硬脆性大理岩单轴抗拉强度特性的加载速率效应研究——试验特征与机制

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。通过对锦屏II级水电站硬脆性大理岩T2b开展单轴抗拉强度特性的加载速率效应试验,获得以下5点试验规律:(1)在巴西圆盘劈裂试验中,岩样的破坏过程基本可以归纳为应力集中区出现、应力集中区扩展、破坏面形成和岩样破坏4个阶段;(2)岩样的峰值抗拉强度随着加载速率的提高而呈对数增大;(3)应力峰值对应的平均垂直应变随着加载速率的增大而增大,而平均侧向应变随着加载速率的增大而减小;(4)对岩样电镜扫描图进行断口学分析表明,在较低的加载速率(0.000 255 MPa/s)下,岩样的破坏面中张拉破坏区域(即镜面区)所占的比例较大,剪切破坏区域(即锯齿区)所占的比例较小,且锯齿区分布均匀规则,而在较高的加载速率(2.55 MPa/s)下,岩样的断口中镜面区比例较小,锯齿区所占的比例较大,且锯齿区剪切脆断痕迹明显;(5)在0.000 255 MPa/s的加载速率下,岩样一般劈裂成2块,岩石破坏所消耗的能量较小,而在2.55 MPa/s的加载速率下,岩样破碎成多块,岩样破坏所消耗的能量较大。本文通过宏细观两方面的分析,并引入断口形貌学的分析方法,揭示了硬脆性岩石力学特性加载速率效应的试验特征和内在机制,为岩石破坏机制研究提供一条新的途径。

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。

低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形

通过对低含水量藤森粘土(Fujinomori clay)试样的单向固结试验,研究了低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形。所采用的藤森粘土土样有湿润(含水量小于15%)、风干(含水量小于4.5%)与烘干(含水量小于1%)3种。试验中,应变率逐步改变,同时进行了蠕变及加、卸载试验以及小幅度的循环加载试验。试验结果表明:湿润土样、风干土样与烘干土样都有明显的加载速率效应与蠕变变形;在大范围的卸载-重复加载过程中,蠕变变形会由卸载初期的正变形逐步发展为后期的负变形,在这个发展过程中存在着中性点(即蠕变为零,或者无蠕变的点);藤森粘土的加载速率效应随含水量的降低有所降低,即湿润藤森土样的加载速率效应更明显。

加载速率效应下深部砂岩的力学特性

煤矿工作面推进速度对煤体前方支承压力波动频率有显著影响,且与煤岩力学试验中轴向加载速率的变化有一定的相关性。为此,采用2000 k N三轴试验机和PCI-2声发射测试系统,对深部砂岩进行了0.05,0.1,0.15,0.25和0.5 MPa/s五种不同加载速率下的单轴压缩试验,进而研究加载速率对深层砂岩力学特性的影响。结果表明:1)深部砂岩的峰值强度和弹性模量均随加载速率的增大而增大;2)随着加载速率的增大,深部砂岩由塑-弹-塑性体向塑-弹性体转变,破坏模式逐渐由I类型向III类型转变;3)总输入应变能、弹性应变能、耗散应变能均随着加载速率的增大而增大;4)损伤变量随时间的延长呈现出倒“S”型演化特征,且随着加载速率的增大,深部砂岩的损伤程度加剧。上述所得结论可为深部工程围岩稳定性控制提供理论依据。

原状黄土变形与强度特性的加载速率效应

为揭示荷载施加快慢对土体变形与强度特性的影响规律,基于三轴CU试验,开展了不同围压和含水率状态下,原状和重塑黄土加载速率效应的试验研究。在试验结果基础上,分析了加载速率对黄土应力-应变曲线特征、抗剪强度以及结构强度等的影响规律。研究结果表明:加载速率对黄土的应力-应变曲线形态有显著影响,高加载速率、低围压、低含水率可以导致应变软化现象的产生;加载速率对剪切强度的影响存在临界值,加载速率小于此值时抗剪强度随着加载速率的增大而增大,超过此值时抗剪强度又有一定程度的降低,呈现先增后减的特征;加载速率对抗剪强度参数c和φ的影响规律不尽相同:黏聚力c随着加载速率的增大呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角φ则随着加载速率的增大单调递减;加载速率对黄土结构强度的影响规律与抗剪强度基本一致,亦存在一临界加载速率,结构强度随着加载速率的增大也表现出先增大后减小的规律。

加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型

分析并研究饱和的、风干的砂土在平面应变压缩试验条件下的弹黏塑性特征,尤其是黏性特性。加载速率效应、蠕变以及应力松弛都是砂土材料本身黏性的反映,而与超孔隙水压力的消散无关。试验不仅实现了应变率逐步变化加载过程,同时也实现了蠕变加载和应力松弛过程。试验结果表明,在加载应变率发生突变时,对砂土应力–应变关系有明显的影响,呈现出刚性很高、近似于弹性的特性,而后随着应变的进一步增加,在明显屈服之后黏性应力逐渐衰减至基本惟一的应力–应变曲线。类似现象同样也发生在蠕变加载或应力松弛后以一恒定应变率突然重新加载的情况。基于非线性三要素模型框架,针对所观察到的砂土黏性特性,提出一种弹黏塑性本构模型。该模型可以描述砂土在任意加载历史下的黏性效应,包括加载应变率发生任意变化时的应力–应变响应、蠕变以及应力松弛。最后,利用该模型对上述砂土平面应变压缩试验结果进行模拟,所提案的三要素弹黏塑性本构模型能够很好地模拟砂土的黏性特性。

加载速率对煤岩抗拉强度参数影响程度研究

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。采用室内实验方法,对煤岩进行不同加载速率下抗拉强度的影响程度研究。结果表明,加载速率的变化影响煤岩的抗拉强度及破坏模式,煤岩抗拉强度较低,具有低强度高脆性的特征,且受加载速率影响很大。加载速率较低会造成煤岩破坏过程沿着内部缺陷、天然裂隙破碎,有明显的延性特征。而加载速率较高时,拉伸破坏过程伴随煤粉的产生,呈明显的脆性破坏特征。该结论对分析煤岩受拉破坏条件及煤层气开发工程具有参考意义。

不同加载速率和围压作用下沥青混凝土三轴压缩力学特性数值模拟研究

为研究加载机制下路面沥青混凝土的力学特性,利用颗粒流数值模拟软件PFC3D建立满足实际沥青混凝土粒径级配的数值模型,并对其进行三轴压缩试验,分析不同围压及加载速率下沥青混凝土的力学特性。结果表明:同一围压下,随着加载速率的逐渐增大,试样的峰值应力、峰值应变和弹性模量均呈逐渐递增的趋势,以围压0.5 MPa为例,加载速率由0.5 mm/s增加至2.0 mm/s,三者提升幅度分别为12.35%、8.11%和6.07%;同一加载速率下,试样的峰值应力、峰值应变和弹性模量均随围压的增大而增大,以加载速率0.5 mm/s为例,围压由0.5 MPa增大至2.0 MPa,三者提升幅度分别为44.41%、33.78%和14.98%。数值试验结果显示,沥青混凝土具有明显的加载速率效应和围压效应。

钢结构防动载断裂选材的定量判据

分析了目前钢结构防断选材中应用的脆性转变温度方法的局限性,扼要介绍了材料断裂韧度的温度效应和加载速率效应.在钢材断裂特性分析的基础上提出了平面应变型断裂临界温度的概念,构建了断裂特征分析图,从而为钢结构防动载断裂选材提出了一个新的定量的判据,并以船只设计选材为例,阐明了该判据的应用.

不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应,以含预制贯穿孔试样为实验对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明:加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响:随加载速率增大,抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势。加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变,拉应力强度因子KΙ减小,拉伸裂纹经历"扩展-闭合-扩展",拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系,加载速率为0.5mm/min时,拉伸长度达到最大为43.16 mm。含孔试样的破坏模式单一,呈中心对称;加载速率较小时,远场裂纹起裂位置距边缘较近,宏观裂纹以剪切破坏为主;加载速率较大时,宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位,远场裂纹起裂位置距边缘较远。研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导。

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。

不同含水率粘土在不同试验条件下的应力-应变特性

采用单轴固结试验和三轴剪切试验对饱和、湿润、风干以及烘干的藤森粘土进行了应力-应变特性研究。在试验过程中,进行了不同轴向应力水平下的恒应变率加载试验、蠕变试验以及卸载与重复加载试验。局部变形测量传感器(LDT)被用于三轴剪切试验中的轴向变形测量以提高小应变测量的精度。试验结果表明,不同含水率与饱和度的藤森粘土在单轴固结试验与三轴剪切试验条件下都表现出明显的粘塑性。它们的加载速率效应、蠕变效应都相似;而且在蠕变结束后的一小段邻域内藤森粘土的强度有明显的提高。笔者提出用参数β来描述藤森粘土的粘性。对试验结果的计算分析表明,在单轴和三轴试验条件下不同含水率与饱和度的藤森粘土的β值介于0.034到0.064之间;而且,含水率高的藤森粘土的β值大于含水率低的藤森粘土的β值,单轴试验条件下的β值大于三轴试验条件下的β值。

不同密度泡沫混凝土梁断裂特性及数值模拟

为探究泡沫混凝土(Foamed concrete,FC)梁的断裂特性和裂缝扩展过程,采用不同密度和不同初始缝高比的试件,开展不同加载速率下的三点弯断裂试验。结果表明,FC梁的抗弯承载力具有加载速率效应,其峰值荷载随加载速率的上升而增大。但加载速率效应随FC密度的增长逐渐减弱,且初始缝高比越大,加载速率效应越不明显。FC梁抗弯承载力随密度的减小而下降,但其抵抗变形的能力增强。利用ABAQUS建立FC梁的有限元模型,借助扩展有限元方法(Extended finite element method,XFEM)模拟FC梁的裂缝扩展过程,得到其断裂过程的荷载-裂缝张口位移(P-CMOD)曲线。结果表明,数值模拟的结果与试验结果吻合良好,验证了XFEM的合理性和精确性。FC梁在达到峰值荷载前的裂缝开展形式主要为拉伸裂缝,达到峰值荷载后,裂缝进入失稳扩展阶段,剪切裂缝逐渐增多。

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度,服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring,FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar,ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验,加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示,该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡,但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明,这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比,发现拉伸强度受试样形状影响,这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.

基于声发射技术的非标准自密实混凝土三点弯曲梁动态断裂特性

对不同初始缝高比的自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)非标准三点弯曲梁开展不同加载速率下的断裂试验,获得其断裂的荷载-裂缝嘴张开口位移曲线及峰值荷载、断裂韧度、临界缝高比增量、弹性模量和柔度系数等断裂参数,结合Pearson相关性检验公式及加载速率效应模型,定量分析初始缝高比、加载速率与断裂参数间的相关性强弱及SCC断裂参数的加载速率效应。结果表明峰值荷载、断裂韧度及弹性模量均存在一定的加载速率效应,柔度系数仅与初始缝高比强相关,弹性模量和断裂韧度是材料的固有属性,不受初始缝高比影响。同时,基于声发射(Acoustic emission,AE)技术对SCC的损伤断裂过程、断裂边界效应及裂缝扩展模式进行分析,结果表明,AE参量能较好地反映混凝土断裂的三阶段特性及边界效应。裂缝的扩展首先以拉伸裂缝为主,剪切裂缝占比随着裂缝扩展过程逐渐增大。