螺栓连接和拉铆连接在剪切循环荷载作用下的松动行为研究

拉铆连接凭借其优秀的防松性能,被应用于越来越多的工程领域。为研究国产新型拉铆钉在剪切循环荷载作用下的松动性能,以应用最为广泛的螺栓连接为对照,分别对规格为8 mm的4.8级普通螺栓、4.8级防松螺栓以及小规格拉铆钉进行剪切循环荷载下的松动试验研究,分析了三类连接在剪切循环荷载作用下的松动过程,研究了荷载幅值和频率对螺栓连接和拉铆连接松动行为的影响。结合微观测试手段分析其损伤形貌,进一步研究剪切循环荷载下螺栓和拉铆钉的防松原理及微动损伤机制。研究表明:在同种工况下拉铆连接的防松性能优于螺栓连接的防松性能;当荷载幅值增大或荷载频率减小时,螺栓连接和拉铆连接的松动程度增大;相较于螺栓,拉铆钉独特的圆弧结构牙型和铆接成型后牙型配合面的过盈配合机制,使其防松性能有明显提升;螺栓与拉铆钉的磨损机制主要是磨粒磨损和疲劳磨损。

SnAgCu/Cu和SnPb/Cu界面热剪切循环条件下化合物的生长行为

对热剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu和Sn-Pb/Cu界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明:再流焊后,在两界面上均形成一种Cu6Sn5化合物;随着热剪切循环周数的增加,两界面上化合物的形态均从扇贝状向层状生长,其厚度随循环周数的增加而增加,且生长基本遵循抛物线规律,说明Cu原子的扩散控制了Cu6Sn5化合物的生长。界面近域的钎料内,颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状。

热-剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu(Ni)界面化合物生长行为研究

对热-剪切循环条件下Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料在Cu和Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明:再流焊后,在Sn-3.5Ag-0.5Cu/Ni界面上形成(CuxNi1-x)6Sn5化合物;热-剪切循环200周次后,(NixCu1-x)Sn3化合物在(CuxNi1-x)6Sn5化合物周围以片状快速长大;而Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面从钎焊到热-剪切循环720周次始终只存在Cu6Sn5金属化合物层。随着热-剪切循环周数的增加,(CuxNi1-x)6Sn5和Cu6Sn5化合物形态均从笋状向平面状生长。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加,且生长基本遵循抛物线规律,说明Cu原子的扩散控制了(CuxNi1-x)6Sn5和Cu6Sn5化合物的生长。

热—剪切循环条件下Sn3.5Ag0.5Cu/Ni界面化合物生长行为

对热-剪切循环条件下（25—125℃）Sn3．5Ago．5Cu／Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究，并将其与恒温时效条件下界面化合物的生长行为进行了比较。结果表明，再流焊后，在Sn3．5Ag0．5Cu／Ni界面上形成（CuxNi1-x）6Sn5化合物；随着热-剪切循环周数的增加，（CuxNi1-x）6Sn5化合物形态从笋状向平面状生长；热-剪切循环200周后，（NixCu1-x）Sn3码化合物在（CuxNi1-x）6Sn5化合物周围形成并呈片状快速长大。界面近域的钎料内，颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加，且生长基本遵循抛物线规律，说明Cu原子的扩散控制了（CuxNi1-x）6Sn5化合物的生长。

循环剪切作用下含可燃冰砂土-开采井界面强度弱化细观机制

含可燃冰砂土呈现埋藏浅、未成岩和强度低的特性。波浪循环荷载作用下含可燃冰砂土-开采井界面弱化特征显著,直接影响井口稳定。采用离散元方法,通过设置波浪循环荷载引起的井筒运动,研究含可燃冰砂土-开采井界面循环剪切力学特性,并从细观角度揭示界面宏观弱化机制。结果表明:可燃冰赋存导致含可燃冰砂土-开采井界面呈显著的强度弱化及剪胀体变特征,且可燃冰饱和度越高,弱化及剪胀越显著;原因在于近井区域含可燃冰砂土在循环剪切作用下形成胶结失效区域,大部分颗粒失去胶结约束,同时少部分胶结未失效的可燃冰颗粒与邻近颗粒形成较大粒径团簇,这些颗粒和团簇翻滚错动且无法充分传递荷载,导致界面产生强度弱化和剪胀体变;法向应力与剪切振幅的增大均会加剧界面试样可燃冰颗粒的胶结失效发展,强度弱化现象更为严重。

软-硬互层岩体节理峰前循环剪切疲劳损伤机理研究

三峡库区频发微小地震下岩体节理循环剪切疲劳损伤对边坡动力稳定性具有重要影响。通过室内峰前循环剪切试验和PFC2D细观数值计算,研究了考虑一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度、法向应力及循环剪切次数影响的软-硬互层岩体节理宏细观疲劳损伤机理。研究表明:①岩体节理剪切应力-剪切位移曲线历经初始非线性压剪变形、近似线弹性压剪变形、循环剪切疲劳损伤变形、应力缓升压剪变形、应力陡升压剪变形及应力脆性跌落压剪变形六个演化阶段。②岩体节理峰值(残余)剪切强度和疲劳剪切(法向)位移在相同一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度或法向应力下随循环剪切次增多而分别降低和增大;且其在相同循环剪切次数下随一阶起伏角或法向应力变大而分别增大和降低,而随含水率、剪切速率或剪切幅度变大则分别降低和增大。③宏细观结果总体上吻合较好,且岩体节理细观剪切疲劳损伤裂纹数量随剪切位移变化呈前期微增-陡增、中期缓增及后期陡增-缓增-陡增的发展特征,而其随循环剪切次数变化则呈前期陡增和后期缓增的发展特征。④岩体节理宏细观剪切疲劳损伤典型演化过程可概述为压密-起裂破坏、循环错动-贯通破坏及分离-啃断破坏3个渐进性发展阶段,且宏细观剪切疲劳损伤裂纹近似呈“倒U形”密集分布于岩体节理附近。

岩体结构面循环剪切设备和剪切力学特性的研究现状及展望

总结了岩体结构面在循环荷载作用下的力学特性若干重要问题的研究进展,包括4个方面:(1)岩体结构面表面形态信息;(2)岩体结构面循环剪切试验设备;(3)循环剪切试验影响因素;(4)结构面力学特性的描述与表征。在对现有研究成果进行评述的基础上指出了需要解决的问题和今后的发展方向。目前,结构面粗糙度描述缺乏统一的评判标准,在单向剪切中足以模拟地震动荷载的剪切设备仍有待进一步研发,且法向循环加载试验,特别是切向和法向循环荷载耦合剪切试验还有待研究,此外针对循环加载试验,仍缺乏一个完备的理论能够综合考虑所有影响因素;结构面的变形和强度公式如何选择也是一个较难解决的问题。研发新的动态、多自由度循环剪切设备,进行完备的循环剪切变形和强度公式研究是岩体结构面动态剪切问题研究的必由之路。希望本文可为今后的相关工作提供一定的参考和依据。

基于多尺寸结构面的循环剪切力学特性及其抗剪强度研究

岩石结构面的抗剪强度具有强烈的尺寸依赖性,开展结构面多尺寸试验对于研究大尺寸结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。针对过往研究较少的循环作用下结构面力学特性尺寸效应问题,首先基于立方体劈裂试验获得不同粗糙度的近天然岩石结构面,然后运用三维扫描技术获得结构面点云数据,进而采用三维打印技术制作不同尺寸结构面树脂模型,最后,通过倒模法制作试样并进行室内试验,研究不同法向应力下结构面尺寸效应的规律以及不同粗糙度和不同法向应力对结构面抗剪强度的影响。基于黏着摩擦理论-Barton经验公式,提出了一个可以考虑结构面尺寸效应的峰值抗剪强度公式。研究结果表明:岩石结构面的峰值抗剪强度具有明显的负尺寸效应,且峰值抗剪强度的改变对小尺寸大法向应力和大尺寸小法向应力下的结构面更为敏感;低法向应力下的残余剪切强度具有明显的负尺寸效应,而高法向应力下的残余剪切强度随着结构面尺寸的增大,从正尺寸效应变为负尺寸效应。

循环剪切作用下土工袋组合体动力特性试验研究

土工袋具有承载力高、阻尼大、造价低等诸多优点,是一种适用于村镇地区中、低层房屋的减/隔震材料。通过开展室内循环剪切试验对土工袋组合体的剪切应力⁃剪切应变关系、动力特性参数以及抗剪强度进行分析讨论,探究不同竖向应力与剪切应变幅值条件下土工袋组合体动剪切模量与等效阻尼比的变化规律,同时研究了循环次数对土工袋组合体动力特性参数以及抗剪强度参数的影响。试验结果表明:在小变形情况下,土工袋组合体的峰值剪切应力和动剪切模量随着循环次数的增加而逐渐增大,等效阻尼比则随着循环次数的增加而逐渐减小;在大变形情况下,土工袋组合体发生层间滑移并出现界面软化现象,此时的峰值剪切应力(抗剪强度)随着循环次数的增加而逐渐减小,动力特性参数随循环次数的变化与小变形情况下完全相反。随着循环次数的增加,土工袋组合体的抗剪强度参数似摩擦角逐渐减小,似黏聚力逐渐增大并趋于稳定。在剪切应变幅值较大的情况下,土工袋组合体通过袋内土体的剪切变形以及土工袋层间滑移产生摩擦耗能,具有较好的减振消能效果。

循环剪切载荷作用下砂岩的强度劣化特征

交通荷载、地震等引入的动态循环载荷对围岩剪切力学特性的劣化对隧道工程长期安全运行有重要影响。对复杂扰动载荷影响下的隧道围岩受力特征科学凝练,开展循环剪切载荷作用下砂岩的直接剪切试验,探究不同剪切静态预应力水平砂岩的强度劣化特征。研究结果表明:(1)幅值为20%τj的动态循环剪切载荷作用过程中,静态预应力水平较低砂岩并不会破坏。(2)动态循环剪切载荷引起的损伤与静态预应力水平成正比,动态循环剪切载荷作用后,剪切静态预应力水平为60%τj和70%τj的砂岩强度相较静态剪切对照组分别降低1.68%和6.91%。在隧道设计和长期稳定运行监测中,应该充分考虑到交通荷载、地震等引入的扰动应力波对围岩剪切强度的劣化。(3)动态循环剪切过程中失稳砂岩的剪胀效应显著,在隧道等岩体工程中,应特别注意动态剪应力导致的围岩剪胀对隧道衬砌等的影响。

密实度不同时格栅–砂土界面循环剪切及其后直剪特性

为研究密实度不同时格栅–砂土界面在经历循环剪切及其后的表现,采用大型直剪仪进行了一系列大型单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验。并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行对比分析。结果表明:单调直剪试验中,随着砂土密实度的增加筋土界面抗剪强度增加,剪切体胀现象变的明显;格栅–密砂界面发生循环剪切软化现象,土样在循环剪切过程当中整体上发生剪缩,且砂土密实度越大经历相同循环次数时的剪缩量越小;循环后单调直剪试验中,3种砂土密实度界面抗剪强度发展曲线都为软化型,在直剪过程中都发生自始至终的剪胀;遭受循环剪切后密砂–格栅界面抗剪强度发生了退化。

循环剪切荷载作用下充填物对结构面剪切特性影响试验研究

利用相似材料复制劈裂结构面,进行常法向应力下循环剪切试验,研究无充填、充填黄泥3mm、充填石膏3mm和充填岩屑3 mm条件下结构面循环剪切强度、变形和形貌演化特性。结果表明:(1)循环剪切中占主导地位的破坏模式会发生改变,无充填时由剪断破坏向磨损破坏转化,充填黄泥时主要为滑移破坏,充填石膏时由剪断破坏向滑移破坏再向磨损破坏转化,充填岩屑时由剪断破坏向磨损破坏转化。(2)随着循环剪切次数增加,无充填和充填黄泥时峰值剪应力以减速率减小,充填石膏和岩屑时峰值剪应力先减小再以减速率增大,充填物会弱化结构面循环剪切强度,其中以黄泥的弱化影响最大。(3)不同充填材料条件下,结构面循环剪切中平均剪胀角均以减速率减小,有充填时循环剪切中剪缩现象更明显,其中充填黄泥时剪缩幅度最小,充填石膏时剪缩幅度最大。(4)有充填物条件下,循环剪切后结构面磨损程度比无充填条件下要小,其中以充填黄泥时磨损程度最小,充填石膏时磨损程度相对最大。

筋—土界面循环剪切刚度和阻尼比的试验研究

为了研究筋—土界面在遭受动力作用时的表现,利用大型直剪仪对土工格栅、土工编织布、土工无纺布和砂土界面进行了一系列循环剪切试验,得到了不同工况下界面的剪切刚度和阻尼比,并探究了循环次数与剪切刚度和阻尼比之间的规律。研究结果表明,同一循环次数时格栅—土界面的循环剪切刚度最大,土工编织布—土界面的阻尼比最大;剪切位移幅值为3 mm时3种竖向应力下界面都呈现出循环剪切硬化的特征,随着循环次数的增加,各竖向应力下的界面阻尼比有趋于某一值的趋势;砂土密实度越大,同一循环次数对应的剪切刚度越大,阻尼比越小,且随着循环次数的增加3种砂土密实度的界面阻尼比有趋于同一值的趋势;循环剪切位移幅值为5 mm的界面发生循环剪切软化现象,剪切位移幅值越大,界面同一循环次数的阻尼比也越大。

循环剪切荷载作用下岩石节理强度劣化规律试验模拟研究

采用水泥砂浆为相似材料,制备5种起伏角度、3种岩壁强度的锯齿型节理试样。利用自行研制的节理循环剪切试验机,对制备的节理试样进行4种法向应力下的循环剪切试验。根据循环剪切试验过程和试验曲线,分析单个剪切循环中应力-位移曲线的峰值强度特点,以τfn来表示节理在第n个剪切循环中的峰值剪切强度;并进一步定义Rτ=τfn/τf1为剪切强度比,来表征节理在循环剪切荷载作用下经历一定剪切循环后峰值强度的劣化程度。基于多种条件下的节理循环剪切试验结果和定义的指标,分析峰值剪切强度τfn随循环剪切周期N的变化规律;并通过对比不同工况的试验结果,分析起伏角度、法向应力、岩壁强度对循环剪切荷载作用下节理强度劣化规律的影响。

循环剪切荷载作用下岩石节理变形特性试验研究

以水泥砂浆为相似材料,制备3种岩壁强度、5种起伏角度的锯齿型节理试样;利用试验设备,进行了在4种法向应力下的循环剪切试验。根据试验结果,结合循环剪切试验特点,定义剪胀角来表征节理循环剪切的法向变形特性,以及剪切刚度来表征节理循环剪切的切向变形特性。基于不同起伏角、不同强度等级和不同法向应力下的节理试样循环剪切试验结果,分析了循环剪切过程中剪胀角和剪切刚度的变化规律;并利用不同条件下的试验结果,对比分析初始起伏角度、法向应力、岩壁强度对节理循环剪切变形特性的影响规律。研究发现:剪胀角、剪切刚度均随着剪切循环次数的增加而呈现先快、后慢的降低趋势,并且中低起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势随着初始起伏角度、法向应力的增加而加快,随着岩壁强度增加而变慢,高起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势基本保持不变。

冻砂土-结构接触面恒温循环剪切性能研究

冻土-结构接触面是冻土区建筑基础的薄弱地带,开展人工冻土-结构接触面剪切性能研究对改善冻土区建筑的耐久性具有重要意义。运用大型冻土-结构接触面循环直剪设备对冻砂土-结构接触面在恒温条件下的循环剪切性能进行了试验研究。结果表明:(1)在第1个剪切循环的初始阶段冻土接触面会出现剪胀现象;当起始法向应力不大于500 k Pa时,最大剪胀量会随着法向应力的增大而增大,而起始法向应力为700 k Pa时接触面剪胀又呈减小趋势。(2)从整体趋势来看,法向位移随剪切循环的增长呈先迅速增大后缓慢增长趋势,而在每个循环内部均出现了有规律的峰状突起。(3)峰值剪应力随剪切循环的增加都呈先快后慢的减小趋势,两者之间呈双曲线关系;而且在第1个循环的初始阶段都会产生1个由冻结力和滑动摩擦共同作用而导致的剪应力最大值,最大剪应力随起始法向应力的增大而增大。

循环剪切荷载作用下含二阶起伏体模拟岩石节理力学特性研究

利用人工材料浇注含二阶起伏体的模拟岩石节理试样,进行常法向荷载循环剪切试验,研究节理剪切力学特性在循环剪切过程中的劣化规律。试验结果表明:二阶起伏体对节理循环剪切力学特性有重要影响,剪切强度、剪切刚度、剪胀角随剪切循环次数增大而衰减,衰减趋势随着二阶起伏度的增大而加快;法向应力、二阶起伏度较大时,二阶起伏体对剪切力学特性的影响主要体现在第1轮剪切循环中,在随后的剪切循环中影响不明显;法向应力、二阶起伏度较小时,二阶起伏体的影响在前几轮循环剪切过程中均有较清晰的体现。基于Hertz接触力学理论,提出了节理面微凸体球面接触细观模型,揭示了节理循环剪切宏观试验现象的力学机制。

复杂应力条件下饱和松砂单调与循环剪切特性的比较研究

本文利用大连理工大学新引进与开发的“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对福建标准砂,在不排水条件下同时进行了单调剪切试验与循环剪切试验,进而对其进行了对比分析。通过比较表明,应力-应变关系的应变软化和硬化特性与流滑变形和循环流动特性密切相关,当循环剪切应力水平高于单调剪切过程中应变软化阶段最小强度时将会发生流滑变形。无论在单调剪切中,还是在循环剪切中,稳定状态时的有效偏应力比随着大主应力方向与竖向之间夹角的增大而减小,在中主应力系数相同的条件下,循环剪切中呈现显著剪胀时的有效偏应力比和最终稳定状态时的有效偏应力比峰值分别与单调剪切中达到相变状态时的有效偏应力比和最终稳定有效偏应力比基本上一致。然而不排水条件下单调与循环剪切过程中孔隙水压力的增长特性却并不相同,循环剪切中的最大孔隙水压力随着初始主应力方向角的增大而减小,单调剪切中的最大孔隙水压力却随着主应力方向角的增大而增大。

饱和黏土循环剪切强度与变形特性的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在不固结、不排水条件下对黏土的单调和循环剪切应力-应变关系与剪切强度特性进行了研究。单调剪切试验表明剪切强度随应变速率的增加而增大,在双对数坐标下,剪切强度与应变速率之间近似地符合线性关系;循环剪切试验表明对于某一给定的初始剪应力,循环剪切强度大小是循环软化效应和应变速率效应共同作用的结果,结合单调剪切强度应变速率之间的对应关系,提出了近似消除速率效应的循环剪切强度归一化方法,通过归一化表明,不同循环次数的循环剪切强度与初始剪应力之间的试验数据点分布在一个狭窄区域内,通过一个二次方程即可拟合表示。以此为基础,提出了循环剪切强度的简便确定方法,可减少海洋地基稳定性分析中的试验工作量。

粉土界面恒刚度循环剪切试验研究

竖向循环荷载作用下桩土界面的作用机理是研究桩土摩擦疲劳的关键。针对循环荷载作用下桩-粉土界面的剪切性能,使用改进的剪切试验装置在恒刚度条件下进行循环剪切试验,研究循环次数、累积位移和法向刚度对其摩擦疲劳性能、循环后单调剪切性能的影响。试验结果表明,粉土在循环剪切过程中,法向应力和剪应力在初始10个循环内随循环数增加快速衰减,随着循环进行,逐渐趋于稳定;单次循环内在剪切位移方向变化时,土体呈现表现出剪缩-剪胀-剪缩交替现象,总体变形呈现剪缩的趋势;循环荷载作用下,粉土界面的法向应力和剪应力随法向刚度增大衰减速率增大,达到稳定的累积循环位移越小;粉土循环后的单调剪切、法向应力恢复的单调剪切的剪应力比小于首次单调剪切试验值,且法向应力恢复的循环后剪切试验的剪胀程度较小,表明循环剪切过程中界面处粉土颗粒棱角破碎,颗粒变得光滑。在对试验数据分析的基础上,提出了与累积位移、法向刚度和初始应力相关的无量纲累积位移,建立了法向应力和界面摩擦角随累积位移的衰减方程。