不同溶液环境下砂岩干湿循环损伤特性试验研究

为研究不同溶液环境下长石砂岩干湿循环损伤特性,对长石砂岩分别进行水和Na_2SO_4溶液两种环境下的干湿循环试验。对不同干湿循环次数后的长石砂岩进行纵波波速测定、XRD衍射试验、单轴抗压试验以及数字散斑试验(DSCM)。结果表明:Na_2SO_4溶液环境下干湿循环长石砂岩纵波波速、抗压强度、弹性模量等物理力学参数下降严重。干湿循环过程中水主要起溶解砂岩内部长石等矿物作用,盐分结晶产生结晶应力是长石砂岩损伤的主要原因。将应变局部化阶段初始点损伤状态确定为基准损伤,基于侧面应变标准差定义了长石砂岩损伤度,该损伤度演化方程能较好地反映长石砂岩干湿循环损伤过程。     

冷却方式对高温后不同类型混凝土残余力学性能的影响研究

为了揭示高温后不同冷却方式对高强、普通及再生混凝土力学性能的影响,以历经温度和冷却方式为变化参数,对灾后的三类混凝土进行单轴抗压试验研究,获取了试件的质量变化率以及轴心受压应力-应变曲线,对比分析了高温后不同冷却方式下3种混凝土试件的峰值应力、峰值应变、弹性模量等力学性能指标的影响规律和能量耗散规律.结果 表明:喷水冷...     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能,对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试,分离式霍普金森压杆冲击试验,以及冲击破碎试样的扫描电镜观察,分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高,经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降,大孔径孔隙度分量增大,且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却;水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高,峰值应力减小,峰值应变增大,弹性模量则先增大后减小的规律;由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低,产生额外的温度应力,花岗岩内部损伤加剧,表现出更低的波速与峰值应力;而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度,降低了高温后花岗岩的塑性能力,与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小,弹性模量增大,表现出脆性破坏特征。在温度低于400℃时,冷却方式对冲击裂纹影响不大,随着温度升高到800℃,自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状,而水冷却后冲击断面则相对平整。     

实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究

为研究实时高温作用对花岗岩冲击力学特性的影响,以川藏铁路色季拉山施工区域加里东期花岗岩为研究对象,利用分离式霍普金森杆（SHPB）及同步箱式电阻炉,对20～800 ℃实时高温下的花岗岩试件进行冲击压缩试验,分析高温作用及加载应变率对试件破碎特征、动态抗压强度及能量吸收情况的影响,基于粉晶X射线衍射分析矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联。研究表明：20～400 ℃高温试件以脆性劈裂破坏为主,碎片形态呈纺锤形,两端尖锐,而600 ℃高温试件以塑性破坏为主,形状趋于圆钝;试件峰值应力随温度升高具有先增大后减小的变化趋势,200 ℃时达到强度阈值,随后持续降低;单位体积岩石耗散能与加载应变率呈线性正相关关系,与温度呈二次函数关系,与峰值应力呈指数关系,拟合效果良好;石英、云母和长石三种主要矿物成分的含量波动、相态变化等因素共同导致花岗岩动力学强度在200 ℃后逐步劣化。

     

基于同步辐射X射线的B_4C/Al复合材料原位拉伸变形和损伤研究

对B_4C质量分数分别为15wt.%和30wt.%的B_4C/Al复合材料进行了准静态拉伸实验研究,采用基于同步辐射X射线的同时相衬成像和衍射测量技术对B_4C/Al的变形损伤过程进行了原位实时表征,再结合X射线数字图像相关技术(XDIC),首次获得了B_4C/Al复合材料拉伸过程中的多尺度力学响应:宏观应力-应变曲线、细观变形场和微观晶格衍射谱。应力-应变曲线表明30wt.%B_4C/Al较15wt.%B_4C/Al具有更高的屈服强度和更强的应变硬化效应,但延展性较差;细观应变场揭示出30wt.%B_4C/Al的应变集中区密度更高、更容易扩展联合形成宏观裂纹,导致材料脆断;衍射谱则显示两种复合材料基体的衍射峰峰移和展宽都很小,说明弹塑性变形可能主要集中在颗粒-基体界面。颗粒间距对颗粒增强金属基复合材料应变集中区的密度和其延展性有显著影响,调整颗粒间距有助于平衡其强度和延展性。本文也讨论了XDIC的系统误差,表明位移误差和应变误差控制可分别控制在0.01pixel和0.1%以下。     

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为,考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用,结合混凝土材料内部非均质性,建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤：首先对混凝土进行热传导行为模拟,进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上,分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制,对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系,揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明：(1) 高温作用后,试件损伤区域较常温下更集中;(2) 名义应变率较大时,破坏过程急促,常温下骨料发生破坏,而经历高温后骨料基本没有破坏;(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性,其内部应力呈枣核状不连续分布;(4) 相比于应变率效应,混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。

     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

三种红层岩石常规三轴压缩下的强度与变形特性研究

利用MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统研究了川东地区一红层边坡中的砂岩、粉砂岩和泥岩围压为0³MPa的应力-应变全过程曲线,建立了峰值强度、峰值强度前弹性模量以及峰值强度后的弹性模量和围压的关系。将低围压下红层的全应力-应变曲线概化成5个阶段,分别为压密段、弹性段、屈服段、应变软化段和塑性流动阶段。试验结果得出,红层弹性模量随围压的增加而提高且变化明显,砂岩和粉砂岩在此围压内为脆性破坏,泥岩为塑性破坏的规律。     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

基于声发射特征的充填体损伤演化研究

为探究声发射信号与充填体细观破坏之间的关系,研究声发射特征振铃计数、能率和应力随时间的变化规律,进一步揭示充填体损伤演化过程,进行了全尾砂胶结充填体声发射特性力学实验。基于损伤力学理论并引入有效损伤率,得到基于声发射累积事件率的损伤变量,然后构建了充填体损伤本构方程。研究结果表明,声发射振铃计数和能率在不同受力阶段呈现不同变化,与充填体内部孔隙及裂纹损伤演化过程有密切关系。振铃计数在弹性阶段前期达到最大,屈服阶段逐渐降低至最小;有效损伤率值与理论峰值应力呈负相关;与实验峰值应力相比,理论峰值应力出现于应变较大处;充填体为高损伤介质,当有效损伤率取值趋近于1时,理论模型曲线与实验曲线变化趋势相同,可以较好的描述充填体应力应变关系。     

基于X-射线CT方法的岩石小裂纹扩展过程分析

岩石的小裂纹起裂及扩展过程是岩石力学研究的一个关键问题。对软硬两种砂岩进行单轴加载试验,同时用高分辨率的螺旋CT扫描机进行实时扫描。通过对获得的CT图像的分析处理发现,CT差值图像中的方差值与小裂纹的扩展速率有密切的关系,建立CT差值图像中的方差值与应力关系曲线,可以直观地看出:1)岩石样品中小裂纹起裂门槛值:软砂岩样品小裂纹扩展的门槛值为岩石强度的55%,小裂纹的扩展强度占整个强度的73%。硬砂岩小裂纹扩展的门槛值为岩石强度的64.5%,小裂纹的疲劳强度占整个强度的79%;2)小裂纹的扩展规律,即:在加载的初期岩石中小裂纹的扩展速率缓慢增大,在小裂纹扩展的门槛值出现之前快速下降,小裂纹扩展的门槛值出现之后又快速增加,最后当裂纹长度达到一定值时与长裂纹扩展速率基本一致。     

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.     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

Strain rate dependency of uniaxial tensile strength in Gosford sandstone by the Distinct Lattice Spring Model with X-ray micro CT

Mechanisms causing strain rate dependency of the uniaxial tensile strength of Gosford sandstone are studied using the Distinct Lattice Spring Model (DLSM). The DLSM is built to have a microstructure which resembles aspects of the microstructure in a sample of the sandstone observed through 5 μm resolution X-ray micro CT scanning. Numerical dynamic uniaxial tensile tests on the sandstone are performed using both X-ray micro CT based and homogenous particle models. The results indicate that there is an only negligible strength increase with increasing strain rate for the homogenous particle model. However, a significant strength increase is observed with increasing strain rate for the X-ray micro CT based particle model. Therefore, it must be the microstructure that causes a strain rate dependency. Moreover, the influence of viscosity and rate dependency of springs are also studied. Results reveal that the rate dependency of the springs rather than their viscosity is also a main cause of the rate dependency.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

预静态加载后的混凝土动态受压特性试验

进行了混凝土在应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s的条件下,经历极限抗压强度分别为0、40%、60%、75%和85%的单调荷载作用的动态单轴压缩试验,在此基础上分析了经历不同单调加载历史和应变速率下混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。试验结果表明,随着应变速率的提高,动态单轴抗压强度明显增加;当单调加载应力水平高于某一应力阈值时,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土弹性模量随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加表现出先增大后减小的趋势;混凝土峰值应变随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加而减少。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

准脆性材料抗压强度能量平衡尺寸效应模型

针对现有尺寸效应模型难以体现准脆性材料完整的抗压强度尺寸效应变化规律及其内在机理, 本文通过分析准脆性材料单轴压缩破坏过程中能量输入、储存、整体和局部能量耗散, 建立体现整体和局部损伤的力学模型及描述上述能量演化过程的双线性名义和真实应力应变曲线, 在此基础上确定了名义应力最大时输入能量、储存弹性能、整体和局部能量耗散的表达式, 最后基于能量平衡原理建立抗压强度尺寸效应模型. 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能完整体现名义抗压强度尺寸效应, 即随试样尺寸增大, 名义抗压强度在试样尺寸小于等于局部损伤区尺寸时为真实强度, 然后逐渐减小, 最终当试样尺寸趋于无穷大时趋于弹性极限强度; 抗压强度能量平衡尺寸效应模型也能同时体现高径比和试样直径对名义强度的影响, 其包含的参数具有明确的物理意义, 可以反映真实强度、弹性极限强度、名义损伤模量非线性、局部损伤区大小和方向对准脆性材料名义抗压强度尺寸效应的影响; 通过把抗压强度能量平衡尺寸效应模型和现有尺寸效应模型应用于预测各种材料尺寸效应试验和数值模拟数据, 结果表明: 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能很好描述试验和数值模拟尺寸效应的非线性变化规律及内在机理, 和现有尺寸效应模型相比, 其总体平均误差最小, 且小于5%.