循环加卸载下节理砂岩宏细观损伤破坏机制研究

为研究节理岩体疲劳荷载条件下累积损伤宏细观力学特征及破坏机制，开展节理砂岩不同上限应力比循环加卸载试验。试验结果表明：(1)随上限应力比增加，节理砂岩滞回圈间距由“疏–密”两阶段转化为“疏–密–疏”三阶段的变化规律。(2)当上限应力比小于0.90时，循环加卸载后节理砂岩单轴抗压强度均有不同程度增高，且随上限应力比增加而呈现先增大后减小趋势，当上限应力比为0.80时，单轴抗压强度最大；当上限应力比≥0.90时，节理砂岩在循环过程中发生破坏，且随上限应力比增加疲劳次数减小。(3)不同倾角砂岩破坏时经历的疲劳次数呈90°>60°>0°>45°规律；通过对比分析循环加卸载后节理砂岩破坏模式，发现不同上限应力比主要影响试样破坏程度，上限应力比越高，破碎程度越大；节理倾角主要影响试样破坏模式，60°和45°节理砂岩试样以剪切破坏为主，90°和0°节理砂岩试样以张拉破坏为主。(4)采用核磁共振(NMR)以及扫描电镜(SEM)测试循环加卸载疲劳损伤后节理砂岩孔隙变化情况以及细观结构特征，发现试样疲劳破坏可分为以“间隙压密填充–黏土矿物破碎–骨架矿物破碎”为主要特征的“减速疲劳–稳定疲...     

温度和应力循环作用下花岗岩力学特性变化规律试验研究

采用多功能岩石高温三轴试验机,对花岗岩试件进行温度上限为100℃～600℃、应力上限分别为各温度下70%和85%单轴抗压强度的温度和应力循环试验,揭示温度和应力循环过程中花岗岩力学特性的变化规律,研究表明:(1)随循环次数增加,花岗岩弹性模量逐渐增大,每次循环加载的上限应变总体呈减小趋势,与应力上限为70%单轴抗压强度相比,应力上限为85%单轴抗压强度时上限应变的降低程度更大;(2)除600℃外,试件经温度和应力循环作用后的单轴抗压强度都大于对应实时温度下的强度值,其中循环温度上限为300℃时,其强度值增幅最大,在循环应力上限为70%与85%抗压强度条件下,增幅分别达到57.1%和50.9%;(3)经温度和应力循环后,花岗岩试件的强度产生明显变化,而峰值应变与实时温度下的峰值应变相差不大,说明从变形条件研究岩石的稳定性比强度条件研究岩石的稳定性更符合试验规律。研究结果对受温度和应力循环作用的深部岩石工程的稳定性研究有一定的借鉴价值。     

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

利用改进的大直径SHPB试验装置,对花岗岩试件进行单轴循环冲击压缩试验,分析花岗岩在循环冲击载荷下的力学特性及能量吸收规律。通过基于Weibull分布的动态统计损伤模型计算岩石的累积损伤,结合试验曲线分析岩石累积损伤的演化规律。研究结果表明：随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的屈服应变增大,峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着冲击次数的增加而增大,且试件破坏前其值增加缓慢,试件破坏时其值急剧增大。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线具有较好的一致性,该模型能反映岩石的强度与应变、应变率的关系。累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大,其增加速率由小变大,试件破坏前累积损伤的增加较为平缓,其主要增量由最后一次冲击破坏产生。     

历经循环荷载历史混凝土动态受压试验研究

为了研究历经不同循环加载历史和不同应变速率对混凝土的动态峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律的影响,进行了混凝土圆柱体试件历经循环加载历史后,在应变速率为10-5、10-4、10-3/s时的单轴受压特性试验。试验结果表明:随着应变速率的提高,混凝土的动态单轴抗压强度明显增加;在相同的应变速率和循环振幅情况下,混凝土的峰值应力随着循环荷载频率的增加而降低;在相同循环加载历史的条件下,混凝土的峰值应变随应变速率的提高总体上有增加的趋势;在相同循环加载历史条件下,混凝土的弹性模量随应变速率和循环加载历史振动频率的变化规律总体上并不明显。     

大理岩热损伤声发射力学特性试验研究

为研究经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程,对25℃,200℃,400℃和600℃后的大理岩进行单轴压缩试验,并监测其全变形过程的声发射现象,对其声发射特性、破裂模式、启裂应力和损伤应力取值范围、损伤演化规律及应力–应变模型进行研究。研究表明,随着大理岩经历温度的升高,岩石峰值强度逐渐降低,峰值应变增大,岩样延性增强;高温后大理岩的声发射特性与常温有明显区别,热损伤导致岩样加载初期声发射信号比较活跃,而进入弹性阶段后,声发射活动性不如常温下剧烈;用声发射法求出归一化启裂应力和归一化损伤应力的范围分别为0.33~0.46和0.71~0.82,随着温度升高,二者有增大的趋势;600℃以内,岩样破坏模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏转变,最后变为单剪破坏,试验表明声发射定位与岩样宏观破裂规律对应较好。同时,建立基于累计振铃计数的损伤变量,25℃下岩样损伤演化过程分为4个阶段,高温后岩样初始损伤变大,损伤变量随应变演化变得缓慢。根据裂纹轴向应变规律和声发射参数推导大理岩变形全过程应力–应变本构模型,模型计算结果与试验曲线吻合较好,且温度越高,模型适用性越好。     

三轴应力下塑性混凝土应力应变关系试验研究

通过4组塑性混凝土的单轴和常规三轴压缩应力应变全曲线试验,研究了三轴应力下塑性混凝土应力应变关系.结果表明：在围压作用下,塑性混凝土轴向应力应变曲线与单轴压缩下的曲线差别明显,主要表现为直线上升段很短,曲线上升段较长,无明显峰值点,下降段较平缓.利用割线模量表征塑性混凝土三轴应力下应力应变曲线上升段的主要变形特征,分析了影响割线模量的主要因素,建立了割线模量与围压、单轴抗压强度和弹性模量之间的关系式.研究了塑性混凝土三轴应力下峰值应变随围压、单轴应力下抗压强度及峰值应变的变化规律,并建立了相应的关系式.全面分析了塑性混凝土单轴及三轴作用下应力应变曲线特征,通过归一化处理后,拟合出常规三轴应力下塑性混凝土轴向应力应变关系式.     

考虑滞后效应的岩石加卸载响应比试验研究

为了深入分析岩石在循环加卸载作用过程中的加卸载响应比和损伤变量的变化规律及二者的相关关系,设计并开展砂岩的常幅循环加卸载试验,详细分析试验过程中的应力–应变滞后时间差、加卸载响应比、损伤变量、上限应力对应的应变峰值的变化规律。结果表明:(1)循环加卸载过程中,应力–应变滞后时间差并不是一个常数,在循环加卸载的初期和临近破坏阶段,滞后时间差明显较大;(2)岩样在临近破坏时,应力–应变滞后时间差、加卸载响应比、损伤变量和上限应力对应的应变峰值均存在明显突变,说明岩石的各项力学参数具有较好的相关性,而且与岩石所处的应力状态及损伤程度密切相关;(3)考虑循环加卸载的损伤作用对岩石介质均匀程度的影响,修正了加卸载响应比与损伤变量相关关系式,结果表明,采用修正的关系式,可以用加卸载响应比较好地描述岩样的损伤程度。研究成果对岩石加卸载响应比及其与损伤变量关系的分析具有较好的参考价值,同时,相关试验分析方法也可以为类似试验提供参考。     

干湿循环效应下裂隙性黄土单轴压缩力学特性

通过系统开展干湿循环效应下裂隙性黄土的单轴压缩试验,对干湿循环效应下裂隙性黄土的裂隙演化规律与单轴压缩力学特性进行了深入探讨。结果表明:不同倾角试样表面裂隙率R_sc与分形维数D_f均随干湿循环次数增加逐渐增大,但增速逐渐减缓;干湿循环效应对裂隙性黄土单轴压缩应力 应变曲线的类型及特征无显著影响;应力 应变曲线的初始斜率随干湿循环次数增加逐渐降低;不同倾角试样单轴压缩应力-应变曲线均表现为软化型,其中45°倾角试样的应力 应变曲线表现出“双峰”变化规律;不同倾角试样单轴抗压强度均随干湿循环次数增大表现出减速衰减特征;不同干湿循环次数下裂隙性黄土单轴抗压强度与裂隙倾角关系曲线均呈现出“双V”变化特征。     

水温循环条件下千枚岩动态力学特性研究

对0°层理倾角千枚岩分别在温度循环自然降温、温度循环冷水降温、干湿循环3种水温劣化条件下开展1、3、5、8、11次劣化处理,而后采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验系统开展水温循环条件下千枚岩动力学特性研究。结果表明：温度循环作用将有效缩短千枚岩应力-应变曲线的屈服阶段,干湿循环条件下千枚岩屈服阶段则较为明显,水温耦合作用后延性增强;千枚岩动态峰值抗压强度随着水温循环次数的增加不断减小,服从负指数分布规律;温度循环冷水降温、干湿循环水温耦合作用下千枚岩峰值抗压强度降幅大于温度循环自然降温作用下的抗压强度;千枚岩耗散能比随着水温循环次数的增加均呈动态增长的规律,因此水温循环对千枚岩耗散能比增幅具有放大效应;水温循环次数较少时,千枚岩发生贯穿层理面的压致张裂破坏;随着水温循环次数的增加,千枚岩破坏碎块数逐渐增多,碎块尺寸逐渐减小,分形维数不断增加,破坏模式也逐渐转为张剪破坏的复合破坏模式;水温耦合作用下,千枚岩更易产生多碎块破裂,碎块平均尺寸总体上更低。     

岩样尺度、孔道及端部摩擦效应的数值分析

 采用FLAC3D分析岩性参数、软化方法、网格划分和加载速率对圆柱岩样单轴压缩应力–应变曲线的影响,并基于优化参数分析岩样尺度、孔道及端部摩擦效应。当峰后软化模量增加、剪胀角增大、抗拉强度降低、单元划分变细或加载速率减小时,轴向应力–应变曲线的峰后软化段趋于陡峭。在单轴压缩时,端部光滑岩样一端产生Λ形破坏带,长径比对强度无明显影响;端部固定且长径比大于2时,岩样在中部产生X形破坏带,其峰值强度大于端部光滑岩样,且随长径比变化不大;端部固定且长径比小于2时,强度和平均模量随长径比减小而增大。孔道岩样的平均模量与孔径无明显关系;在相同围压下强度随着孔径增大而降低,峰后软化曲线趋于陡峭。完整和中空岩样的破坏均从岩样中心逐步向周边扩展,中空岩样形成2个同顶点圆锥面破坏带。数值模拟与试验结果比较吻合,可用于相关岩体工程设计和分析。     

温度对盐岩疲劳特性影响的试验研究

 对不同温度下的盐岩试件进行单轴压缩试验,发现盐岩单轴抗压强度随着温度的升高明显下降,峰值应变却随着温度的升高而逐渐增大。根据不同温度下盐岩的单轴抗压强度选取合适的上、下限应力值,对各温度条件下盐岩试件进行循环荷载试验,发现：盐岩在相同应力比循环荷载作用下,疲劳寿命随着温度的升高而增加;不同温度下盐岩的疲劳损伤发展模式都包括减速损伤阶段、匀速损伤阶段和加速损伤阶段;随着温度的升高匀速疲劳损伤阶段所占的比例增加;与轴向应变曲线相比,体积应变的3个损伤阶段更加明显。最后应用弹塑性材料损伤分析公式,对盐岩的疲劳损伤进行分析,发现盐岩损伤发展模式与盐岩试件的体积应变发展模式较为接近,因此选取体积应变来描述盐岩的疲劳损伤较为合理。     

PVA纤维增强型水泥基复合材料高温后力学性能试验

为了研究聚乙烯醇（PVA）纤维增强型水泥基复合材料高温后的力学性能,对30组共90个试件进行了力学性能试验,测得材料的立方体抗压强度、抗折强度、弹性模量、轴心抗压强度以及棱柱体单轴抗压应力-应变全曲线,并与相应基体的力学性能进行对比分析。结果表明:当加热温度低于200 ℃时,PVA纤维的掺入可有效改善水泥基复合材料的抗折强度和棱柱体单轴受压峰值荷载后的延性性能和韧性性能,降低弹性模量,对立方体抗压强度和棱柱体轴心抗压强度影响不大;温度高于200 ℃后,抗折强度、弹性模量和峰值荷载后的延性性能与韧性性能与基体接近,立方体抗压强度和轴心抗压强度均低于基体,轴心抗压强度下降幅度远远大于立方体抗压强度。     

C60混凝土高温后低周循环受压疲劳性能研究

为了研究高强混凝土所经温度高低、加温时间长短与低周受压疲劳损伤之间的关系,对经历200、500、800℃高温后的C60混凝土在低周循环受压荷载下的疲劳性能进行了试验研究。结果表明：高温后高强混凝土的色泽变浅,试块整体较疏松;经不同高温后高强混凝土在低周循环受压荷载下最大纵向总应变符合三阶段发展规律;相对于应力水平对高强混凝土疲劳应变的影响,高温历程对其影响更大,尤其是受热最高温度影响最为显著。根据应变发展的第二阶段提出了疲劳寿命的估算公式。分别定义疲劳变形模量比和相对残余应变为损伤变量,建立了经历不同高温后高强混凝土受压疲劳损伤模型,并根据疲劳变形模量比建立的损伤模型对高强混凝土的疲劳寿命进行了预测,预测值与实测值吻合良好。     

高温中纤维纳米混凝土单轴受压应力-应变关系

通过纤维纳米混凝土棱柱体试件在25～800℃高温中的单轴受压试验,研究了温度、钢纤维体积率、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙掺量对纤维纳米混凝土高温中轴压性能的影响。结果表明,随温度升高,纤维纳米混凝土峰值应力和初始弹性模量显著降低,峰值应变明显增大;随钢纤维体积率增大,高温中纤维纳米混凝土峰值应力和峰值应变不断提高,初始弹性模量有所下降;随纳米材料掺量增加,高温中纤维纳米混凝土峰值应力、峰值应变和初始弹性模量均呈增大的趋势,纳米二氧化硅的效果好于纳米碳酸钙。在分析试验结果的基础上,提出了考虑温度、纤维和纳米材料影响的高温中纤维纳米混凝土峰值应力、峰值应变和初始弹性模量的计算公式以及高温中纤维纳米混凝土单轴受压应力-应变关系式。     

普通混凝土冻融循环后性能的试验研究

对经过0、25、50、75、100次冻融循环的普通混凝土，进行了实验研究：主要测定了单轴抗压强度及单轴抗拉强度、单轴压及单轴拉时的峰值应变、初始弹性模量与峰值变形模量、动弹性模量、质量损失及应力一应变关系等数据，并建立了简单的数学表达式。随后对试验结果进行了分析。可以为北方寒冷地区的水坝、港口水工建筑物、公路、桥梁等的设计、维修、维护及其寿命预测等提供试验及理论依据。     

循环加载高应力对大理岩Kaiser效应影响的试验研究

声发射法(AE)广泛用于地应力测量。当单次加载Kaiser效应不明显时,可采用循环加载方式。通常各循环峰值加载应力大于岩石在地壳中所受最大应力?m,将大于?m的加载应力称为高应力。为研究高应力对岩石Kaiser效应的影响,对取自铜绿山矿的垂直钻孔岩芯进行循环加载试验,根据声发射特征曲线变化趋势及变形率分析法(DRA)地应力测量结果,对比水压致裂法所测地应力量值,确定不同加载阶段Kaiser效应点位置。研究结果表明:当循环加载峰值应力大于?m时,高应力将削弱与?m对应声发射事件的能量,使后续加载循环Kaiser效应不明显,同时会改变岩石之前记忆的应力值,使AE法地应力测量结果产生偏差;多次循环加载可导致岩石内部微结构面的破坏,其产生的大量声发射事件会混淆Kaiser效应点的辨识;因岩石差异性,高应力可能会取代岩石之前所受最大应力,成为岩石记忆的新应力。鉴于此,采用循环加载方式时,首次加载峰值应力A?应不超过?m,同时应使岩石跨过压密阶段进入线弹性阶段。铜绿山矿所取岩样循环加载试验结果表明,A?较合适的取值范围为岩石单轴抗压强度的6%~28%。此外,还给出声发射法和DRA法联合用于地应力测量的合理加载方式。     

Physico-mechanical properties of granite after cyclic thermal shock

Understanding rock mechanical behaviors after thermal shock is critically important for practical engineering application.In this context,physico-mechanical properties of Beishan granite,Gansu Province,China after cyclic thermal shock were studied using digital image correlation(DIC),acoustic emission(AE) monitoring,and microscopic observation.The results show that the peak strength and elastic modulus decreased gradually with increase in thermal shock cycle.However,the above two parameters showed no further changes after 10 thermal shock cycles.The loading stress ratio(i.e.the ratio of the current loading stress level to the peak stress in this state) co rresponding to the occurrence of the uneven principal strain field and the local strain concentration zone on the surface of the granite specimen decreased with increase in thermal shock cycle.Three transformation forms of the standard deviation curves of the surface principal strain were found.For granite with fewer thermal shock cycles(e.g.no more than 2 cycles),the standard deviation curves exhibited approximately exponential growth in exponential form.With increase in thermal shock cycle,the S-shaped curve was dominant.After 10 thermal shock cycles,an approximate ladder-shaped curve was observed.It is displayed that AE activity was mainly concentrated around the peak strength zone of the granite specimen when the rock samples underwent fewer thermal shock cycles.With increase in thermal shock cycle,AE activity could occur at low loading stress levels.Microscopic observation further confirmed these scenarios,which showed that more microcracks were induced with increase in thermal shock cycle.The number of induced microcracks at the edge location of the granite specimen was significantly larger than that at the interior location.Finally,a continuum damage model was proposed to describe the damage evolution of the granite specimen after cyclic thermal shock during loading.     

花岗岩高温疲劳效应研究

我国花岗岩分布十分广泛,花岗岩岩体稳定性直接关系到其上部或内部构筑物的安全。目前,关于花岗岩在高温循环作用后物理力学性质变化规律研究较少,为研究高温循环作用对花岗岩岩体物理力学性质的影响,在对花岗岩进行高温—淬火循环(100~700 ℃,循环1~7次)处理后,对花岗岩岩样进行单轴压缩试验,分析其抗压强度与弹性模量变化规律;对花岗岩岩样进行巴西劈裂试验,分析其抗拉强度变化规律。结果表明:(1)在100~700 ℃范围内,随温度升高抗拉强度、抗压强度、弹性模量变化均呈现下降趋势,其中抗拉强度降幅不断加大、弹性模量和抗压强度降幅呈现由大到小再增大的趋势;(2)在循环1~7次范围内,随循环次数增加,抗拉强度、抗压强度、弹性模量均呈现下降趋势,变化幅度在10％以内;(3)抗压强度与弹性模量变幅波动均为V字形,且V字开口方向相同,其中,随温度升高V字开口向下、随循环次数增加V字开口向上。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

循环荷载作用下聚丙烯纤维混凝土受压应力-应变关系研究

考虑聚丙烯纤维体积掺量和长径比两个因素,设计制作54个混凝土试件,通过单轴循环加载试验,研究聚丙烯纤维混凝土的力学行为。试验结果表明：与普通混凝土相比,聚丙烯纤维混凝土试件破坏形态为延性破坏;其循环受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变关系曲线近似一致;聚丙烯纤维的掺入可显著改善混凝土的循环受压力学行为,提高混凝土的受压韧性、峰后延性和滞回耗能能力,减小其刚度退化和应力劣化程度,但对其峰值强度、弹性模量和塑性应变影响较小;聚丙烯纤维掺量影响较纤维长径比影响更为明显。基于试验结果,参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）,建立聚丙烯纤维混凝土单轴受压弹塑性损伤本构模型,可为聚丙烯纤维混凝土结构设计、工程应用和相关规程修订提供理论依据。