复杂应力状态下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响

将Terzaghi(太沙基)有效应力原理引入到饱和混凝土力学性质的研究中,探讨复杂受力环境下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响机制,建立了符合混凝土材料自身微结构特点的有效应力原理表达式,推导出三向一般应力状态下的孔隙水压力系数公式,用其预测不同围压下混凝土的抗压强度,并在应力空间压子午面内定量描述干燥混凝土及饱和混凝土基体真实应力加载路径的变化,所得到的趋势与试验结果相吻合.研究表明:孔隙水压力的存在改变了混凝土基体真实应力在应力空间的加载过程,从而改变了混凝土材料应力达到峰值时所对应的抗压强度;与干燥混凝土相比,准静态工况下饱和混凝土在各种应力状态下的抗压强度均有所降低,且受初始静水压力、孔隙率及加载路径的影响.从基体真实应力的角度揭示了复杂应力状态下孔隙水压力对饱和混凝土抗压强度的影响机理.     

变幅波浪荷载下饱和南京细砂残余孔隙水压力特性

 利用空心圆柱扭剪仪,针对相对密度Dr = 50%的饱和南京细砂,进行三向非均等固结状态下的竖向–扭转耦合加载试验,并通过分级加载较为真实地模拟变幅波浪荷载的作用。分别考察初始主应力方向角、初始偏应力比、初始中主应力参数对残余孔隙水压力与累积损失能量关系的影响,结果表明：在相同累积损失能量下,残余孔隙水压力随着初始主应力方向角及初始偏应力比的增大而减小;随着初始中主应力参数的增大而增大。并初步建立残余孔隙水压力与归一化累积损失能量之间的经验公式。     

基于三向应力监测装置的地应力测量方法研究

地应力的大小和方向决定着地下煤岩体的形变及稳定性,研究地应力实时测量技术对于煤岩动力灾害监测具有重要意义。基于此,研发基于静水压原理的三向应力传感装置,对该装置的应力传感性能进行测试分析,并分析了三维地应力解算公式;在平顶山首山煤矿安装两套应力传感器,测量并求解测点的三维地应力大小及方向。研究结果表明:装置感应应力与实际加载应力呈线性对应关系,相关系数R=0.989 57,并且三向应力感应相互独立;首山一矿最大主应力为22.86 MPa,方位角为140°,倾角2°,地应力以水平应力为主,侧压系数为1.22,属于典型的构造应力场,实测结果与前人研究结果相吻合。研究表明该装置和方法能够较为准确的测量地应力大小及方向,测量方法简单便捷,具有工程应用前景。     

长期反复荷载作用下软黏土地基的变形特性

软黏土地基在长期反复荷载作用下容易产生变形大、沉降时间长且难于预测等问题。针对该问题,通过太沙基一维固结理论,求解了矩形及梯形反复荷载作用下软黏土地基的一维固结解析解;利用ABAQUS有限元软件,提出了一种反复荷载作用下软黏土地基长期固结变形的数值分析预测方法。利用该方法结合工程实例详细分析了反复荷载下软黏土地基沉降、孔隙压力和有效应力及孔隙比等随时间的长期发展变化规律,发现沉降量与反复荷载的水平加载段时间成正比;孔隙水压力的最终发展趋势是围绕0值上下波动;有效应力随着加载次数逐渐增加;孔隙比的变化与土层深度、加载大小与加载次数有关,并将不同荷载类型下的模拟值、理论值和实测数据进行了分析比对,发现等效的反复荷载下的沉降曲线与实测值吻合较好。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

土的自适应应力认识与研究

设计了一种0K状态不同等应变或等应力速率连续对土样轴向加载的单轴固结试验方案,该试验方案可让土样同时经受不同荷重率、应力历时、应力路径、应力历程的作用。经过对重塑饱和黄土的单轴连续加荷、三轴连续加荷、分级加荷单轴固结试验研究,结果表明:若定义土在单轴压缩不同侧向约束条件下反应的侧压力为自适应应力;单轴侧限压缩试验主动施加的竖向压力与实测的侧向土压力之差为土的自适应剪应力,除了不受孔隙水压力的影响外,更重要的是,实测与分析结果证明,土的单轴侧限压缩应变量与自定义的自适应剪应力具有唯一的影响关系。     

基于能量法的尾矿土动孔压模型研究

通过应力控制式动三轴不排水循环剪切试验,对饱和尾矿土在循环应力比、轴–径向固结应力比等因素下孔隙水压力与累积能量耗散关系进行研究。研究结果表明孔隙水压力增长与塑性应变累积能量耗散和土体黏滞累积能量耗散密切相关。当循环应力比cR介于0.205~0.238、轴–径向固结应力比cK介于1.0~1.3时,孔隙水压力–能量之间存在临界状态。通过非线性回归分析初步建立了循环应力比和轴–径向固结应力比条件下饱和尾矿土的孔隙水压力能量模型,从变化机理上阐述孔隙水压力的变化规律并消除了周次的不确定性对于孔隙水压力模型的影响,对预测循环荷载作用下饱和土的孔隙水压力具有借鉴意义。     

路用光纤光栅温度传感器标定方法对比分析

路用光纤光栅温度传感器的温度灵敏度受其所测试的介质影响,对其进行试验标定是实现沥青路面绝对温度准确测试的前提条件.首先分别基于水浴和沥青混凝土试件环境对光纤光栅温度传感器波长飘移进行实测,获得反射波长与温度的对应关系;而后通过试验数据的线性回归分析,得到不同介质环境下光纤光栅温度传感器的标定公式,并对比分析同一传感器在水浴和沥青混凝土试件中的温度传感特性及差异产生的原因.结果表明：同一传感器在不同介质环境中的温度灵敏度是不同的,基于沥青混凝土试件环境的传感器标定方法更符合工程实际,具有一定的实用价值.     

水–岩石相互作用力学参数的探讨

 水–岩石相互作用是一个非常复杂的过程,鉴于水对裂纹的强敏感特性,利用这种特性探讨岩石的一些基本物理力学性质。现行广泛采用的试验方法有真、假三轴试验,通过分析试验理论和加载测量技术,提出真、假三轴试验在无水压力和有水压力条件下,各自试验可以获得的力学参数个数;指出假三轴试验适合于研究各向同性材料,给出以六面体试件(5 cm×5 cm×10 cm)实施假三轴试验可以研究孔隙介质材料各向异性力学特性的观点。利用水压力卸载对孔隙介质材料力学特性影响较小的特点,提出以水压力卸载试验确定各向异性Biot系数理论和试验方法及相应力学参数的观点。试验结果表明,各向异性Biot系数在不同方向的变化趋势也不相同;利用水–岩石相互作用特征,提出一种新的确定岩体石屈服极限应力的方法,即以偏应力与水压力关系曲线水压力最大值所对应的偏应力为屈服极限应力。试验结果显示,Skempton系数分散性较大,在注水和非排水试验中,水压力的作用机制也不尽相同。这种研究对损伤力学和土木工程实践具有重要意义。     

脆性孔隙介质内的结晶应力

盐、水在岩石类脆性介质孔隙内结晶并对壁面产生的结晶压力作用是宏观上介质风化、冻融破坏形成的重要因素之一。将真实介质内的孔隙系统简化为各自相互贯通的理想球体、圆柱体、椭圆柱体及椭球体,并结合孔隙数量(体积)与孔径间的数学统计分布关系,提出了4种非均匀孔隙系统模型。在此基础上结合准平衡状态下非均匀孔隙系统的结晶规律、理想形态孔隙结晶压力理论及孔隙结晶应力的均化算法,推导了结晶过程中这四类模型的宏观"均化应力"计算方法和公式。以非均匀球状孔隙系统内NaCl结晶为例,探讨了宏观三向"均化应力"随结晶入侵半径(对应于孔隙溶液浓度)变化的发展演化规律。     

基于应力–应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法

 脆性是岩石的一种重要性质,岩石的许多力学行为都与其脆性有关。总结现有的基于强度、应力–应变曲线、加卸载试验、硬度、矿物成分等脆性指标,并详细分析这些指标在评价岩石脆性时的局限性。为合理、准确评价岩石的脆性程度,提出一种建立在应力–应变曲线峰后应力降的相对大小和绝对速率基础上、能够考虑岩石塑性屈服特性和应力状态影响的新的脆性指标,并开展单轴和三轴压缩实验对新指标进行检验。试验结果表明：水泥砂浆和大理岩脆性程度均随围压增大而减小,相同应力状态下大理岩脆性程度均大于水泥砂浆,这与二者实际脆性程度相符;单轴试验条件下灰岩、大理岩、花岗岩和红砂岩的脆性程度依次减小,破坏时的轴向应变逐渐增大,这与“应变越低脆性程度越大”吻合。试验结果可很好地验证该脆性指标的可靠性,研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性特征评价方法具有重要意义。     

压力型锚索承载板前砂浆体破坏机制试验研究

压力型锚索承载板前砂浆体抗压承载力是影响压力型锚索整体有效性的重要因素之一。为了研究砂浆体的强度,设计了一个自适应多向应力加载装置,在单向试验机上按实际受力条件模拟了锚固砂浆体的受压破坏过程。带孔圆柱形砂浆体的配合比、尺寸和开孔基本按实际条件制作,根据相关理论和试验研究,确定了试件侧表面上正应力和剪应力的取值范围,以此为依据对受压试件施加侧向正应力和剪应力,得到了多组试件的抗压强度和应力应变关系,分析了试件的破坏形态。试验结果表明,砂浆体在侧向压力和表面剪应力共同作用下,其受力情况比单轴条件下更好,抗压强度有明显提高,提出了经验公式用于计算这种有利作用。公式的预测结果与现场试验结果进行了对比,提出了岩石强度与侧向压力对应关系的建议。     

二维应力作用下岩石单裂隙渗流规律的实验研究

在对人工充填砂裂进行剪切实验的基础上，分析了剪应力和法向有效应力作用下裂隙岩石的渗流特性，并提出了二维应力作用下裂隙岩石渗流模型，即剪应力和法向有效应力耦合作用下的渗流公式。     

长期荷载作用下水泥乳化沥青砂浆的徐变特性

连续测试了加载3a的水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)徐变,分析了应力水平对其徐变和徐变度的影响以及徐变后CA砂浆的力学性能与孔结构.结果表明:CA砂浆徐变速度远大于普通混凝土,应力水平为0.5时CA砂浆10d的徐变速度为普通混凝土的3~4倍,且徐变度是普通混凝土的几十倍;应力水平对CA砂浆的徐变有严重影响,在低应力水平下,徐变在300d后几乎不再增长,而高应力水平下,徐变在后期仍增加明显;徐变后的CA砂浆强度有所提高;Ⅱ型CA砂浆变形能力有明显退化,Ⅱ型CA砂浆的长期承载力仅为其抗压强度的40%左右;徐变使CA砂浆孔结构发生变化,应力水平对孔结构演化有较大影响,这可能与长期荷载作用下沥青黏性流动、界面滑移和水的迁移等有关.     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

双向受压岩石在扰动荷载作用下致裂特征研究

 采用频率为2 Hz,幅值分别为6,10,14,18和22 MPa的正弦疲劳荷载作为动力扰动,来研究受双向静荷载并达到极限屈服状态的岩石在动力扰动荷载作用下致裂破坏的力学特性。试验结果发现：双向静载屈服状态红砂岩试件在动态周期荷载作用下,疲劳寿命明显短于在弹性阶段进行的疲劳测验的寿命。试件的疲劳寿命离散性较大,即使在同一动载幅值下也表现出很大差异,但相同应力幅值下最终破坏点处的变形量却基本相同,并且随着动载的幅值的增大而减小。研究还显示：具有相对较长疲劳寿命的试件的轴向变形量与循环次数(或时间)的关系曲线呈现出明显的3个阶段特性,其变化趋势与岩石蠕变曲线基本相同。岩石的最终破坏是由3个阶段的疲劳损伤累积所致,各阶段变形量占总变形量的比例、破坏模式和块度分布均与受到的动载应力幅值有关。     

循环荷载作用下石膏质岩的疲劳特性试验研究

 利用MTS 815岩石力学测试系统、声发射系统、环境扫描电镜开展石膏质岩循环荷载作用下的疲劳试验,探讨循环荷载条件对其疲劳损伤特性的影响。结果表明：石膏质岩循环荷载作用下的疲劳损伤特征明显,塑性特性显著。其疲劳试验的应力–应变全过程曲线具有如下形状特征：加载曲线可分为“近线性”的弹性特征段和“呈压扁状”的塑性特征段,塑性特征段滞后效应明显,卸载曲线呈现近线性特征。循环荷载条件对石膏质岩疲劳损伤特性影响显著,疲劳试验过程的声发射信息演化规律及微观结构变化特征能够较好地揭示其疲劳损伤演化过程及宏观破裂特征：循环应力水平高、上限应力大、加载频率低,疲劳试验的应力–应变全过程曲线越饱满疏松、加卸载的滞回环面积越大,声发射信息越强烈而集中、声发射率指标越高,试样的疲劳损伤速率快,每次循环产生的塑性应变量大,微观结构越破碎,试样的疲劳寿命越短。     

压力分散型锚索单元锚体间的应力影响

压力分散型锚索中作用在各单元锚体上的应力会相互影响,应力影响表现之一是在荷载传递方向会出现应力叠加现象。应力叠加程度因孔壁岩体对注浆体的侧向变形约束力的强弱而不同,坚硬岩体中这种约束力较强,应力叠加现象不显著,软弱岩体中这种约束力较弱,应力叠加现象较为显著。其二,这种影响还表现在承载体处诱发了拉应力,即张拉荷载通过承载体的承压板给单元锚体施加压力的同时,也给相邻锚体施加了拉力。该拉应力若达到了该处材料的抗拉强度,会在该处出现张拉裂纹,对锚索防腐不利。为克服应力影响对工程的危害,建议在坚硬岩体中优化单元锚体长度,以免出现张拉裂纹;在软弱岩体中应根据应力叠加效应最严重的单元锚体上的应力来验算浆体强度,以避免浆体的受压破坏,并控制剪应力在浆–岩界面的容许抗剪强度范围内。     

主应力方向对围岩稳定性的影响

采用模型试验和数值模拟方法研究了在不同方向的主应力作用下,直墙拱形隧道的围岩损伤破坏规律,考虑了隧道内含有裂纹和不含裂纹两种情况,利用水泥砂浆制作了直墙拱形隧道模型,并利用有机玻璃光弹试验对无裂纹隧道的试验结果加以验证;数值模拟采用混凝土损伤塑性模型,计算出隧道周边各点的应力,而对于含有裂纹的隧道计算了裂纹尖端的无量纲应力强度因子Y_Ⅰ和Y_Ⅱ,与模型试验结果吻合较好。结果表明：对于无裂纹的隧道,当主应力方向与隧道垂直边墙的夹角=45°左右时,隧道的抗压强度最低;对于带裂纹的隧道,当裂纹与垂直边墙的夹角=130°时,裂纹尖端无量纲应力强度因子Y_Ⅱ最大,其隧道强度最低;对于含有裂纹且=130°的直墙拱形隧道,当主应力方向与隧道垂直边墙的夹角较小时或在70°左右时,隧道的抗压强度最低。