深部直墙半圆拱巷道围岩时效损伤劣化特征与动态补强技术

随着煤矿开采向深部逐渐延伸,巷道的大变形和长时间持续流变特性已成为支护中极具挑战的课题之一。为了探究深部巷道围岩损伤劣化的时效特征及动态补强技术,基于实验室试验,并结合理论分析、数值模拟及现场工业试验进行了研究。研究结果表明:(1)基于Laplace逆变换推导出圆形轴对称巷道的变形规律解析解,结合理论分析、非圆形巷道等效变换和现场试验确定塑性区半径为1.5~2.1m,进一步得到直墙半圆拱巷道时效变形解析解;(2)基于弹性与弹塑性巷道模型,采用能量耗散表征了围岩损伤劣化的时效特征与塑性区演化趋势,并提出了一次支护的时机;(3)阐明了围岩在一次支护后的时效性损伤劣化的演化趋势,基于垂直应力峰值比率,提出了二次支护方案与时机,进一步分析围岩剪应力与垂直应力,确定了二次支护锚杆的长度为3.0 m,支护时机为40~70 d。研究结果可为深部煤矿巷道的设计与维护提供理论依据和实践指导。

内河水沙冲蚀条件下港口钢构件涂层损伤劣化的图像识别方法

为探究内河港口码头钢构件在水沙冲蚀条件下防腐涂层的损伤劣化规律,通过自制的水沙加速冲蚀磨损装置开展不同冲蚀条件下涂层材料损伤劣化的试验研究,基于图像识别技术对冲蚀损伤后的涂层表面形貌进行数字化和二值化特征提取,设定区分像素孔隙的灰度阈值,用以定量分析涂层表面破坏形式和损伤劣化面积。结果表明:当来流角度呈45°时,涂层损伤劣化最严重且表面凹坑比和划痕比大致相同,涂层损伤劣化面积随来流速度的增大呈指数扩大趋势;当含沙量低于45 kg/m^(3)时,含沙量的增大对涂层损伤劣化有促进作用,但当超过45 kg/m^(3)后反而降低了涂层损伤劣化速率,实现了在无损情况下对内河水沙冲蚀条件下钢构件涂层的损伤劣化规律分析。

周期性孔隙水压作用下砂岩损伤劣化特性研究

消落带砂岩由于受到周期性水压渗透的影响,其物理力学特性随时间损伤劣化,导致岸坡稳定性降低。开展了周期性孔隙水压力损伤砂岩的不排水三轴压缩试验,分析了砂岩强度、变形及脆性特征演化规律,讨论了细微观结构劣化机制。结果表明:砂岩峰值强度随着孔隙水压作用周次的增大而减小,且强度劣化度随围压增大逐渐降低。随着孔隙水压作用周次增大,黏聚力和内摩擦角分别呈现指数式衰减和线性衰减,其中黏聚力下降是强度劣化的主要原因。弹性模量、破坏应变和Tarasov脆性指数均随孔隙水压作用周次增大逐渐降低,而随围压增大具有明显增强效应。破坏模式由单斜面剪切破坏发展至共轭剪切破坏,破裂角由67.20°逐渐减小至62.05°。周期性孔隙水压作用在裂隙尖端导致的应力集中和应力疲劳加剧了砂岩内部结构劣化,且不排水压缩过程中的孔隙水压力的增长进一步加剧了砂岩的损伤劣化,而围压作用导致部分渗流通道闭合,降低了砂岩的渗流损伤。

干湿循环作用下云母石英片岩抗剪强度损伤劣化模型

为探究干湿循环作用对片岩抗剪特性的影响,以鄂西北广泛分布的云母石英片岩为研究对象,通过直剪试验揭示其在干湿循环作用下抗剪性能的劣化规律,并建立损伤劣化模型。结果表明:云母石英片岩抗剪性能在干湿循环作用下劣化效应明显,且前期劣化速率较快、幅度较大,后期劣化速率减慢、幅度降低;干湿循环20次后,云母石英片岩不同法向应力下峰值剪应力劣化度为16.27%~29.59%,黏聚力、内摩擦角劣化度分别为26.58%、15.36%,黏聚力对干湿循环作用的影响更为敏感。基于Lemaitre损伤理论与统计损伤本构模型,建立起云母石英片岩抗剪强度损伤劣化模型,计算所得峰值剪应力预测值与试验值相对误差为1%~6%,可有效预测干湿循环作用下云母石英片岩的抗剪强度变化。

不同微波功率照射下花岗岩损伤劣化特征试验研究

为了研究花岗岩经微波照射后的损伤演化及强度劣化特征,采用4种不同参数的微波对花岗岩进行照射,试验研究不同微波照射功率下花岗岩的孔隙结构演化和损伤劣化特征。开展了微波照射后岩石试样硬度测试、表面温度测量和声波波速测试等试验,总结了花岗岩经过微波照射试验后的硬度、表面升温特性和波速等宏观力学参数变化规律。同时,利用微波照射后花岗岩试样的孔隙度分布、核磁共振T2谱和单轴抗压强度等研究成果,对花岗岩在不同微波功率下的损伤劣化特征进行了验证。结果表明:随着微波照射功率的增加,花岗岩试样的硬度和波速降低、试样内部的孔隙度增大、单轴抗压强度降低,试样内部的微裂隙不断发育且损伤劣化特征越加明显。

玄武岩纤维再生混凝土抗冻性能及损伤劣化模型

为了研究纤维再生混凝土的抗冻性能,提高寒区再生混凝土结构服役寿命,试验采用等体积再生骨料替代石子制备了5组不同玄武岩纤维掺量的再生混凝土,分别从质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度和抗拉强度等方面探讨纤维再生混凝土抗冻性能损伤劣化规律。研究结果表明:冻融初期,再生混凝土质量损失率呈现负增长现象,相对动弹性模量、抗压强度和抗拉强度曲线随冻融循环次数的增加呈下降趋势;玄武岩纤维加入能够减缓再生混凝土冻融破坏,掺量为1.2 kg·m^(-3)时再生混凝土的抗冻性能最优;纤维加入对冻融作用下再生混凝土抗拉强度的作用效果优于抗压强度。建立了基于相对动弹性模量和强度为损伤变量的线性及多项式损伤劣化模型,模型可以准确预测纤维再生混凝土冻融损伤劣化程度。

基于有效承载力损伤劣化的深部煤层底板岩体变形破坏机制研究

针对深部煤层底板变形破坏机制开展研究,构建了考虑原生裂纹面滑移变形和翼状裂纹扩展的断裂力学模型,推导出考虑裂纹滑移扩展变形的损伤因子理论公式,建立损伤劣化影响下有效承载应力相比于名义应力增长幅度表达式,分析其与相关影响因素的关系。研究结果表明,考虑损伤劣化影响情况下有效承载应力相比于名义应力的增长幅度与承压水压力、裂纹连通率、最大主应力、裂纹倾角、裂纹半长度呈正相关关系,与裂纹面摩擦系数、最小主应力、损伤劣化系数呈负相关关系。说明原生裂纹面长度的增加、偏应力的增大,加剧了岩体自身的损伤程度,增大了非损伤岩石的有效承载应力。通过注浆加固改造岩体裂纹面的摩擦系数,减小裂纹连通率和裂隙间水压力,有助于提升岩体的完整性,减小非损伤岩石的有效承载应力,提高煤层底板岩体的稳定性。

井壁混凝土在早期荷载作用下的损伤劣化研究

在井壁施工期间,随着井筒穿越冲积层厚度的增加,井壁混凝土所受到的冻结应力、自重应力等各种早龄期荷载也随之增加.这些荷载极可能对早龄期混凝土产生不利影响.现通过空间轴对称问题的弹性力学解答得到施工期间井壁混凝土所受早期荷载的具体数值,并以此为基础自行设计应力加载装置以及尽量符合现实施工条件的试验方案.结果表明,这些早期荷载可混凝土内部缺陷增加,在一定程度上可使井壁混凝土微结构产生损伤,可能降低抗化学侵蚀能力.当荷载控制在一定比例下,这种损伤对结构安全性影响不大.

冻融循环条件下水泥土损伤劣化特征研究

水泥土材料目前在寒区工程建设中被广泛应用,寒区气候温度交替变化,对水泥土各方面性能影响较大,因此,研究冻融循环条件下水泥土的损伤劣化特征对于寒区工程建设和工程设计具有重要的参考价值。将取自新疆某边坡的原状土与普通水泥配制成水泥土,在冻结温度为-20℃、融解温度为20℃条件下分别进行0,3,9,15次冻融循环试验,不同循环次数后对水泥土试样进行单轴抗压强度试验和质量变化测定。在此基础上,采用扫描电镜分析水泥土的微观结构变化,探讨冻融循环条件下水泥土的损伤劣化机制。结果表明,水泥土的抗压强度和剩余质量随着冻融循环次数的增加而降低,水泥土抗压强度随冻融循环次数的变化规律可用关系式Rc=-0.11n+3.29表达。

冻融循环条件下聚丙烯酰胺水泥土损伤劣化特征研究

研究聚丙烯酰胺水泥土在冻融循环条件下所表现出的损伤劣化特征对于水泥土材料在寒区工程建设中的应用具有重要的参考价值。配制15%水泥掺量和3%、5%、7%、10%聚丙烯酰胺掺量的水泥土试件共20组,在冻结温度为-20℃,融解温度为20℃条件下,分别进行0,3,9和15次冻融循环试验;并在不同循环次数后对水泥土试样进行质量变化测定和无侧限抗压强度试验。在此基础上,采用扫描电镜分析水泥土内部微观结构变化,探讨冻融循环条件下聚丙烯酰胺水泥土的损伤劣化机制。结果表明,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当聚丙烯酰胺掺量一定时,水泥土抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着聚丙烯酰胺掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且水泥土强度的提高对聚丙烯酰胺存在一个最优掺量。

盐渍土通电环境中钢筋混凝土损伤劣化及尺寸效应试验研究

针对西部盐渍土地区混凝土结构在电流与腐蚀离子综合作用下耐久性突出问题,设计了室内恒电流通电加速试验,同时考虑试件尺寸效应的影响,将100 mm×100 mm×100 mm立方体及100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件置于盐渍土中进行耐久性试验,采用电化学方法进行腐蚀监测,利用裂缝观测仪密切关注裂缝开展情况,腐蚀结束后分别对混凝土及钢筋进行电镜扫描。研究结果表明:在盐渍土通电加速环境下,钢筋混凝土经历了失钝、自由膨胀、应力增长、裂缝开展四个阶段。钢筋表面有层片状、团簇状、颗粒状的疏松结构生成,锈蚀产物呈黑色、褐色,混凝土内有针杆状、冰溜状、薯条状晶体生长,裂缝沿钢筋周围纵向开展、分布。立方体试件腐蚀电位、腐蚀电流密度、裂缝开展宽度等指标均显著高于棱柱体试件,且立方体试件实际腐蚀效率是棱柱体试件的1.5~1.6倍。钢筋混凝土试件尺寸效应显著,强度等级越高,尺寸效应越明显,且对于普通强度等级钢筋混凝土,尺寸效应对其耐久性影响程度高于强度等级。

氯盐侵蚀纤维混凝土的损伤劣化规律

本研究通过氯盐溶液浸泡试验,以侵蚀龄期内钢纤维(SFs)体积掺量(2%、4%)、聚乙烯醇纤维体积掺量(0.05%、0.1%)、粉煤灰质量替代率(15%、30%)为影响因素,逐一测量混凝土的质量、相对动弹性模量、抗压强度及劈裂抗拉强度损失,研究氯盐侵蚀环境下混凝土的损伤劣化规律。结果表明,钢纤维(SFs)掺量越高混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度越好,而掺入0.1%的聚乙烯醇纤维和30%的粉煤灰时,可以有效抑制混凝土动弹性模量损失并提高劈裂抗拉能力。建立了拟合度较高的可以有效反映氯盐侵蚀环境下混杂纤维混凝土损伤劣化规律的二次函数损伤模型。

酸环境干湿循环作用下泥灰岩损伤劣化分析

针对库区消落带泥灰岩的最不利作用环境——酸环境干湿循环下力学性质损伤劣化问题,以岸坡泥灰岩为研究对象,分别开展pH=3,5,7溶液条件下的干湿循环试验,分析了酸环境干湿循环作用下泥灰岩单轴抗压强度的劣化规律,查明了其对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性,采用颗粒流软件对比探究了不同循环次数对力学强度参数的影响规律,并结合库区消落带岩体劣化现象分析了层进劣化机理。研究结果表明:pH=3,5,7溶液环境下泥灰岩单轴抗压强度变化均与干湿循环次数呈反比关系,累积劣化度Sn在34.79%~54.31%之间变化,且呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的变化趋势,而峰值应力劣化范围为8.79%~35.61%;泥灰岩黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E均随干湿循环次数的增加而不断降低,且损伤劣化以圈层渐进的模式进行;库区消落带岩体受到酸溶液干湿循环作用后,附近岩体会萌生大量次生裂隙,随着循环次数的推进及损伤的持续累积,裂隙逐渐贯通并向坡内层进扩展,扩展范围和速率与干湿循环次数和溶液pH值有关。以上分析结论与规律可为库岸山体滑坡崩塌失稳、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等灾害的预测与应急防治提供科学依据和理论方法。

西部盐雾腐蚀环境下基于Wiener模型的纤维混凝土损伤劣化研究

结合我国西部地区察尔汗盐湖特点,通过配制与盐湖卤水相同SO 42-浓度的腐蚀溶液,以钢纤维(STF)体积掺量(1%、2%)和玄武岩纤维(BF)体积掺量(0.1%、0.2%)为变化参数,对混凝土进行共计200 d周期的室内盐雾腐蚀加速试验,模拟纤维混凝土在盐湖地区的耐久性损伤劣化。采用随机效应约束条件下建立了Wiener相对动弹性模量退化模型,对混凝土剩余寿命进行可靠度预测。结果表明:钢纤维掺量为2%、玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土耐久性损伤变化量最小,所预测的剩余寿命为354 d;掺入适量的钢-玄武岩纤维能够有效改善混凝土在盐雾腐蚀环境下的耐久性损伤劣化过程;改进的Wiener模型预测结果与实测结果吻合较好,具有较高的可靠性。研究成果可为西部盐湖地区土木建设提供理论参考依据。

聚丙烯纤维橡胶混凝土的抗冻性能及损伤劣化模型

为提高寒冷地区橡胶混凝土路面的抗冻性能,延长其服役寿命,研究聚丙烯纤维掺量对橡胶混凝土抗冻性能的影响。结果表明:试件质量损失率在冻融初期呈负增长,相对动弹性模量和强度随冻融循环次数的增加均逐渐降低;聚丙烯纤维能提高橡胶混凝土的抗冻性能,对试件抗拉强度的提高效果优于抗压强度。根据损伤力学,定义了聚丙烯纤维橡胶混凝土的冻融损伤程度,并基于相对动弹性模量、抗压和抗拉强度建立了冻融损伤劣化模型,该模型能准确预测聚丙烯纤维橡胶混凝土的冻融损伤劣化规律。

冻融循环条件下英安岩损伤劣化力学机理研究

岩石的变形及破坏是高寒地区较为常见的工程地质问题,为了揭示岩石在冻融环境下的损伤及变形破坏演化深层规律,选取西藏如美水电站中坝址右岸出露的英安岩为研究对象进行深入分析。首先利用扫描电镜-X射线能谱仪(scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer,SEM-EDS)对英安岩进行矿物成分分析,随后开展单轴压缩试验并结合相关、偏相关分析确定对试样力学特性影响最大的矿物成分。通过模拟研究区真实的冻融环境开展冻融循环试验,结合不同冻融次数下试样物理性质及细观结构的变化情况进行深入分析并采用数值仿真模拟重现冻融循环过程中试样内部温度及应力应变的演化特征,揭示英安岩冻融损伤劣化的力学机理。研究结果表明:英安岩呈现脆性破坏主要是由斜长石和石英的损伤劣化所引起的,其中斜长石和石英矿物晶体间产生的脆性裂纹以及两者游离态晶体颗粒的析出是英安岩劣化微裂隙扩展的关键因素,沿石英和斜长石晶体晶界结构所产生的脆性断裂是英安岩细观损伤延伸扩展的主要形式。数值模拟结果表明:冻融循环过程中英安岩内部的温度变化响应及分布形态主要受细观结构控制,裂隙端部所产生的拉应力及剪应力集中区是裂隙延伸扩展的力学基础。

温度作用下砂岩损伤劣化本构模型研究

砂岩在对温度变化的响应和敏感性上表现出显著的差异性,温度作用下砂岩的损伤劣化将对边坡稳定产生重要影响.基于此,在不同温度、孔隙水压、围压作用下砂岩试验数据基础上,根据三轴压缩应力-应变曲线特点,运用连续损伤理论和统计方法,选取弹性模量作为损伤变量,推导砂岩在温度及水压作用下的损伤演化方程,建立考虑温度效应和水压作用的砂岩损伤本构模型.对比分析表明,建立的本构模型计算理论与实际试验曲线吻合较好,说明建立的本构方程可以较好地反映温度作用下砂岩损伤效应.

混凝土结构损伤劣化机理及加固维护技术研究

在对选煤厂主厂房使用环境与钢筋混凝土结构可靠性检测及主体结构安全性设计复核验算的基础上,对主厂房钢筋混凝土结构所处特殊的自然环境、工艺及力学环境进行了定性和定量的分析,探讨了自然环境中气态、液态、固态介质对钢筋混凝土结构腐蚀的耦合作用以及恶劣自然环境与特殊力学环境的长期耦合作用,提出了选煤厂主厂房钢筋混凝土结构损伤劣化机理和有效的加固维护技术,为保证主厂房钢筋混凝土结构的可靠性提供依据。

日本皮革、织物养护五位专家谈——聚氨酯合成革的损伤劣化与PVC皮革的硬化

本文以网络座谈的形式分析了聚氨酯合成革的损伤劣化与PVC皮革硬化的原因,提出了确定合成革劣化的试验方法,最后分析了JIS标准发布对合成革洗涤的影响。

疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究进展

建筑物真实的服役状态是承受的荷载与环境的同时作用。概述了目前关于混凝土在疲劳荷载与环境因素耦合作用下的损伤劣化规律的研究。从材料、结构角度对疲劳荷载和腐蚀介质的耦合作用进行了总结与分析。重点论述了严寒地区桥梁、高速铁路等在疲劳荷载和冻融循环耦合作用下的损伤劣化特征。阐述了目前广泛采用的间接耦合作用方式——交替作用存在的问题,并提出从与材料细观结构密切相关的内应力角度,同时结合疲劳效应解决这一问题的可能办法。