循环荷载下胶凝砂砾石材料的滞后及阻尼效应

为探求胶凝砂砾石(CSG)材料在动荷载下的力学特性,通过大型动三轴仪进行了等幅循环加载试验,分析了CSG材料的非线性滞后特性和阻尼比的演化规律.结果表明:加卸载过程中阻尼效应的差异引起了应力-应变曲线的不同步,在加载阶段,应变相位可能超前于或滞后于应力相位,两者相位差与循环次数有关;卸载阶段的应变相位始终滞后于应力相位;整个循环过程始终存在残余变形,从而使滞回环表现为下部不闭合的新月形;随着循环次数的增加,应变相位滞后于应力相位的程度和残余变形均呈大—小—大的趋势.基于新月形滞回环不闭合的特点,根据能量原理讨论了阻尼比的计算方法和演化规律,发现阻尼比的大小取决于残余变形和滞回环面积的大小,演化曲线呈U形.     

循环荷载作用下岩石阻尼特性的试验研究

对2组红层泥质粉砂岩在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行单轴4级循环加卸载试验.试验加载波形采用正弦波,频率3 Hz,循环应力幅值小于其平均抗压强度,单级应力幅值为30个振动循环,得到动弹性模量和阻尼比随动应变的变化规律.通过试验发现,泥质粉砂岩在循环荷载作用下的加卸载应力-应变曲线并不重合,而是形成一个封闭的滞回环,动应变相位始终滞后于动应力相位;滞回环在荷载反转处并非椭圆形,而是尖叶状,在该处岩石的塑性变形小,弹性变形响应迅速.随动应力幅值增加,泥质粉砂岩的动应变增加,动弹性模量随动应变增加线性递减,而阻尼比则线性递增.得到2组泥质粉砂岩的平均动弹性模量和阻尼比与动应变的相关表达式,其相关系数的平方R2均超过98%.岩石的不可逆塑性变形随动应变增加而增大,同时由循环荷载引起的损伤变形也逐渐增加.     

循环荷载下冻土的滞回圈演化规律

对-1℃的冻土试样在频率5 Hz的循环荷载下进行了单轴压缩试验,探讨了冻土在循环荷载下的滞回圈演化规律。结果表明：累积应变与循环次数的关系曲线可分为破坏型和稳定型。对于破坏型曲线,循环过程中滞回圈表现出从稀疏—紧密—略微稀疏的变化特征,滞回圈的不闭合程度和面积都呈现出从大—小—略微变大的特征;对于稳定型曲线,循环过程中滞回圈表现出从稀疏—紧密的变化过程,滞回圈的不闭合程度和面积整体上看都比较小,且有逐渐变小的趋势。无论破坏型还是稳定型曲线,各个循环的卸载段始终表现出应变滞后于应力;对于破坏型曲线,初始循环的加载段应变滞后于应力,到一定循环次数后应变基本与应力同步,滞回圈呈柳叶型;对于稳定型曲线,初期循环的加载段应变基本与应力同步,到一定循环次数后应变超前于应力,滞回圈呈新月型。最大动应力越大,滞回圈的面积越大,每个循环中的能量耗散越多,试样越容易破坏。     

循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨

 对取自一拟建核电站地基的细砂岩,在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行低周循环荷载试验,研究循环荷载下细砂岩的纵横向变形特征,探讨循环荷载周次及动应力幅值对细砂岩动弹性模量、动泊松比、阻尼比和阻尼系数的影响,及与其相互关系。结果表明,相同应力下纵向应变高于横向应变;低幅值应力下,随循环荷载周次增加,纵向应变增量高于横向应变增量,但高幅值应力下则相反;横向应变滞回环的卸载阶段应力–应变曲线与纵向应变滞回环的加载段和卸载段均表现出向下突出的变化特征,但横向应变滞回环的加载段则相反;随动应力幅值增加,细砂岩动弹性模量和动泊松比分别呈抛物线递增和线性递增,阻尼比和阻尼系数均按幂函数律递减,由第16周次动应力滞回环得到的阻尼参数可表征测试岩石的阻尼特征;阻尼比和阻尼系数均随循环荷载周次增加线性递增,对应低幅值动应力下的增量大于高幅值动应力下的增量。     

岩石非线性阻尼滞后响应特性研究

通过储层岩样的多重和多级循环加载试验,结合理论分析,研究岩石的非线性阻尼滞后特性。试验结果表明:(1)卸载阶段,应变相位滞后于应力相位;而在加载阶段,应变相位可能超前、相等或滞后于应力相位。(2)多级循环加载过程中,应力–应变曲线的外部循环双向弹性模量、内部小循环单向弹性模量以及动态弹性模量是不同的,并表现出较强的非线性。(3)不同应力条件下,波形尤其是尾波波形会发生变化,为采用尾波干涉进行波速检测提供基础。(4)多级循环加载下相同应力段的小循环具有较好的一致性,而阻尼效应的存在使小循环回到大循环处存在跳跃,小循环应力加、卸载转换点不能很好地记忆。通过分析弛豫机制、黏性阻尼机制以及塑性变形效应,并结合PM模型,研究不同机制对于PM空间密度分布的影响,表明理论分析能够给出与试验结果吻合较好的结果,较好地解释了试验结果。岩石准静态循环加载条件下非线性阻尼滞后响应特性的研究对研究地震波的动态响应特性和探索响应机制是有益的。     

岩石的非线性弹性滞后特征

由岩石缺陷（裂隙、微结构和颗粒接触面等）引起的在应力-应变关系测量中偏离胡克定律的非线性弹性滞后行为，是普遍存在的；应力与轴向应变或径向应变之间存在着滞后，轴向应变与横向应变之间也存在滞后。通过实验得知，在加卸载阶段弹性模量随应变变化趋势各不相同，导致瞬时弹性模量与应变成不对称蝴蝶结形；以3种不间黏滞系数的孔隙液体饱和的合肥砂岩、自贡长石砂岩和大理大理岩，分剐进行不同频率的循环加载实验，获得随孔隙流体黏滞系数增大，蝴蝶结形张角增大，滞后增强，随频率增高，弹性模置增大。提出以蝴蝶结形张角的大小来定量度量滞后的程度，并将蝴蝶结张角与度萤衰减的耗散角进行了对比研究。蝴蝶结张角和耗散角的值均随饱和流体黏滞系数的增大而增大，滞后增强，滞回圈面积增大，衰减增大；随正弦波频率提高，蝴蝶结张角、耗散角增大，弹性模量增大，弹性模量的频散增强。在同一岩石中蝴蝶结张角和耗散角随孔隙液体黏滞系数和加载频率的变化规律与以往其他实验的结果是一致的。蝴蝶结张角与耗散角在衡量滞后方面具有同等价值，但二者的数值并不相等，对二者在滞后的物理机制和滞后定义方面的意义进行讨论。     

循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析

 以RMT–150C岩石力学测试系统为平台,进行不同应力水平和加载速率条件下不同种类岩石材料的循环载荷试验。在对加、卸载应力–应变曲线进行分区的基础上,定义卸载过程中的能量消耗率,探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化,同时定量分析弹性模量,泊松比和残余应变等变形参数的变化规律。研究结果表明：应力水平、加载频率越高,岩性越强,则滞回圈的面积,加载过程中做的功,卸载过程中释放的弹性能越大,岩石越软,能量消耗率越高;岩体未到达峰值抗压强度前,应力水平越高,弹性模量就越大,这说明在岩体抗压强度范围内,越高的载荷下,空隙和微缺陷被压密后,岩体相同载荷增量下的变形能力明显减弱。同时分析认为：频率升高到一定程度会导致疲劳强度的降低。整体而言,岩石轴向及横向相对残余应变均随着循环次数的增加而逐渐减小。     

应变控制下舟山岱山海相软土动弹性模量及阻尼比试验研究

 为探究舟山岱山海域海底岩土地质层动力学特性,借助GDS动三轴系统对应变控制循环荷载作用下舟山原状海相软土动弹性模量和阻尼比变化规律进行研究。得到舟山岱山海相软土动应力、动应变、动孔压时程曲线以及应力–应变关系曲线,讨论各围压下动弹性模量和阻尼比随动应变幅值的变化趋势。结果表明：舟山岱山海相软土的应力–应变关系曲线为不完全封闭的滞回圈;循环加载过程中土样发生应变软化;同级加载下动弹性模量和阻尼比数据点围绕某恒值作小幅波动,故可采用代表该恒值的均值来表征该级加载下的动弹性模量和阻尼比,由此所得的各围压下动弹性模量–动应变幅值、阻尼比–动应变幅值关系曲线呈收敛趋势;由修正Hardin-Drnevich (H-D)模型建立的应变控制下舟山岱山海相软土动弹模及阻尼比归一化模型可揭示深海环境中海相土受围压影响的动力学机制。将共振柱试验结果与动三轴研究作比较,得到结论：两类试验成果可以互为补充,前者可揭示海相土的弹性特征,后者可反映海相土弹塑性阶段的动力学特性;舟山岱山海相软土在两类试验中均对围压敏感。     

循环荷载作用下花岗岩动力特性试验研究

 通过在RMT–150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机对取自海南昌江核电厂一期工程常规岛的微风化和中风化黑云母花岗岩进行单轴压缩变形试验和循环加卸载试验,研究花岗岩动应力–动应变曲线滞回特性和动弹性模量与阻尼比同弹性模量之间的规律,并利用广义开尔文流变模型来描述循环荷载下花岗岩的滞回曲线和能量损耗情况。研究结果表明：花岗岩在循环荷载作用下的加卸应力–应变曲线形成滞回环,随着循环数的增加,滞回环向轴向应变增大的方向移动,且越来越密集;花岗岩的滞回环面积和最大弹性应变能都随弹性模量的增加而减少,而动弹性模量则相反,阻尼比先随弹性模量的增大而增大,达到一峰值后,随弹性模量的增大而减少;广义开尔文模型可以较好地描述花岗岩的滞回曲线和能量损耗情况。研究成果对海南昌江核电厂地基的地震反应分析和场地安全性评价有着重要的参考意义。     

饱和黏土动剪切模量与阻尼比的试验研究

针对饱和黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,通过不固结不排水条件下的循环扭剪和竖向-扭转耦合试验,着重探讨了大应变情况下分级加载历史和循环应力耦合对动剪切模量与阻尼比等动力特性的影响。对试验结果的分析表明:采用多个试样单级加载与采用一个试样分级加载试验得到的初始骨干曲线、动剪切模量与阻尼比都较为一致,采用分级加载试验测定动剪切模量与阻尼比是可行的;耦合循环应力中的轴向偏差应力对扭转向应力-应变滞回圈的倾斜程度及动剪切模量与阻尼比都有显著影响,尤其当扭转向循环剪应力较小时,可以认为轴向偏差应力的大小控制着动剪切模量的增大量,受扭转向剪应力的影响,轴向应力–应变滞回圈的变化模式较为复杂。     

双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼变化规律试验研究

 通过GDS双向动三轴系统对双向激振循环荷载作用下饱和软黏土的动模量与阻尼变化规律进行研究。结果表明：随着径向循环应力增加,孔压比增加,双向激振对孔压的影响仅限于对初始孔压的提高,且初始孔压提高的幅度近似与径向循环应力相等;双向激振对门槛循环应力比的影响不明显;径向循环应力对动模量与阻尼的变化规律有显著的影响,在动应变一定的情况下,随着径向循环应力比的增加,动模量降低,阻尼比增加。随着径向循环应力的增加,小应变弹性模量随之减小,且近似与径向循环应力比成线性关系,据此实现了Hardin公式的修正,建立了双向激振下小应变弹性模量经验模型。径向循环应力及围压对 及 关系曲线影响不明显,通过对双曲线型模型修正,建立双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼随动应变变化的经验模型。     

循环加、卸载孔隙水压力对砂岩变形特性影响实验研究

 利用MTS815岩石力学实验系统对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验。结果表明：压密阶段的加、卸载曲线中出现了很多“Z”状的波动,这些小波的出现没有规律性,初始残余变形比较大,还没有形成明显的滞回曲线。在弹性耦合阶段稳定滞回曲线加载时,应变呈上凹“Z”状波动,在到达上限值前出现拐点,应变达最大值;卸载时,应变呈下凸“Z”状波动,在到达下限值前出现拐点,应变达最小值,该阶段形成稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,稳定滞回曲线包含弹性变形向塑性变形演化。在孔隙水压力的不同上限值和不同幅值区间的耗散能构成不对称“X”形。在加载段,随着孔隙水压力增大,耗散能逐渐减小;卸载段,随着孔隙水压力减小,耗散能逐渐减小。“X”形的交点出现的位置和夹角与不同上限值和不同幅值区间有关。在循环加、卸载孔隙水压力作用下,残余应变与循环次数的关系符合乘幂负指数关系。     

高速铁路路基粗粒土B组填料大型动三轴试验研究

为研究高速铁路路基粗粒土B组填料的动弹性模量与阻尼特性,进行了大型动三轴试验。结果表明:动应变是影响粗粒土B组填料动弹性模量和阻尼比最主要的因素。随着动应变增大,动弹性模量呈幂指数减小、阻尼比呈S型曲线增加。随着固结围压或加载频率的增加,动弹性模量和阻尼比均增大。随着振动次数的增加,动弹性模量呈减小的趋势,应力水平越低衰减幅度越小。根据试验结果,建立了考虑围压、频率影响的动弹性模量及阻尼比关于动应变的关系模型,为高速铁路路基粗粒土B组填料的动力参数取值提供参考。     

动弹模量阻尼比测试技术与归一化特性研究

动弹模量与阻尼比是土动力分析最基本的力学参数,一般通过较小应变范围的动三轴试验得到,测试技术的可靠性与试验参数求取的准确性是进行抗震安全性评估的关键。通过室内动三轴试验,比较了力与位移传感器内置与外置、不同相对位置等因素对滞回圈、动弹模量与阻尼比的影响,提出了针对存在残余变形的不闭合滞回圈的动弹模量与阻尼比的计算方法,比较了频率、围压、固结比等因素对试验成果的影响规律及特征,并在Janbu公式中引入固结比的幂函数影响因子,对不同围压、不同固结比下的动弹模量阻尼比进行了归一化特性研究。研究成果有利于提高国内科研机构在土动力参数测试方面的能力,对抗震工程与科研有积极的参考价值。     

超长循环荷载下轻质混凝土疲劳特性

采用MTS万能试验机对外掺30%体积分数聚苯乙烯颗粒的轻质混凝土试件施加不同频率(5,10Hz)及荷载幅值(30,35,40kN)的超长循环荷载,进行累计2 000×104振次的疲劳试验,研究其动应力-应变滞回曲线形态随振次的变化规律,并计算了对应的阻尼比、动弹性模量等动力学性能.结果发现:与同强度等级的混凝土相比,轻质混凝土阻尼比较大,动弹性模量稍低,表明其吸能效果更好,韧性与抗裂性能也更为优异;轻质混凝土试件在1 570×104振次左右出现了细微裂缝,根据其附近的应力应变关系发现,该试件的阻尼比与动弹性模量在疲劳损伤前后基本保持稳定;提出和验证了轻质混凝土疲劳寿命预测公式,并对其应用于道床的可行性进行了研究.