2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

龙滩工程岩石试件在拉伸条件下的变形特性试验研究

由于试验设备和技术方面的原因,岩石拉伸试验相对于岩石压缩试验要复杂和困难许多。在很多情况下,岩体工程的破坏是从岩石受拉破坏开始的。为测定龙滩工程岩石在张拉破坏条件下的极限拉应变,了解岩石在张拉破坏条件下的应力–应变关系和力学特性,介绍了用直接法测定岩石在拉伸条件下的应力–应变曲线,并对直接拉伸条件下岩石的应力–应变曲线进行了分析。同时,对比了直接拉伸法和劈裂法测定工程岩石力学特性的不同之处。     

岩石扰动流变规律和本构关系的试验研究

根据生产实际情况提出"扰动载荷"和"扰动流变"的概念,简单介绍自主研发的"常载三轴扰动流变仪",并用该仪器和"MTS试验系统"对2种较典型的岩石(红砂岩和软弱泥岩)进行岩石压缩流变、岩石压缩扰动流变和岩石拉伸扰动流变试验。在对试验结果进行分析整理的基础上,得出如下结论:岩石扰动流变的应变远大于同应力下的瞬时应变和流变应变;每一扰动均产生相应的应变突变?ε,且其大小正比于扰动应力幅值?σ和静应力σ,并与变形史有关;每一种岩石都存在一个扰动流变的应力敏感范围。通过对试验结果的数值分析,建立起以应力状态和扰动载荷及时间为自变量的扰动流变本构方程,并用试验数据对其进行验证。开展岩石扰动流变试验与扰动流变理论的研究,可以拓展岩石流变理论和软岩支护设计理论的研究内容。     

应力波作用下三点弯曲梁破坏过程数值模拟

岩石类准脆性材料三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏受应力波加载速率以及应力波峰值的影响。使用新发展的并行RFPA2D-Dynamic数值模拟工具对三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏过程进行了数值模拟,研究了不同加载速率和加载峰值的破坏规律。数值模拟结果与物理实验结果具有较好的一致性。在低加载速率下,三点弯曲梁发生拉伸破坏,且只出现一条裂纹;在较大加载速率时出现多条平行拉伸裂纹;在大加载速率时出现拉伸、剪切复合裂纹。应力波峰值较小时形成单一的拉伸裂纹,而随着加载峰值的提高,形成多条平行拉伸裂纹。     

三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征.卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷(主)方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征.而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张...     

钢骨轻骨料混凝土梁承载能力数值模拟

为更好的分析钢骨轻骨料混凝土构件的变形,采用非对称荷载的加载方式,进行钢骨轻骨料混凝土梁承载能力数值模拟,模拟结果表明:在非对称荷载作用下,梁底部的纵筋在两端约束的位置,由于约束的存在,使得其受拉应力作用,在250mm左右的位置是拉应力最小的地方,压应力相应较大.在梁中部向下弯曲变形,这个部位梁下缘纵筋受较大的拉应力.     

高地应力陡倾层状软岩隧道变形破坏机理分析

为分析高应力陡倾层状软岩隧道变形破坏机理,以新建成都—兰州铁路杨家坪隧道为例,分析隧道变形特征,论述了隧道开挖后围岩应力重分布特点。结合岩石单轴抗压强度试验,分析了层状围岩的强度及变形破坏的各向异性;采用FLAC有限差分软件,进行隧道开挖数值模拟,分析围岩塑性破坏特点,提出高应力陡倾层状软岩隧道变形破坏机理。结果表明:隧道变形以边墙收敛为主,变形量大,持续时间长;平行层面加载强度小于垂直层面加载强度,当平行于岩石层面加载,岩石为拉伸破坏,当垂直于层面加载,岩石为剪切破坏;隧道开挖后围岩按层面剪切—层面拉伸—岩石剪切的顺序发生塑性破坏,浅部围岩三种破坏全部发生,深部围岩主要发生层面的剪切破坏。     

基于超高性能混凝土弯曲拉伸特性的二次倒推分析法

为简便获得超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)的受拉应力-应变曲线,提出考虑剪切变形和曲率分布非线性的二次逐点倒推分析法。基于不同浇注方式的四点弯曲试验梁的荷载-挠度曲线进行了二次倒推分析,并与直接拉伸试验结果及其他倒推法进行了对比。研究表明：①对于剪跨比和高跨比均为1/3的四点弯曲梁,跨中荷载-挠度曲线达比例极限时,剪切变形引起的剪弯挠度比可达24.8%,倒推分析不能忽略;②基于挠度测试的四点弯曲试验,二次倒推分析得到的UHPC材料应力-应变关系近似呈伪应变硬化特性,梁的荷载-挠度曲线比例极限点大致对应直接拉伸应力-应变曲线的线性偏离点;③二次倒推分析法求得的应力-应变曲线总体应力水平高于直接拉伸试验结果,且水平方向浇注的试件应力比垂直方向浇注的高约10%;④相对于其他倒推法,二次倒推分析法得到的本构曲线的应变特征值与直接拉伸试验结果吻合更好,二次倒推分析法用以获得UHPC材料受拉应力-应变关系的可行性较好。     

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。     

钢筋轻骨料混凝土梁受压区极限高度的分析

<正> 一、受压区极限高度的概念和确定方法首先应明确适筋梁最大配筋率的真实含义。为此,以下简述梁的三种破坏状态: 1. 受拉破坏一般是梁的受拉钢筋配筋率较低,在外荷载作用下钢筋首先达到屈服点,当荷载继续增加时,钢筋的应力虽不变,但它产生很大的塑性应变,梁的裂缝宽度和变形明显增大,最后导致梁混凝土受压边缘的应变达到极限压应变而告破坏。国外称此为低筋梁(不同于国内的少筋梁),国内则称此为适筋梁。2. 受压破坏梁受拉钢筋的配筋率较高,在外荷载作     

弯曲试验确定岩石单轴抗拉强度的新方法

岩石的单轴抗拉强度是岩石的一个重要力学参数。四点弯曲试验法是获取岩石单轴抗拉强度的一种间接方法,但四点弯曲试验的传统公式计算出来的单轴抗拉强度往往比实际的单轴抗拉强度大得多,有时甚至是直接拉伸试验抗拉强度的2~3倍。因此,需要对传统公式进行改进,得出新的抗拉强度计算公式,并在四点弯曲试验中获得与实际比较符合的单轴抗拉强度。在岩石拉压模量不同的基础上,考虑岩石破坏前的塑性变形行为,通过弹塑性力学的方法精确地推导出四点式弯曲试验的单轴抗拉强度计算公式,并分析了新的抗拉强度计算公式的结果,获得与实际情形比较符合的岩石单轴抗拉强度。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

Time-dependent tests on intact rocks in uniaxial compression

The influence of strain history on rock specimen deformation during multi-level loading and unloading cyclic uniaxial compression creep tests is studied with a creep testing machine. An experimental data processing method for such creep tests is suggested. The correction formulas to determine the rheological model parameters are derived for the case when load relaxation is considered. Creep and relaxation tests under uniaxial compression on four types of rocks are conducted using an electronic hydraulic servo-controlled stiff testing machine. The creep and relaxation laws of the different rocks are compared. The complete stress–strain curves for red sandstone specimens are obtained at nine strain rates from 2.43×10⁻⁶ to 4.38×10⁻³/s. The effects of strain rates on rock strength and limit strain are discussed. Empirical equations to evaluate the strain rate dependence of rock mechanical properties are presented.     

含孔洞硬岩破坏过程的离散元分析

基于颗粒离散元理论,采用数值试验模拟含孔洞凝灰质砂岩在单轴、双轴和三轴压缩条件下的破坏过程,并从峰值强度、微裂纹数目和能量等角度分析不同加载方式的影响。研究结果表明：无论采用何种加载方式,试样破坏均是从孔洞周边开始的;单轴压缩的孔洞变形与双轴及三轴压缩不同,且在试样侧面中间形成一条明显的贯通拉裂缝;三轴压缩对试样承载能力的提高明显大于双轴压缩,且围压越大,两者对试样承载能力的提高幅度之差越大;双轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而减小,而三轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而增大;应变能的变化过程可以反映试样的破坏过程,其峰值主要受围压影响;耗散能的变化过程可以体现试样破坏过程中细观颗粒的滑移、摩擦程度,其变化规律与加载方式和围压均有关。     

复式钢管混凝土柱-钢梁外加强环板节点滞回性能及核心区变形研究

为了研究复式钢管混凝土外加强环板节点滞回性能及核心区变形场,基于数字散斑方法（DSCM）进行了复式钢管混凝土外加强环板节点低周往复加载试验,对节点的梁柱相对转角变化、核心区受剪性能、节点初始转动刚度以及滞回耗能特性等进行了分析。结果表明：节点弯矩-转角和核心区剪力-剪切变形滞回曲线没有捏拢,呈饱满的梭形,说明节点耗能性能良好;提高环板宽度、锚固腹板加肋和轴压比增大均可提高节点初始转动刚度和节点域抗剪刚度;提高梁柱线刚度比可提高节点的受弯能力、耗能能力和节点域剪切变形能力。节点域剪切变形对复式钢管混凝土柱 钢梁相对转角贡献较大,占比超过30%。测得的核心区剪应变云图分布基本发展为沿对角线对称,后期随着荷载增加,破坏形态为梁端弯曲的试件节点域剪应变发展较缓,而柱端压弯破坏的试件剪应变发展充分,在整个加载过程中,其节点核心区剪应变为梁端弯曲破坏试件的2~3倍。     

矩形钢管混凝土受弯构件材料本构关系与失效判据研究

为了正确评估矩形钢管混凝土(CFST)受弯构件的承载力,提出钢管和核心混凝土材料本构关系的修正模型,建立CFST受弯构件的承载力失效判据。首先,考虑受拉区钢管双轴受拉有利应力状态及受压区钢管双轴拉压不利应力状态,并基于矩形CFST轴压短柱试验数据库,通过回归分析建立约束混凝土峰值应力表达式,在此基础上建立矩形钢管混凝土材料本构关系的修正模型。其次,基于构件承载能力极限状态,并合理考虑受拉区钢管的应变强化段,提出矩形CFST受弯构件的承载力失效判据。最后依据纤维模型法和试验数据库对比分析CFST受弯构件的不同材料本构关系和失效判据的精度及适用性。结果表明,所建立的CFST构件材料本构关系和承载力失效判据能够更加准确地反映矩形CFST构件的抗弯能力,具有更高的计算精度和广泛的适用性。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

Features of compressive failure of brittle materials

Experimental investigations of failure of continuous brittle materials are described for various loading modes: uniaxial compression, bending of longitudinal compressed beams, and multiaxial compression. For all these loading modes, compressive cracks developed under certain conditions. The conditions of their formation are established. The formation of compressive cracks coincided with the limiting state of the system (the peak of failure load). The bearing capacity of the system depended on the material-crushing resistance. Shear failure of continuous brittle materials also took place, but only at post-peak state after a material failure by tensile and compressive cracks.     

巷道/隧道围岩非线性流变数学力学模型及其初步应用

研制了三轴巷道／隧道围岩流变试验台，并进行了多年的试验观测。从岩石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑粘性元件组合模型的岩石非线性流变数学力学模型，在此基础上建立了巷道／隧道围岩非线性流变数学力学模型。应用线性莫尔强度理论将单轴应力极限转换为三轴应力极限，从而由所测的单轴全应力一应变曲线参数来求围岩三轴应变。依据该模型计算的巷道围岩流变值与试验值拟合较好，该模型在预测巷道破坏圈方面得到初步的成功应用。