分级循环卸-加围压下粉砂岩的力学特征

针对不同的实际工程,开展不同应力路径的试验来研究岩体的力学特性是解决实际问题的关键。为研究粉砂岩在围压循环卸-加载特殊应力路径下的力学特征,采用MTS815岩石力学测试系统开展不同轴力水平下分级循环卸-加载围压试验,研究不同轴力水平下轴、环向塑性应变及弹性模量的演化特征,并结合耗散能量的计算,分析能量演化与试件变形破坏之间的关系。结果表明:随着循环次数的增加,滞回环向应变增大方向移动,卸-加围压下应力-应变曲线逐渐闭合,滞回环间距整体表现为由“疏”到“密”的变化特征;单一变量时,围压卸载等级越低弹性模量越低,轴力水平越低弹性模量越高,弹性模量受轴力水平和围压卸载等级两种参量共同作用;单次循环中环向塑性应变在数值上总是大于对应的轴向塑性应变,循环卸-加围压特殊应力路径下,高轴力水平下岩石抵抗塑性变形的能力要强于低轴力水平;岩石破坏最终所耗散的总能量与轴力水平一定程度上呈线性正相关。

大理岩加卸载力学特性的研究

利用锦屏一级水电站坝址区边坡的大理岩试件进行了加载和卸载条件下的系列三轴试验,对大理岩在加、卸载条件下的力学参数进行了计算整理,并对其应力–应变全过程曲线进行分析和比较。结果表明,大理岩在不同试验路径下的参数变化明显同加载条件比较,卸载条件下的变形模量减小,相同围压条件下抗压强度减小,而抗剪断强度参数中c值大幅减小、?值略有增加;在破坏过程中表现为卸载条件下侧向应变值较同等围压加载条件时增大,塑性特征减弱而脆性特征增强。这一结果揭示了大理岩在加、卸载条件下力学特性的具体差异,对解决工程实际问题有重要的参考价值。

循环冲击作用下岩石应力应变曲线及应力波特性

利用研制的岩石动静组合加载实验装置进行循环冲击实验,研究了在循环冲击过程中岩石典型的动态应力应变曲线及反射波和透射波的变化规律。结果表明:岩石在循环冲击过程中的动态应力应变曲线可分为压密阶段、弹性阶段、内部裂纹扩展的加载阶段、第1卸载阶段和第2卸载阶段等5个阶段。在相同入射波循环作用下,随着循环次数的增加,岩石的反射波峰值越来越大,反射波峰值出现的时间越来越迟,透射波峰值越来越小,透射波峰值出现的时间越来越早,表明在循环冲击过程中岩石内部损伤逐渐累积,从而导致抵抗外部冲击载荷的能力逐渐降低。

双向激振循环荷载作用下饱和软黏土强度和变形特性研究

通过不排水循环三轴试验分别对单、双向激振下各向同性与各向异性固结的杭州软黏土的动力特性进行研究。研究结果表明,随着径向循环应力比的增加,循环应变幅与孔压幅值增加速度加快,导致土样在较小循环次数发生破坏。双向激振下,随着初始剪应力的增加,峰值孔压以及孔压幅值未见明显变化,这与单向激振的结果不同。双向激振下,饱和软黏土还存在着门槛径向循环应力比。当径向循环应力比小于该值时,双向激振循环荷载不能加速土体的破坏。随着径向循环应力比的增加,在半对数坐标下双向激振下饱和软黏土的转折应变近似线性增加,以该应变为破坏标准可得到双向激振下土体的动强度曲线。随着径向循环应力比的增加,土体的动强度降低。与单向激振循环荷载相比,双向激振下的动强度曲线更为陡峭,土体强度衰减更快。由此可知,在实际的抗震设计中,如果忽略双向振动对土体强度的影响,显然是不安全的。

循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析

根据设计改装的循环动单轴压缩试验,研究不同含水率、不同轴向应力水平、不同循环加载次数、不同应力加载路径条件下路基土的塑性力学行为,并结合shakedown概念,界定了循环动荷载作用下红黏土的安定界限(shakedown limit)和临界应力水平,系统地分析了影响循环动荷载作用下路基土力学行为的因素和永久变形的发展趋势,以及路基土在循环载荷作用下的力学行为发展规律。通过试验结果的分析,把红黏土的塑性变形分为稳定、破坏和临界3个阶段,并按3个阶段划分出可接受状态和不可接受状态,由此确定路基红黏土在循环荷载作用下的临界应力水平为41.8%。

爆炸自紧残余应力及对构件疲劳强度的影响

用贴腻子炸药法和动液压法两种爆轰工艺对不同类型厚壁构件实施了爆炸自增强处理,并对爆炸处理形成的残余应力进行了实验测定.对内壁有缺口和裂缝的厚壁圆环以及带缺口的超高压圆筒和四通构件进行了爆炸自紧处理并进行了疲劳实验检验,结果是:在高周疲劳阶段,经爆炸处理的构件缺口根部疲劳裂纹萌生寿命可提高5倍,内压疲劳开裂寿命可提高8～10倍.在低周塑性疲劳阶段构件的疲劳开裂寿命仍可提高1倍左右.由于用贴腻子炸药方法可使构件表面硬度增加从而获得更高的残余压应力,故其自增强效果优于动液压法.

金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述

在喷丸强化机理中,除了"应力强化机制"之外,还存在另外一种"组织结构强化机制"。为了证明这一种新强化机制的存在,采用了XRD、喷丸残余应力、显微硬度以及疲劳等各种试验方法,对喷丸靶材表层的组织结构改性后的力学行为进行了试验测定。结果表明:喷丸引入靶材的残余压应力是一种改善疲劳断裂抗力的"应力强化机制",但是它只能改善正断型模式而不能用来改善切断型模式的疲劳断裂抗力。对改善切断型模式的疲劳断裂抗力起决定性作用的是"组织结构强化机制"。因此作者认为,喷丸强化机理中至少存在上述两种强化机制。

42CrMo VNb细晶高强度钢的力学行为

通过快速循环热处理和改变奥氏体化温度的方法获得不同的原奥氏体晶粒尺寸,研究了晶粒尺寸特别是超细晶粒尺寸对中碳42CrMoVNb钢力学行为的影响。结果表明,晶粒从8μm细化到4μm时,实验钢的强度提高、塑性下降,除弹性变形能外,单轴拉伸的形变强化指数、均匀塑性变形能、裂纹扩展能和总能量均有所降低;当晶粒进一步细化到2μm时,强度不再提高。随着回火温度的升高,强度随晶粒细化而提高的幅度减小。晶粒细化能够明显地提高实验钢冲击断裂时所吸收的能量,降低韧脆转变温度。

TiNi形状记忆合金与不锈钢激光钎焊AgCuZnSn钎料的研制

成功研制一种适合于TiNi形状记忆合金与不锈钢异质材料钎焊,并可安全应用于医学领域的新型AgCuZnSn银基钎料.对AgCuZnSn系钎料的熔化特性、微观组织、钎焊工艺特性及接头力学性能进行了研究.结果表明,所研制AgCuZnSn银基钎料成分为Ag51～53Cu21～23Zn17～19Sn7～9,固相线温度为590.0 ℃,液相线温度为635.3 ℃.该钎料主要由α-Ag固溶体、α-(Cu,Zn)固溶体和Ag-Cu共晶相组成,并含有少量Cu41Sn11、AgZn、Ag3Sn、Cu5Zn8等化合物.采用该钎料钎焊TiNi形状记忆合金与不锈钢,接头强度达320～360 MPa,同时TiNi形状记忆合金性能损失较小.新型钎料熔点低、钎焊冶金特性优异,钎焊接头界面冶金结合平直、致密.

钢纤维橡胶混凝土的循环受压应力-应变关系

采用等强配合比优化设计来制备橡胶掺量0%~20.0%、钢纤维掺量0%~1.5%的12组钢纤维橡胶混凝土(SFR‑RuC)试件,并且通过单轴循环受压应力-应变全曲线试验分析其循环受压力学性能.结果表明:配合比优化设计后,在橡胶掺量为20.0%时可以得到与普通C60混凝土基本等强的SFR‑RuC;与普通混凝土、橡胶混凝土及钢纤维混凝土相比,SFR‑RuC的循环受压力学性能更优,破坏呈明显延性特征,延性和韧性更高,滞回耗能能力更强,塑性应变累积和刚度退化更缓慢;综合考虑橡胶及钢纤维掺量的影响,在试验数据基础上提出的SFR‑RuC单轴循环受压应力-应变关系模型,可以为SFR‑RuC结构的设计分析提供一定的理论基础.

反复荷载下GFRP筋与混凝土黏结性能

对直径为16mm,埋深分别为4d、5d、8d的玻璃纤维增强(GFRP)筋标准立方体拉拔试件进行静载和反复荷载作用下的拉拔试验,研究了2种不同应力水平(60%Fm、80%Fm)的反复荷载作用下GFRP筋与混凝土之间的黏结滑移关系,埋深与黏结强度关系,黏结刚度、加载端滑移量随循环次数的演变规律,得到了反复荷载下黏结滑移滞回曲线变化规律。结果表明,反复荷载下较少的循环次数对黏结强度和滑移量的影响不大;当反复荷载应力水平不高、循环次数较少时,黏结强度没有显著的退化,反而在一定程度上有所增加;较高应力水平反复荷载下,GFRP筋与混凝土之间的黏结强度退化较显著。

双轴循环荷载下混凝土动态力学特性研究

进行了不同侧压力(0、80、230、390 k N)、不同应变速率(10-2/s、10-3/s、10-4/s、10-5/s)下,混凝土的轴向循环加卸载压缩试验,研究了循环加卸载下,混凝土在不同应变速率和侧压下的动态力学特性变化规律。结果表明:随着侧压的增加,混凝土抗压强度的率敏感性降低;混凝土的峰值应变随应变速率的增大总体呈现减小的趋势,且随着侧压的增大,峰值应变逐渐增大。随着应变速率的增加,混凝土循环加卸载应力–应变全曲线所经历的循环次数逐渐减小,且全曲线外包络线上升段形状愈来愈"陡"。当应变速率一定时,随着侧应力的增大,峰值应力以前循环次数不断增多,即侧应力延缓了损失,推迟了破坏。

岩体强度衰减多线性模型与巷道围岩塑性区

建立了岩体多线性强度衰减力学模型，无限逼近岩体全应力－应度曲线的后破坏段，更好地描述了岩体塑性软化后强度降低的特点，适用于巷道围岩塑性区应力的分析计算．

McDowell模型改进及1070钢棘轮效应的预测

利用McDowell 模型对1070 钢比例和非比例循环加载条件下的棘轮效应进行了预测,通过对McDowell模型的修正,为McDowell 模型中的单轴参数Ai引入了与塑性应变累积相关的演化方程,改进后的McDowell 模型能精确的预测具有拉压平均应力的单轴棘轮效应,具有平均应力的拉扭比例加载,常轴向应力的扭转循环,非比例循环载荷以及多重步骤加载条件下单轴平均应力变化的棘轮效应,改进的模型对较大循环数的棘轮效应也能给予较好的描述。

竹木复合层合板疲劳与循环蠕变的累积损伤研究

为了对疲劳与循环蠕变交互作用下的损伤进行定量描述,采用一种考虑应变比率和弹性模量2个参数共同描述损伤的变量,并建立了损伤力学模型,该模型能够综合表现疲劳循环过程中塑性应变变化和弹性模量变化规律。通过对竹木复合层合板在80%、75%和70%3种应力水平下的纯疲劳弯曲试验,得出其损伤变量变化规律的实验曲线。通过对力学模型进行分段求解的方法,得到了竹木复合层合板在疲劳与循环蠕变交互作用下的累积损伤的拟合曲线。结果表明,该损伤参量及损伤模型可以较准确的描述在疲劳与循环蠕变交互作用下竹木复合层合板的损伤累积变化规律。

海上中等强度砂岩出砂预测研究

针对中等强度砂岩岩石力学特性,采用岩石应力场与流体渗流场相耦合的方法建立了出砂预测模型,对生产过程中井壁岩石塑性区的扩展进行模拟,对出砂临界生产压差进行了计算。结果表明,非均匀地应力条件下塑性区最先在最小地应力方向出现,随着井底流压的降低,塑性逐渐扩展,并最终呈现椭圆状。由于塑性的影响井周应力发生变化,切向应力降低严重,井壁上的切向应力降为最小。井壁岩石的等效塑性应变超过0.0045,此时井壁岩石会发生大规模的脱落,造成严重出砂。实际生产表明,井底流压13MPa时,井口无出砂,计算结果与现场监测结果一致,较好地指导了现场完井防砂的选择。

部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究

围压循环变化将引起土体孔压累积,加剧土体累积塑性应变,导致地基灾变事故。为研究围压循环变化对饱和粉质黏土变形特性的影响,利用GDS双向振动三轴仪,进行部分排水时饱和粉质黏土的变围压循环三轴试验,研究不同应力路径斜率和循环动应力比时饱和粉质黏土的孔压、轴向累积塑性应变和体应变发展规律,建立部分排水条件时考虑循环围压和循环动应力耦合作用的地基粉质黏土累积应变数学模型。试验结果表明:部分排水时饱和粉质黏土孔压、轴向累积塑性应变和体应变均随循环动应力比和应力路径斜率的增大而增大;动孔压比随着振动次数的增加明显分为急剧增加、快速下降和持续平稳3个阶段;轴向累积塑性应变和体应变均随振动次数的增加而增大。当加载次数超过2 500次时,粉质黏土孔压趋于平稳,变形速率略有降低,但变形持续增加。补充试验结果表明,所建立模型与试验结果具有较高的一致性。研究结果将为交通循环荷载导致的地基灾变控制技术提供理论依据。

三轴多级循环加载下不同类型岩石的应力应变响应特性研究

岩石在动荷载作用下将表现出与在静荷载作用下显著不同的力学特性。采用MTS-815 Flex Test GT岩石力学试验机对从某一地震滑坡区采集的两种岩石(白云岩和千枚岩)开展了三轴多级循环加卸载试验,旨在获得这两种岩石在循环荷载下的力学特性。试验采用的围压为10 MPa,正弦波加载频率为2 Hz,每级应力水平下的循环周次为60。基于试验获得的轴向应力—应变全过程曲线,着重分析了两种岩石的应力—应变曲线特征、累积残余应变特征和回滞环特征,并分析了循环周次和应力幅值对这些特征的影响。结果表明:1)两种岩石在一次循环加卸载过程中产生的应力应变回滞环具有相似的窄尖叶形状。在加载过程中,岩样以线弹性变形为主,应力—应变曲线为近似直线;在加载与卸载的过渡阶段,曲线迅速逆转,表明弹性应变迅速恢复;卸载过程中出现了相对于应力的小应变滞后现象,应力—应变曲线为上凹形;2)两种岩石的累积残余应变和回滞环特征参数随着循环周次和应力幅值增加呈现出三阶段变化规律,但此规律受岩石初始缺陷的影响很大。对于非均质化程度高的千枚岩样而言,上述规律性明显弱得多;3)在多级循环加载作用下,两种岩石均为剪切破坏,峰值强度都较静态峰值强度有所降低,表现出了疲劳破坏特性。本研究成果有助于更好地理解岩石在动态循环荷载下的力学响应行为,也可为后续从岩石力学角度分析地震作用下大型岩质滑坡的形成机理提供理论支撑。

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明:温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。

红砂岩中矿物颗粒的塑性应变分析

为定量研究砂岩中矿物颗粒在载荷作用下的塑性应变和应力,揭示岩石内部赤铁矿颗粒的变形行为,基于弹塑性力学理论和张量分析,采用X射线CT对砂岩三维结构进行扫描(空间分辨率为4.6μm),分析岩石内部矿物颗粒的运移规律,并提出了岩石矿物颗粒变形梯度张量计算的方法研究其塑性应变。首先对砂岩矿物颗粒位移进行提取,并采用Non Local Means滤波算法对砂岩三维数字图像去噪;然后基于砂岩三维结构,对不同矿物组分进行分割,通过构造主轴应变的变形张量,计算砂岩矿物颗粒的变形梯度和应力、应变分量。结果表明:该滤波算法对砂岩CT图像和射束硬化现象具有显著改善效果。此外,基于X射线CT的砂岩原位测试结果显示,砂岩内部存在较复杂的变形行为和应力响应,且在断裂带和非断裂区域变形行为有着显著差异;岩石内部颗粒在Z轴方向受到压应力,而在XY平面受到拉伸应力的作用,同时矿物颗粒内部存在较大的塑性应变,且试样内部颗粒的应变和应力要远远大于试样宏观应变和应力。该方法对于揭示岩体内部结构和应力、应变状态演化过程具有重要作用。