外载荷作用下水泥砂浆复合材料中的弹性波波速分析

为研究水泥基复合材料中弹性波频散特性,应用主频分别为50kHz、300kHz和1MHz三种声波探头,对钢纤维体积含量分别为0.5%、1.0%和3.0%的三种钢纤维增强水泥砂浆试件进行了单轴压缩下的弹性波测试实验。结果表明:在加载初始阶段,P波波速随着载荷增大而明显增大,但这种增大趋势逐渐减弱,并达到一个较稳定的值。随着钢纤维体积含量增加,波速有增大趋势。S波具有类似趋势,但其增幅比P波小得多。三种材料均表现出一定的频散效应。为消除材料在初始加载过程的非线性特性影响,采用了相对波速的方法,并讨论了相对波速的频散效应。结合多组份未胶结模型和Hashin-Shtrikman上限模型,应用一种无量纲理论模型,对比分析了弹性波波速频散规律。     

岩石三轴蠕变试验黏弹性解析及参数识别

基于岩石三轴蠕变试验,推导了相应的黏弹性解析解,并对三参量H-K流变模型给出 了黏弹性解析解的显式以及流变参数的识别方法. 在此基础上,针对花岗岩及片岩两种岩石 的室内蠕变分级加载试验曲线进行了流变参数的识别与反演. 分析表明,同一岩样在不同加 载级别下的弹性及黏弹性参数在量值上均有所不同,其中黏弹性模量和黏滞系数的量值随 载荷的增加出现损伤衰减,基于试验反演所获参数的解析蠕变曲线与试验蠕变曲线吻合较好.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明:冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S--M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S--M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S--M蠕变模型参数进行优化。改进S--M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S--M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S--M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素。基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型。两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性。分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响。研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大。     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:二维波动

将邢浩洁和李鸿晶提出的多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)的谱元格式应用于均匀介质中线弹性SH波动问题的谱元模拟.假定紧邻人工边界的一层谱单元为具有直线边界的四边形单元,以保证每个人工边界节点都唯一对应一条指向内域的离散网格线.人工边界节点在某时刻的位移由该离散网格线上的节点在前若干时刻的位移确定,按照MTF谱元格式进行计算.通过平面波以一定角度传播的外源问题算例和点源脉冲自由扩散的内源问题算例,验证了方法的可行性以及对实际复杂波动问题的适用性.通过不同类型初值问题算例,在时域内分析了插值多项式阶次、人工波速和透射阶次三个参数对反射误差的影响.结果表明:插值多项式阶次较高的格式会表现出更好的精度,但总体上对反射误差的影响较小;人工波速对反射误差具有显著影响,当人工波速小于介质物理波速时反射误差较大,而当人工波速等于或稍大于介质物理波速时反射误差处于较低水平;透射阶次对反射误差具有决定性影响,表现在不失稳的情形下提高透射阶次能够迅速降低反射误差,但内源问题从三阶MTF开始出现飘移失稳,外源问题从二阶MTF开始出现轻微的飘移失稳.     

南沙群岛珊瑚礁灰岩弹性波性质的研究

利用弹性波法对南沙群岛永暑礁南永一井的珊瑚礁灰岩岩芯和其它礁砂土样品进行了弹性波测量,根据测量结果,绘出了礁灰岩弹性波波速随深度变化的关系曲线,并结合永暑礁的发育演化历史、岩石学、地层学、沉积旋回以及古地磁测年,深入研究了弹性波纵波波速的变化规律,以及它与礁灰岩年龄、结构、岩石类型、孔隙度、沉积环境、地质事件的关系。研究结果表明,看似“异常”的弹性波纵波波速值恰是以上诸因素综合作用的结果。弹性波特性的研究在珊瑚礁地质研究中具有重要的意义,并可应用于珊瑚礁结构及稳定性研究之中。     

含水合物黏土的力学性质试验研究

基于含四氢呋喃水合物黏土样品在不同水合物饱和度、围压及水合物分解前后的高压三轴剪切试验和超声波测量数据,分析了含水合物黏土的应力-应变关系和强度特性。试验结果表明:(1)含水合物黏土的应力-应变曲线展现出弹性、塑性变形以及应变硬化三个阶段(在应变低于1.5%时近似为弹性,在应变2%~6%范围内表现为塑性,在大于6%后呈现明显的应变硬化特性),与不含水合物黏土的应力-应变关系有明显不同;(2)含水合物黏土在水合物分解前后的应力-应变关系存在明显的不同,水合物分解后比水合物分解前的不排水强度值降低程度最大为50%;(3)含水合物黏土的不排水抗剪强度随水合物饱和度和围压的增加而增大,并比不含水合物黏土的强度提高1~6倍。上述结果表明水合物的存在增强了黏土颗粒之间的连结或胶结作用。     

弹性介质形变对超声波传播特性影响的实验研究

弹性介质在受到外力的情况下会发生弹性形变。在弹性介质质量一定的情况下,此弹性形变会使弹性介质的体积和密度伴随着改变。对于超声波而言,在除了弹性介质本身的其他因素不变的情况下,弹性介质体积和密度的改变将会影响到超声波的传播特性。通过理论分析得出超声波幅值和相位随弹性琼脂应力变化的关系。以琼脂作为实验模型,检测琼脂在形变时超声波的信号参数,并且通过实验数据,最终得到二者的曲线和标定公式。此结果有利于今后在介质应力检测及超声波检测技术等方面的深入研究。     

土-结构相互作用体系人工边界的动力反应与分析

在结构-地基相互作用(SSI)体系的动力分析中人工边界的模拟与选取是一个关键因素,直接影响SSI体系的动力分析结果.人工边界模拟方法众多,目前对于不同人工边界在各种计算条件下模拟效果的比较研究所见不多.采用数值方法集中比较了工程中广泛应用的几种人工边界在SSI体系分析中的动力反应,详细分析了一维柱体在各种人工边界及输入的冲击荷载及正弦周期荷载作用下的动力分析结果的精确性及稳定性.研究结果表明,人工边界的动力模拟效果与输入震源的动力特性及分析介质的弹性常数存在密切的关系,即较高的输入震源频率需要较高的介质弹性波速,才能保证人工边界的稳定性与适用性.结合上海地区土体及地震波特性,指出本地区SSI体系的动力计算宜采用粘弹性人工边界.     

采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件

黏弹性人工边界是处理无限域波动问题常用的数值模拟方法。采用显式时域逐步积分算法进行计算时,受黏弹性人工边界的阻尼、刚度等影响,人工边界区的稳定性比内部计算域的更严格,尚无明确、实用的稳定性判别准则,这限制了黏弹性人工边界在显式动力分析中的应用。针对二维黏弹性人工边界,利用基于局部子系统的稳定性分析方法和基于传递矩阵谱半径的稳定性判别准则,给出了可代表整体模型局部特征的不同边界子系统的稳定性条件解析解。通过对比分析不同计算区域的稳定性条件及其影响因素,证明了整体模型的稳定性由角点子系统控制。在此基础上,获得了含黏弹性人工边界的整体模型在显示动力计算中的统一稳定性判别准则和简化实用计算方法。在实际应用中,令积分时间步长满足稳定性条件,即可顺利完成整体模型的动力计算。以上研究可为将黏弹性人工边界应用于显式动力计算时积分时间步长的合理选取提供参考。     

高应力区峰后红砂岩蠕变特性及模型分析

在实验室通过RLW-2000型岩石三轴流变仪,对2组9个红砂岩样进行高应力区峰后单轴压缩蠕变试验,研究了红砂岩峰后瞬时应变、蠕变应变与应力水平的关系,分析了红砂岩峰后/峰前蠕变关联特性,探讨了红砂岩蠕变破坏机制,确定了峰后红砂岩高应力区蠕变本构模型。结果表明:随着蠕变应力水平提高,峰后岩样瞬时应变呈减小趋势,蠕变应变与蠕变应变速率呈增加趋势,峰后岩样同样具有瞬时加载四阶段与蠕变水平三阶段特征;相同应力水平下,岩样峰后/峰前状态对瞬时应变比影响大于蠕变应变比;应力水平越高,岩样瞬时应变比与蠕变应变比越大,但应力水平对岩样蠕变应变比影响大于瞬时应变比;峰后破坏岩样主控破裂面形态复杂,高径比越小,岩样内部破坏越充分,高径比越大,越易产生压剪破坏;Burgers-Kelvin模型能够表征峰后红砂岩高应力区蠕变特性。     

缺陷对玄武岩中声波波速影响的实验研究

岩体是具有多种微结构的复杂体,具有明显的频散效应.过去的研究基本上将岩体中的孔隙率作为研究岩体微观结构的参数,这种方法无法考虑到岩体中细观缺陷的局部影响.本文选用水泥砂浆为参考材料,通过在试件中预制裂缝来研究含缺陷玄武岩的弹性波传播特性.对含不同裂缝的试样进行了5种频率的声波测试.结果表明:缺陷对玄武岩的弹性波频散效应影响很大,随缺陷所占比例的增大而增大.同时单轴加载下的弹性波测试则说明,在0～20MPa范围内,玄武岩弹性波波速随压力增大开始时候有一定幅度的升高,到8MPa以后由于玄武岩硬度相对较高,波速基本保持在一定水平.     

砂岩岩石力学参数各向异性研究

对胜利油田不同深度的四口井的砂岩岩芯进行了三轴压缩试验和动态岩石力学参数试验。根据获得的垂直地层方向和平行地层方向的试验数据,计算了各岩石力学参数的各向异性系数。通过分析围压以及深度对各向异性系数的影响,给出了砂岩峰值强度各项异性系数、静泊松比各向异性系数、纵波波速各向异性系数、纵横波速比和动泊松比各向异性系数与深度的拟合公式。发现峰值强度、纵波波速和纵横波速比的各向异性系数都随着深度的增加而减小,而泊松比各向异性系数随着深度的增加而增大。动、静弹性模量各向异性系数与深度相关性都很差,动弹性模量各向异性较弱,静弹性模量相对较强。     

泡沫金属在冲击载荷下的动态压缩行为

基于微CT扫描影像信息,建立泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑不规则胞孔的不均匀分布,根据实验结果拟合孔壁材料的弹塑性本构参数。研究了泡沫金属在不同加载速度下的压缩变形机理,重点讨论泡沫金属中弹塑性波的传播、惯性效应和从冲击端传递到静止端的应力变化特征。对于相对密度为0.3的泡沫铝,弹性波速约为5 km/s,与孔壁材料的弹性波速相当,塑性波速表现为随着加载速度的增大而增大。在加载速度为50~100 m/s间变形模式从准静态模式转变为动态模式,未发现明显的临界速度,动态锁死应变随着加载速度的增大而增大。由于塑性波发生反射,试件会发生二次压缩过程,相应地,静止端产生二次应力平台。受惯性作用的影响,二次应力平台也随着加载速度的增大而提高。     

EXPERIMENTAL RESEARCH ON FAILURE AND ENERGY DISSIPATION CHRACTERISTICS OF THE SANDSTONE1)

通过三轴卸荷试验,探究了不同路径下卸荷速率对砂岩力学特性及破坏过程中的能量耗散的影响。试验结果表明在全过程应力-应变曲线的弹性阶段,轴向变形起主导作用,弹塑性阶段,环向应变的增加值大于轴向应变增加值。在围压卸荷阶段,卸荷速率越小,卸荷阶段的应变折合柔度越大,此时岩样的变形不充分,呈现明显的脆性破坏。恒主应力差路径下的耗散能大于恒轴压路径下的耗散能的35%,卸荷速率越大,岩样的弹性应变能越小。     

一种考虑虚拟质量力的两相压力波速经验模型

前人建立的两相压力波速经验模型未考虑虚拟质量力,本文考虑虚拟质量力、管壁弹性、管壁粗糙度等因素,通过求解双流体模型的小扰动,提出了一种新的气液两相压力波速经验模型．以一个具体的工程实例为背景,运用数值方法对其求解,得到的计算结果与前人实测的实验数据一致．结果表明,当空隙率较小时(0＜Φ＜15%)时,虚拟质量力对压力波速的影响不大,当空隙率较大时(Φ≥15%),考虑虚拟质量力计算的压力波速远大于不考虑虚拟质量力计算的压力波速．经验公式也可达到准确求解压力波速的目的．     

砂岩破坏特性与能量耗散的试验研究

通过三轴卸荷试验,探究了不同路径下卸荷速率对砂岩力学特性及破坏过程中的能量耗散的影响。试验结果表明在全过程应力–应变曲线的弹性阶段,轴向变形起主导作用,弹塑性阶段,环向应变的增加值大于轴向应变增加值。在围压卸荷阶段,卸荷速率越小,卸荷阶段的应变折合柔度越大,此时岩样的变形不充分,呈现明显的脆性破坏。恒主应力差路径下的耗散能大于恒轴压路径下的耗散能的35%,卸荷速率越大,岩样的弹性应变能越小。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

三方程线性弹性-阻尼DEM模型及碰撞参数确定

建立了一种考虑法向接触力、切向接触力(含静滑动摩擦力及动滑动摩擦力)和力矩(含由切向力产生的力矩及静滚动摩擦力矩和动滚动摩擦力矩)的三方程线性弹性-阻尼离散单元模型,并将该模型应用到颗粒物料的三维数值模拟中,讨论了模型中几个重要碰撞参数--刚性系数、阻尼系数及摩擦系数的选择及其对计算结果的影响,同时也探讨了时间步长等计算参数对模拟结果的影响.为了验证算法和参数选择的正确性,本文对几个有代表性的颗粒系统进行了数值试验研究,并对计算结果进行了细致的分析,验证了新模型和参数选择的正确性.