 由于应力波在其沿着桩身的传播过程中将产生十分复杂的透射和反射，因此，将桩身运动的各种应力波划分为上行波和下行波。由于下行波的行进方向和规定的正向运动方向一致，在下行波的作用下，正的作用力（压力）将产生正向的运动，而负的作用力（拉力）将产生负向的运动。上行波则正好相反，上行的压力波将使桩产生负向的运动，而上行波的拉力则产生正向的运动。 由于锤击所产生的压力波向下传播，在有桩侧摩阻力或桩截面突然增大处会产生一个压力回波，这一压力回波回到桩顶，将使桩顶处的力增加，速度减少。同时，下行的压力波在桩截面突然减少处或有负摩阻力处，将产生一个拉力回波，将使桩顶处的力减小，速度增加。通过这一基本概念就可在实测的力波曲线和速度曲线中根据二者变化关系来判断桩身的各种情况。 一、提名项目：考虑非均匀结构效应的金属材料剪切带 二、提名意见： 该项目以颗粒增强金属基复合材料和非晶合金为模型系统，突破经典的热塑剪切带理论框架，发展了位错机制依赖的应变梯度本构，揭示了蕴含的非均匀结构通过应变梯度效应对热塑剪切带形成具有强烈驱动作用；建立了包含多过程耦合与时空多尺度的剪切带新理论，澄清了非晶合金剪切带形成机制长期广泛的国际争议，得到了剪切带失稳判据、协同演化、特征厚度以及诱致断裂机理等一系列原创性成果。 该项目8篇代表性论文共被《Nature Materials》、《Physical Review Letters》、《Progress in Materials Science》等SCI重要刊物他人引用393次，引用者包括国内外科学院或工程院院士、权威杂志主编、领域知名学者等。项目研究成果系统揭示了材料内禀非均匀结构效应如何影响甚至颠覆热塑剪切带的传统认知，显著推动了剪切带理论的发展，在国际上产生了重要的学术影响。 提名该项目为国家自然科学二等奖。 三、项目简介 剪切带是一类广泛存在的塑性变形局部化失稳现象。本征上，具有特征厚度的剪切带是一种远离平衡态的动态耗散结构，其涌现与演化是材料内部多种速率依赖耗散过程高度非线性耦合控制的时空多尺度问题。传统金属材料剪切带经百余年研究，逐渐形成了以热软化为主控机制的热塑剪切带理论，并获得了广泛的应用。随着人们对高性能材料的不懈追求，众多内蕴微纳尺度非均匀结构的新型金属材料不断发展，其中代表性的有微米尺度颗粒增强的金属基复合材料和纳米尺度结构非均匀的非晶合金。由于不考虑材料结构效应，经典热塑剪切带理论在描述这些新型金属材料的剪切带行为时，遇到了前所未有的挑战。为此，该项目团队以颗粒增强金属基复合材料和非晶合金为模型材料，研究了材料内禀的非均匀结构效应如何影响甚至颠覆热塑剪切带的传统认知，显著推动了剪切带理论的发展，形成了具有鲜明特色的系统性的原创研究成果。主要发现点如下： （一）、发展了颗粒增强金属基复合材料应变梯度依赖的热塑剪切带理论。实验发现微尺度增强颗粒对金属基复合材料塑性变形具有强化和剪切带软化“正、反”尺寸效应，通过发展计及应变梯度效应的热塑剪切带理论，揭示了颗粒尺寸作为内禀结构效应对金属基复合材料热塑剪切带形成具有强烈驱动作用； （二）、建立了内蕴非均匀结构效应的非晶合金剪切带新理论。构建了非晶合金自由体积－热－粘塑性剪切流动的理论框架，得到了具有明确物理内涵的剪切带失稳判据和特征厚度的解析表达，揭示了非晶合金剪切带形成的结构软化主控、热软化辅助的新机制，阐明了多重剪切带协同演化动力学规律；基桩高应变拟合方法的计算原理
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