不同加载速率下煤的侧向变形特征研究

利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统开展了5种不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了加载速率对煤体侧向变形特性的影响。研究结果表明:在裂纹闭合压密阶段、弹性变形至裂纹稳定扩展阶段,煤样变形以轴向压缩为主,侧向变形很小;在裂纹非稳定扩展阶段侧向应变开始加速增大,并在峰前应力调整阶段出现小幅陡增现象;在峰后扩容阶段煤样侧向应变急剧增大,呈现扩容与脆性破坏多次交替出现的特征,这一阶段大多数试件的侧向应变占总侧向应变的70%～90%。在加载初期煤样侧轴比处于较低水平,当轴向应力出现第一次跌落以后,煤样侧向应变快速增大,而轴向应变增加速度较小,导致试件侧轴比呈现快速增大直至试验结束。不同加载速率下煤样第一次出现轴向应力跌落时的侧向应变保持在3.0×10-3左右,表明在不同加载速率下煤样出现第一次轴向应力跌落时的侧向应变基本相同,可将侧向应变作为预测煤体破坏的控制变量。     

高温后水泥砂浆试件抗压性能与变形场演化实验研究

为研究不同温度作用后水泥砂浆试件的抗压性能及变形破坏规律,对不同温度作用后的试件进行单轴压缩实验,同时采用数字散斑相关方法(DSCM)观测试件局部变形,利用标准差统计分析应变场的变化规律。结果表明:(1)在200℃~800℃温度作用后,高龄期的试件更易发生破坏,试件单轴抗压强度的降低主要是由于水化反应形成的骨架结构在高温作用后发生分解;(2)20℃、200℃和400℃作用后的水泥砂浆试件具有明显的脆性特征,相对而言,600℃和800℃作用后的试件塑性特征明显;(3)局部应变场演化过程分为四个阶段:应变均匀分布阶段、应变成核阶段、应变局部化阶段和破坏阶段;(4)利用标准差统计应变场表征试件变形的不均匀程度,与试件整体应力-应变曲线对比,在接近峰值应力时,应变场标准差急剧增大,表明试件即将发生破坏。上述结果可为预测高温作用后水泥基材料的变形破坏提供参考。     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

岩石变形演化诱致灾变破坏过程的同步实验观测

将试样变形场演化特征与试样的宏观载荷位移曲线的演化特征结合起来研究是揭示非均匀脆性介质变形演化诱致灾变破坏的一个重要途径.本文发展了一套实验系统,通过对试样表面变形场的演化、宏观载荷和位移信号的同步观测,对单轴加载下岩石试样变形演化和灾变破坏的过程进行了实验研究.揭示了试样变形场由加载初期的随机涨落到灾变破坏前出现明显的变形局部化的演化特征现象,试样最终在变形局部化区内形成宏观破裂面.     

飞机风挡无机玻璃在不同应变率下的力学行为

利用电子万能试验机和改进的分离式Hopkinson压杆测试了飞机风挡无机玻璃在2种准静态应变率(4×10-4、4×10-3 s-1)和2种动态应变率(200、400 s-1)下的单轴压缩力学行为,并利用高速摄像机记录试样破坏过程。实验结果表明:玻璃破坏时表现为典型的脆性材料,随着应变率的提高,材料的压缩强度显著提高。通过观察试样变形过程及变形后的形貌可知,玻璃在压缩载荷下的破坏模式为横向张应力引起的裂纹成核、沿轴向扩展与联结交错导致的失效破坏,并从微裂纹成核扩展和能量耗散的角度对材料的应变率效应做出了合理的解释。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.     

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究

通过对高温加热–遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800℃内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明:(1) 400℃为高温加热–遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400℃时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

高温后花岗岩应力脆性跌落系数的实验研究

为研究温度对峰后区应力跌落的影响,通过高温后(常温～1200℃)花岗岩的单轴压缩试验,得到了不同温度后花岗岩全应力-应变曲线,并获得峰值应变、残余应变等特征参数随温度的变化规律。结果表明,高温后花岗岩变形特性较符合脆塑性体模型,峰值强度前呈显著线性关系,峰值屈服区段很狭窄,峰值后陡峻跌落至残余值,残余阶段稳定平缓;在800℃之前,可简化为理想弹性-应力脆性跌落-理想塑性三线型本构模型;800℃之后,峰前的屈服阶段逐渐明显,应力脆性跌落将不再发生,可简化为双线性弹性-线性软化-残余塑性四线型本构模型。给出了应力脆性跌落系数与温度的关系,温度越高,应力脆性跌落系数越大,且变化幅度越大。应力脆性跌落系数与岩爆倾向性指标随温度的变化趋势相反,故可用来作为评价岩爆倾向性的指标之一。     

EXPERIMENTAL STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES OF WATER-COOLED GRANITE UNDER HIGH TEMPERATURE1)

通过对高温加热-遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800°C内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明：(1)400°C为高温加热-遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400°C时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

Discrete element modeling on the crack evolution behavior of brittle sandstone containing three fissures under uniaxial compression

Based on experimental results of brittle, intact sandstone under uniaxial compression, the micro-parameters were firstly confirmed by adopting particle flow code(PFC2D). Then, the validation of the simulated models were cross checked with the experimental results of brittle sandstone containing three parallel fissures under uniaxial compression. The simulated results agreed very well with the experimental results, including the peak strength, peak axial strain, and ultimate failure mode. Using the same microparameters, the numerical models containing a new geometry of three fissures are constructed to investigate the fissure angle on the fracture mechanical behavior of brittle sandstone under uniaxial compression. The strength and deformation parameters of brittle sandstone containing new three fissures are dependent to the fissure angle. With the increase of the fissure angle, the elastic modulus, the crack damage threshold,and the peak strength of brittle sandstone containing three fissures firstly increase and secondly decrease. But the peak axial strain is nonlinearly related to the fissure angle. In the entire process of deformation, the crack initiation and propagation behavior of brittle sandstone containing three fissures under uniaxial compression are investigated with respect tothe fissure angle. Six different crack coalescence modes are identified for brittle sandstone containing three fissures under uniaxial compression. The influence of the fissure angle on the length of crack propagation and crack coalescence stress is evaluated. These investigated conclusions are very important for ensuring the stability and safety of rock engineering with intermittent structures.     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

砂岩脆性变形破坏过程中声发射信息试验研究

针对砂岩试样进行了单轴刚性加载试验,并测试整个过程的声发射信息。根据试验情况,可将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征划分为压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂和峰后情况五个阶段。通过对稳定破裂和非稳定破裂分界点对应的临界点处的应力和应变值与峰值应力及其对应的应变比值分析发现,大部分应变比在74%与78%之间;应力比则相对具有较大的离散性,均值在73%左右。上述研究,通过对砂岩脆性破坏过程中声发射信息与应力比和应变比之间的关系分析,增进了对岩石破裂过程中生发现象的认识,为相应岩石脆性破坏导致的地质灾害分析提供了新的研究思路。     

基于颗粒离散元法的连接键应变软化模型及其应用

基于颗粒间的有限接触假设,提出了可表述颗粒间力、力矩传递的连接键模型. 为了表征连接键的塑性、损伤及断裂过程,在连接键中引入了考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb 准则及最大拉应力准则. 单一连接键的单向拉伸测试及直剪测试表明了上述连接键应变软化模型的计算精度. 研究了颗粒体系的宏观应变能与颗粒平均配位数的对应关系. 通过计算发现,对于二维颗粒体系,当平均配位数为5 时,颗粒体系的宏观应变能与相同参数下连续介质方法(如有限元等) 计算获得的应变能基本一致. 利用上述连接键应变软化模型对岩石的单轴压缩过程进行了模拟,计算结果表明:岩石单轴压缩的应力应变曲线经历了线性上升段、非线性上升段、非线性下降段及缓变段等4 个阶段,并给出了上述4 个阶段与岩石内部损伤破裂状态的内在联系. 计算结果还表明,随着断裂应变的增大,岩石的破裂模式逐渐由拉剪复合型破裂向单一压剪型破裂转化;随着断裂应变的增大,峰值应力及达到峰值应力时的应变均逐渐增大,但峰值时的破裂度及终态时的破裂度将逐渐减小.      

Experimental studies on the yield behavior of ductile and brittle aluminum foams

Specimen size effects are a major cause of the unreliability of foam models in finite element codes. Here, the modified Arcan apparatus is used to investigate the biaxial yielding of ductile and brittle Al foams. This apparatus subjects a central section of a “butterfly-shaped” specimen to a uniform state of plane stress. The stresses have local maxima at the central section, thus ensuring that yielding occurs there. A yield envelope, which directly relates to the crushing process, can then be determined. Size effects are introduced when using conventional methods such as tri-axial or plate-shear tests. In such tests, averages of stress and strain are measured. These measures do not represent the actual yield event, because foam's internal structure is inhomogeneous and so is the deformation field. Strain localization and failure can occur at any weak layer of cells in the bulk. In this study, we have performed a series of biaxial tests on isotropic Alporas and anisotropic Hydro closed-cell Al foams of approximately equal densities. Alporas failed locally by a ductile phenomenon of progressive crushing of cells. It also possessed uniaxial strength asymmetry. Hydro specimens parallel and perpendicular to ‘foam rise’ were investigated. The Hydro foam developed a local, characteristic brittle crack at loads in the vicinity of the yield point. Phenomenological yield surfaces, which incorporate these features are obtained for the foams, and show dependence on both the deviatoric and hydrostatic stresses. We also provide expressions for the shear and hydrostatic strengths in terms of the uniaxial strengths. Finally, the size-independence of the yield surface is verified using the uniaxial compression of tapered specimens.     

岩样单轴压缩变形破坏与能量特征研究

基于在伺服试验机上得到的同直径不同长度大理岩样的单轴压缩试验结果,研究了尺寸对岩石变形破坏与能量特征的影响规律.结果表明,岩石长度对峰值应力前的轴向变形特性没有显著影响,但明显改变峰后的轴向变形特性;岩样长度对峰后塑性变形特性影响不大;直径一定时随着长度的增大,岩样破裂形式由竖向劈裂变为剪切破坏.随着长径比的增加,岩石破坏应变能呈幂律衰减趋势,且当长径比增加至2以后,便基本趋于恒定,不再明显减小;而岩石破坏能呈先减小后增大的非线性变化趋势.     

Experimental study and numerical modeling of brittle fracture of carbonate rock under uniaxial compression

The brittle carbonate rock taken from the Tarim Oilfield is tested in laboratory under uniaxial compression. The acoustic emission (AE) is used to monitor the microcracking activity in rock during the experiment. Moreover, the 3D tomograms of carbonate rock after uniaxial compression are obtained by using CT imaging technology, which indicates that microcracks mutually interconnect and eventually form macroscopic fractures after failure. The PFC2D is used to model the behavior of brittle rock including microcracks propagation. The stress–strain curve and cracks distribution in rock model are obtained from the PFC simulation. The numerical results agree with the experimental test well.     

重组竹顺纹冲击力学性能研究

重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。