单轴多级循环加载下聚氯乙烯膜材料的力学行为与能量耗散

为研究建筑用膜材料在多级循环加载下的力学行为与能量耗散,对聚氯乙烯(PVC)膜材料进行单轴多级循环加载实验测试,分析了变形行为、能量耗散与损伤特性。研究结果表明:相对于单轴拉伸强度,经向试样的循环加卸载峰值强度较低,而纬向试样的循环加卸载强度较高;多级循环加载条件下,加载与卸载弹性模量呈现逐渐增加的变化趋势,且卸载弹性模量高于加载弹性模量;小载荷水平下,相对于经向试样,纬向试样表现出较高的总吸收应变能、弹性应变能和耗散能,但在高载荷水平下较低;在逐级循环加载过程中,PVC膜材料均表现为黏-弹-塑性,基于塑性变形累积来定义损伤变量较为合理。

多级循环加卸载混凝土损伤特征及声学研究

为研究多级循环加卸载下混凝土损伤声学前兆响应及失稳破坏机理,构建了多级循环加卸载混凝土损伤声学试验系统,试验全程借助声发射监测技术,测试分析了不同加卸载幅度(2-4-6-8 MPa,3-6-9-12 MPa)下混凝土的力学特性、损伤演化特征及声学前兆响应规律,揭示循环加卸载条件下混凝土试样的损伤破坏机理。结果表明:多级循环加卸载下混凝土变形破坏过程可分为初始压密、弹性变形、扰动损伤、塑性变形和失稳破坏阶段,循环加卸载幅度为2-4-6-8 MPa时造成的累积损伤不会破坏混凝土试样,而幅度为3-6-9-12 MPa时可破坏试样;多级循环加卸载会加速高应力状态下混凝土试样损伤破坏过程,增大其内部所积聚的能量,致使微破裂事件增多、声发射振铃计数更加活跃,且加卸载幅度越大试样破坏过程越剧烈,最终破裂也越严重;在多级循环加卸载阶段,声发射时频参数表现出明显的Kaiser效应;试样破坏前其声发射时频参数会出现突增现象,并与加卸载幅度呈正比关系;声发射b值在临近应力峰值阶段呈下降趋势,预示着主破裂的来临,在试样发生主破裂后快速下降直至最低值。

单轴多级循环加载岩石声发射分形特性试验研究

通过对三种岩石试样进行单轴循环加载试验,获得岩石试样加载过程中声发射事件率、能量率和空间位置分布数据。运用相空间重构理论直接从时间序列上通过G-P算法求得事件率和能量率关联分维,根据柱覆盖法求解得到声发射事件源空间分布关联分维。研究结果表明,声发射事件率、能量率和空间分布都具有分形特性,且声发射源空间分布分形特性最为显著。相空间的选取对关联维数有一定影响,相空间取值为4时能够较好地计算关联维数。将不同加卸载循环声发射源空间分布的变化趋势和声发射源空间分布关联维数变化趋势进行对比发现,声发射关联维数能够很好地反映岩石内部损伤破坏的发展。在等压加卸载条件下,声发射源空间分布关联维数显著突增。随着加卸载循环应力的增加,关联维数总体呈下降趋势,在达到较高应力时,关联维数则在较小区间内波动或下降趋势变得极其缓慢。该特点可以作为矿山地压微震监测预警的参考依据。

分级循环加载下缺陷砂岩裂纹扩展及声发射频谱特征分析

针对因岩石力学性能劣化而诱发的工程灾害,以砂岩为研究对象,开展不同裂纹倾角下分级循环加载试验,分析了裂纹倾角对砂岩力学特性和裂纹扩展特征的影响;结合声发射频谱特征对微裂纹的发展情况进行了分析,最后利用关联维数对其变形破坏的有序度进行定量描述。结果表明:随着裂纹倾角的增大,试件的峰值荷载呈逐渐降低的趋势,但是预制裂纹的扩展无明显规律。其中频域信号的出现具有一致性,说明岩石内部微裂纹的萌生、发育、扩展形成大尺度裂纹具有同步性。岩石变形破坏的有序度可用关联维数进行定量描述,表现为关联维数越大,岩石破坏越复杂,其中关联维数变化幅度可以表征岩石内部裂纹的发展剧烈程度。

三轴多级循环加卸载下千枚岩的力学特性及能量耗散特征研究

在地震中,岩质滑坡的发生强烈依赖于边坡岩石材料的动力特性。为了更好地理解这些岩石材料在动荷载作用下的特性,以2008年汶川地震触发的东河口滑坡区发育的代表性岩体千枚岩作为研究对象,开展了三轴压缩条件下的多级循环加卸载试验。试验过程中所采用围压为10MPa,加载波形采用振动频率为2Hz的正弦波,在每级应力水平下进行了60次加卸载循环。根据轴向应力-应变曲线,重点分析了循环周次和上限应力对千枚岩试样的弹性模量、阻尼参数及残余应变的影响,同时对其耗散能演化规律进行了研究。结果表明:(1)随着循环周次的增大,试样的弹性模量、阻尼比和阻尼系数总体呈递减趋势。当上限应力较低时,试样处于整个加载过程的初期,岩石内部结构由于初始裂隙、孔洞等的闭合和细小裂纹的产生将发生较大的改变,导致三参数随循环周次的增加而增加,且数值波动性较大;当上限应力较高时,三参数值变化微小。(2)累积残余应变随循环周次和应力水平增加而总体上呈现出增加趋势,尤其是在轴向应力增加过程中(坡形加载阶段)。然而,在同一级应力水平下(循环段),岩样的累积残余应变与上限应力的关系曲线则呈现出W型变化。(3)单位体积耗散能随循环周次和应力水平的增加也呈现出总体增加的趋势。然而,在较低上限应力下,单位体积耗散能随循环周次的增加变化比较微小;在较高上限应力下,其变化曲线呈L型;在临近破坏时,其变化曲线呈U型。该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制提供理论支撑。

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。

三轴多级循环加卸载下红砂岩强度与变形特征试验研究

为研究围压及应力路径对多级循环加卸载下红砂岩的变形破坏特征的影响,采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统,对红砂岩在10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa围压下进行常规三轴压缩试验和等下限增幅循环加卸载试验、增下限等幅循环加卸载试验。研究结果表明:等下限增幅循环加卸载、增下限等幅循环加卸载下试件均呈脆性破坏,强度特性随围压的变化趋势基本一致,试件的加卸载变形模量总体上均随围压增大而增大;随着应力级数增加,等下限增幅循环加卸载下,加卸载变形模量呈先增加后降低或一直降低的趋势,而增下限等幅循环加卸载下均呈增加趋势;随着循环次数的增加,试件的轴向残余应变呈阶梯式增长,且在每级应力循环中呈对数型增长;每级应力的第一次循环对试件损伤影响最大,轴向残余应变显著增长,且增下限等幅循环加卸载下增长更为显著;试件在每级应力循环的轴向残余应变增量随应力级数的变化趋势不同,等下限增幅循环加卸载下呈先减小后增大的“V”形变化趋势,而增下限等幅循环加卸载下总体上呈一直增大的“ノ”形变化趋势,且围压越大变化趋势越明显。

基于声发射时频特征的岩石破裂前兆识别方法

为得到岩石破裂的有效前兆信息,通过时频分析方法研究了白云岩破裂的声发射波形信号。对取样于2008年汶川地震引起的东河口滑坡源区的白云岩样品开展三轴多级循环加载试验,分析其力学及声发射特性,并从声发射波形时频特征分析岩石破裂前兆信息。在声发射波形参数(主频)的基础上提出一个新的特征参数:主主频(即最大主频),对13个主主频关键点进行傅里叶变换(FT)和三维短时傅里叶变换(3D-STFT),分析其时频演化特征,以期得到岩石破裂有效的前兆信息。研究结果表明:声发射事件率、累积振铃计数和能量均反映白云岩试样受力破裂过程的动态演化规律;白云岩试样的主频呈带状演化,破裂前兆表现为高频区间向低频、中频区间转移,累积主频曲线的斜率在891 s处达到峰值,可作为岩样破裂的前兆信息之一;在6次循环加、卸载中,主主频呈现高频率值与低频率值交替出现的规律,将主主频突降的第11个点(784 s)作为预警前兆之一,相比主频预警点(891 s)提前了107 s。对比分析可知主主频能获取更为细节的岩石破裂前兆信息,从而为岩石破裂预警提供科学依据和理论基础。

多级等幅循环荷载作用下砂岩变形、渗透及声发射特征试验研究

为探明多级等幅循环荷载对岩石变形、损伤及渗透规律的影响,对砂岩试样开展不同围压下的四级等幅循环加卸载三轴试验,试验过程中实时监测渗透和声发射信号。分析多级等幅循环荷载作用过程中围压、循环荷载对试样特征应力、渗透率及声发射b值和RA-AF值的影响。结果表明:(1)与常规三轴加载相比,多级等幅循环加载试验中每级循环荷载下砂岩裂纹体积应变均扩张,循环加载试验岩样的峰值应力下降,随着围压增大,两者峰值应力差值减小。(2)在2种加载条件中渗透率均先下降后上升,循环加卸载作用后岩样基于应变的渗透率损失率(PSL)更小,表明岩石内部宏观变形加剧,随着围压增大,PSL随之增大,表明宏观变形减弱;低围压下各级循环中基于应力的渗透率损失系数(EIP)为负值或数值较小,表明渗透率增加,而高围压下第4级循环中EIP为正值,表明渗透率减小,渗流通道的形成受围压约束的影响加剧。(3)与常规三轴试验相比,多级等幅循环加载声发射b值起伏变化更大;2种加载方式下岩样均以拉伸裂纹为主,但多级等幅循环加载条件下岩样内部产生的剪切裂纹更多,随着围压增大,岩石拉伸裂纹占比逐渐减小,剪切裂纹占比增大。