循环冲击荷载下含孔洞岩石损伤特性与能量耗散分析

为探究隧道工程开挖过程中外部荷载对隧道围岩多重扰动的影响,采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行不同冲击荷载(0.6、0.7、0.8 MPa)和冲击方式(等幅与不等幅冲击气压)下的循环冲击试验,以此分析冲击载荷作用下含孔洞岩石试件的动力学特性、损伤特征、能量耗散和破坏形态。结果表明:基于一维应力波理论和界面连续条件得到适用于含竖向孔洞岩石试件计算的改良损伤计算公式;竖向孔洞的存在会影响岩石应力-应变曲线的变化趋势,并在经历数次冲击后尤为显著;花岗岩损伤积累随平均应变率增大呈幂函数增长,且随冲击荷载的增加呈现良好的规律性;积累比能量吸收值随循环冲击的进行逐渐增大,且试件的破坏模式经历了横向拉伸破坏、横向拉伸-轴向劈裂组合形式、轴向劈裂破坏的转变。     

加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征

为了探究真三轴复杂应力变化条件下岩石强度及破坏模式,通过真三轴卸荷扰动测试系统对砂岩试件进行不同第二主应力加卸荷试验,讨论在加卸荷过程中岩石的力学特性及声发射特征。试验结果表明:第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果;不同第二主应力加卸荷声发射能量及累计振铃计数变化趋势大体一致,耗散能量比在载荷达到岩石损伤强度时突增;声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落,声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆;在低载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育,在达到岩石损伤强度后岩石中的活动主要是裂纹贯通形成破裂面,砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合。     

冻融循环作用下受荷砂岩的能量演化与破碎分形特征*

为研究冻融循环作用对岩石力学特性的影响,对砂岩试件依次进行冻融循环处理、单轴压缩实验以及筛分实验,分析不同冻融循环次数下砂岩试件加载过程中的能量演化、分配规律以及破坏后碎屑尺度分布的分形特征,并讨论冻融循环作用的影响效应。结果表明:随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量均呈指数衰减的趋势,峰值应力点对应的耗散应变能及其与总能量比值表现出类似的变化规律。这些试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,分形维数在2.50~2.61之间。数据拟合进一步表明冻融循环作用下耗散应变能与分形维数之间呈显著的线性正相关关系,这是因为冻融循环次数越大使得砂岩试件的抗压强度越小,破坏所需的耗散应变能越小,试件破碎程度越不严重,导致相应的分形维数越小。     

不同应力循环路径下砂岩的能量演化特征

为从能量角度探究砂岩在循环应力作用下的力学响应,开展10 MPa初始峰值应力逐级递增、80 MPa初始峰值应力逐级递增及恒定100 MPa峰值应力3种循环路径下的加卸载试验,结合应力应变曲线和能量计算结果,分析砂岩各项能量随循环次数和峰值应力的演化特征。结果表明：随循环次数和峰值应力增加,初始峰值应力80和100 MPa时滞回环仅在第2次循环时向应变增大方向明显迁移。不同应力循环路径下单位体积耗散能表现出不同的阶段性演化特征,分级循环加卸载时,砂岩各项能量值随峰值应力增加由二次函数向线性函数增长特征转变,而峰值应力恒定为100 MPa等幅度循环加卸载时,随循环次数增加,砂岩单位体积能和单位体积弹性能呈开口向下的二次函数趋势下降,单位体积耗散能呈指数趋势下降。不同应力区间内循环路径对砂岩的能量影响有较大差异,分级循环加卸载与单次加卸载相比,峰值应力为80 MPa时各项能量相差均小于10%,峰值应力为100 MPa时各项能量相差达到22.74%～62.58%。     

城市生活垃圾变形特性影响因素的试验研究

为了进一步研究城市生活垃圾(MSW)的长期变形特性,探讨初始孔隙比、易降解有机物质量分数和降解条件对其变形特性的影响,采用自主研制的压缩～降解仪,进行了多种工况下MSW的蠕变变形试验.结果表明,荷载水平较低时,初始孔隙比越小,孔隙比随竖向荷载减小的速率越快;当密实到一定程度时,孔隙比随荷载的增加有趋于稳定的趋势.易降解有机物质量分数越大,MSW的压缩模量越小,变形量越大.在竖向应力较小时,降解条件对MSW的变形特性影响不大;当竖向应力较大时,降解条件对MSW的变形特性有显著的影响.MSW的变形是应力与降解耦合作用的结果,降解引起的变形要靠应力作用才能实现,同时降解对MSW试样的压缩模量有较大的影响,并且影响MSW的应力状态.因此,初始孔隙比、降解条件和易降解有机物质量分数不但对MSW的最终变形量有较大的影响,同时对MSW沉降变形过程也有显著的影响.     

不同应力路径下岩石卸荷破坏过程的变形特性与能量耗散分析

基于能量原理和MTS试验机进行了三种不同应力路径下花岗岩卸载试验,研究了卸荷条件下岩石的应力—应变全过程曲线变形特征和岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律。研究结果表明,在卸围压过程中,岩样侧向变形明显大于轴向变形,即表现为明显的侧向扩容,且方案3方案1方案2;能量耗散与时间呈非线性关系,且在卸围压试验中,施加围压越大,在相同侧向变形水平下能量耗散越大;在同一卸载方式下岩石耗散能随着围压的增大而增大。其研究结果对从能量角度研究卸载岩石力学特性有一定的指导作用。     

花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下能量特征分析

为分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的能量特征,基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线,完成了PFC3D数值试验的参数标定,探讨了不同循环次数下数值试件内部总能量、弹性应变能和耗散能的变化规律,建立了一定循环次数下耗散能随应力变化的演化方程。研究结果表明:在数值试件加载至破坏过程中,这些能量参数以应力应变曲线峰值点为分界,峰前的总能量、弹性应变能和耗散能随应力呈非线性增长,总能量增长速率最快,弹性能次之,耗散能最慢;至峰值点附近时弹性应变能达到储能极限,增速降为0;峰后则表现为弹性应变能急剧释放,耗散能随裂纹发展而快速增加,能量急剧释放是导致岩石灾变破坏的主要原因。提出的基于材料阻尼理论的耗散能演化方程,计算结果和试验数据对比表明其可以较好地反映一定循环次数下耗散能随应力变化的特征。     

循环荷载下煤岩弹塑性损伤的能量机制分析

为探究采动应力周期性扰动下煤岩的损伤变形及能量演化机制,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同稳定时间下煤岩三轴循环荷载试验;基于能量参数分析,推导出循环荷载作用下煤岩弹塑性损伤变量计算公式,分析煤岩弹塑性损伤演化行为。研究结果表明:不同稳定时间下煤岩主应力差-轴向应变曲线呈现周期性滞回环演化趋势,在稳定时间和外部荷载下弹性模量并没有随循环次数的增大而减小,煤岩损伤机制发生变化;煤岩吸收的总能量U与耗散能Ud随循环次数的增加总体变化趋势为L型,弹性能Ue逐渐减小而后趋于稳定;基于能量计算的煤岩弹塑性损伤变量值在30次循环荷载过程中,均在一稳定值附近呈波动性稳定变化趋势。     

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

煤矿砂岩动态力学性能试验与分析方法研究*

为研究动载荷作用下煤岩体测试与分析方法,基于直径50 mm分离式Hopkinson试验装置,采用半导体应变片和电阻应变片2种方法采集透射波,开展淮北矿区典型砂岩动态冲击压缩试验,采用二波法和三波法分别计算得到砂岩试件的应变率、应力和应变峰值等动态力学参数以及能量耗散特征,分析不同应变片种类和计算分析方法的差异性。结果表明:不同计算分析方法得到的应力应变曲线形态基本一致,2种应变片采集的数据可以组合使用;与电阻应变片相比,半导体应变片灵敏系数高,由其采集数据计算得到的应力值高、峰值应变小、应力应变曲线光滑,三波法处理数据具有更高的可靠性;根据2种应变片测试数据计算得到试件应变率、动态强度及峰值应变均随冲击速度的增加而增加,试件吸收能量变化也具有一致性,能量耗散率误差在10%以内。研究结果可为煤矿软岩动态力学性能测试与分析提供参考。     

分级加载条件下红砂岩蠕变特性试验研究

岩石的蠕变性质是引起工程岩体破坏的主要原因之一。通过进行分级加载蠕变试验,分析了红砂岩在不同加载应力条件下的蠕变特征。试验结果表明:在不同加载应力条件下,试件等速蠕变阶段应变速率与加载应力呈指数函数关系,并且当加载应力大于损伤强度σcd时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向;同时,试件在破坏过程中存在加速蠕变阶段不明显的现象。根据蠕变破坏过程中黏滞系数的变化特点,将理想黏塑性体中的黏滞系数定义为时间的负指数函数,建立了一个非定常西原蠕变模型,该模型能较好反映红砂岩在单轴压缩条件下的蠕变特性。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程，单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况，通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征，并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高，煤样破坏时强度越大，脆性破坏特征越明显，瓦斯流量急剧增加幅度越大，煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多，且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量，并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

岩石破坏失稳的声发射响应与损伤定量表征研究

为了探索在外载荷作用下岩石的损伤演化规律及声发射响应特征，实现损伤程度的定量表征，以标准岩石试件为研究对象，采用RMT-301岩石力学试验系统和DS5-8B全信息声发射仪，开展单轴加载条件下岩石破坏全过程的声发射(AE)试验研究，根据声发射参数、声发射源三维定位、声发射能量密度和岩石力学分析表征其破坏形态，再现岩石裂隙孕育、发展和贯通过程，揭示岩石破坏规律、能量密度分布特征、裂隙空间演化和AE时序参数；以时间为中间变量，建立声发射累计振铃计数和应力、应变及损伤变量的耦合关系；基于岩石损伤演化方程，进一步建立声发射累积能量和应力、应变的定量模型。研究结果对揭示岩石破坏机制、区分岩体强度具有指导意义，为矿山煤岩动力灾害的预测预警提供一定理论支撑。     

单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征研究*

为研究单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征,运用伺服压力机、声发射系统对砂岩试样进行单轴压缩试验,结合声发射特征参数与应力时间关系,对砂岩试样变形失稳破坏过程进行分析,并在相同加载方式下分析不同裂纹角度对砂岩试样变形破坏特征的影响。结果表明:砂岩试样破坏过程按力学性质可分为压密、弹性变化、塑性变化及峰后残余4个阶段,预制裂纹对试样的峰值应力有显著降低作用;声发射信号可分为平静期、上升期、波动期3个阶段,信号与砂岩试样破坏过程存在良好对应关系,不同角度预制裂纹对应的声发射信号特征不同,平静期45°裂纹试样声发射事件相对较活跃,振铃累积率相对最高,0°裂纹试样最早进入声发射波动期;在相同加载方式下,声发射信号参数RA值受裂纹角度影响较大,可以利用声发射信号RA值的演化判断岩石材料中裂纹方向与荷载方向的关系。     

钢筋混凝土界面的疲劳损伤

钢筋与混凝土界面的脱粘是钢筋混凝土材料与结构的主要失效形式之一。针对笔者建立的几何剪切筒模型和选取的常用实验加载方式 ,推导出循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力解析模型 ,借助断裂力学的基本理论 ,进一步研究和分析了界面疲劳脱粘速率及界面摩擦剪应力与循环加载次数的关系 ,同时考虑了泊松比对疲劳特性的影响 ,为混凝土结构的安全评估提供一个新思路。     

主、次裂隙对岩石变形破坏机制的影响研究

为研究主、次裂隙在近似T型分布下对岩石变形破坏机制的影响,基于含主、次裂隙类岩石试件的单轴压缩试验及线弹性断裂力学理论,研究了轴向压缩下由夹角变化引起裂隙岩石中主、次裂隙应力场的变化规律,并进一步探究了其对岩石强度与变形特征的影响。研究结果表明:次裂隙的存在对单一裂隙试件的强度特征有明显影响,含次裂隙试件强度降至单一裂隙试件的30.2%~47.5%;裂隙夹角由30°增加至60°时引起主裂隙相交节点两侧剪应力方向由同向转变为异向,由应力的叠加转变为应力的抵消,对裂隙岩石的破坏过程产生抑制作用,从而增强岩石的峰值强度;相较于裂隙间应力场的相互影响,新增裂隙数量所增加的能量消耗引起的强度特征变化更为显著。