等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中"明显增多"的尺度界定问题。试验结果显示:砂岩在试验中的Kai-ser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射"明显增多"的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。

高应力等幅循环加载对橡胶混凝土力学及变形特性的影响

为研究橡胶混凝土在反复荷载条件下的力学及变形特性变化,对5组(橡胶掺量为0%,5%,10%,15%,20%)30个混凝土试件进行50次高应力等幅循环加载和单轴压缩试验,分析不同橡胶掺量的混凝土循环加载前后单轴力学特性变化及循环加载过程中的变形情况。结果表明:随橡胶掺量增加,试件峰值应力、弹性模量随之下降,峰值应变增加;循环加载过程中,橡胶混凝土(RC)的总应变、弹性应变、塑性应变曲线均显著高于普通混凝土(NC),但相对应变极差小于NC,表现出较好的延展性和稳定性;循环加载处理后,NC峰值应力和弹性模量劣化程度最大分别达到11.0%和36.8%,RC对应指标的劣化程度随橡胶掺量增加而减小;采用功效系数分析综合评价各组混凝土力学性能,顺序为RC-1>RC-2>RC-4>RC-3>NC,得到橡胶最佳掺量为5%~10%。研究成果可为橡胶混凝土在工程中的应用提供理论依据。

等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

岩石是一种非均质天然工程材料,在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中,研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律,为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件,开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究,采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中,局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化,位移演化存在时间滞后性,且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中,局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中,当加载或卸载到同一应力水平时,局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下,卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加,局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前,卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值,该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量,即在某一特定应力环境中,当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时,岩土材料或结构将会发生失稳破坏。

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。

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。

灰岩岩样等幅和分级循环加卸载过程中电阻率响应规律研究

为研究受载过程中特别是循环加卸载作用下岩石电阻率变化规律,对单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下岩石破坏过程中的电阻率响应特征进行研究。试验结果表明,岩石电阻率变化与荷载变化或试件内微裂隙发展密切相关。等幅循环加卸载过程中,加载时随着荷载的增加,岩石的电阻率总体上呈下降的变化趋势;第1次加载循环与其他4次加载循环明显不同,在加载初期存在快速下降阶段;卸载时,试样电阻率会逐渐恢复;5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷40 k N)时,不同循环电阻率不同,第一次最大,以后逐次减小。分级循环加卸载与等幅循环加卸载存在一些相同的规律,不同之处在于:5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷取第一级完全加载时荷载35 k N)时,不同循环电阻率也不同,前3次循环电阻率依次减小,后2次循环逐次略有增加;破坏加载时,加载初期也存在快速下降阶段。对2种循环加卸载过程中电阻率变化规律采用循环加载下微裂隙闭合机制进行了解释。试验研究表明,电阻率变化可以较好地表征单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载过程中试件内微裂隙发展情况。

等幅循环加载岩石非均匀变形演化试验研究

为了研究循环加载条件下岩石的变形演化规律,开展了红砂岩试件的等幅循环加载与分级等幅循环加载试验。采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件的非均匀变形演化规律。分析研究发现:循环加载过程中,随着循环次数的增加,试件的非均匀变形场逐步演化,变形局部化现象愈加明显;非均匀变形在循环加载过程中存在时间滞后和变形累积特征,且分级等幅循环加载过程中其峰值应力的增加会使非均匀变形的滞后特性与累积特征更加明显;在试件发生破坏前,加载顶点和卸载底点的非均匀变形指标数值逐渐接近。研究循环加载作用下岩石的非均匀变形演化规律,可为岩石破坏提供新的前兆信息。

钢纤维混凝土等幅弯曲疲劳加载下的疲劳应变和疲劳模量以及损伤研究

利用已有试验数据,对最大疲劳应变和疲劳残余应变进行拟合,得到疲劳应变演化方程,其相关系数均在0.97以上。考虑到等幅弯曲疲劳加载条件下,疲劳模量与疲劳应变成反比关系,利用对称性,由疲劳应变演化方程得到疲劳模量演化方程,通过拟合试验结果,发现由疲劳模量演化方程表达的拟合曲线与试验曲线吻合很好,其相关系数均在0.99以上。最后,利用疲劳应变与疲劳模量定义损伤变量,得到损伤变量演化曲线,经对比发现,由最大疲劳应变和疲劳残余应变定义的损伤变量演化曲线基本一致,且相差很小;而由疲劳模量定义的损伤变量演化曲线明显大于由疲劳应变定义的损伤变量演化曲线。

基于应变的疲劳寿命曲线

利用等幅加载下应变疲劳寿命符合对数正态分布,推导出更准确的"单侧容限系数",求出在任意给定置信度γ下疲劳寿命的百分位点。对于等幅应变疲劳试验的成组数据,采用三参数幂函数方程描述p-ε-N曲线。采用割线法求解线性拟合相关系数的最优化问题,由此确定出三参数p-ε-N曲线的参数。最后分别取不同的可靠度p和置信度γ,计算出γ-p-ε-N曲线族。

饱和层状砂土三轴液化试验

为了研究具有层状结构的饱和砂土液化时孔隙水压力的发展规律,利用GCTS-STX-050气动三轴测试系统对层状饱和砂土进行等幅应变控制下的液化试验研究,分析了试样中不同粉粒夹层厚度、位置及分布层数对液化影响.试验结果表明,试样液化所需的循环加载次数与粉粒夹层的厚度呈非线性关系,存在一临界厚度使得循环加载次数最大;粉粒层能够有效地阻碍细粒层产生的超孔隙水压力的传递,而细粒层对粉粒层产生的超孔隙水压力阻碍效果不明显;相同厚度下,粉粒夹层两层分布较一层分布对超孔隙水压力的阻碍作用更加明显.试验结论可为地震作用下具有层状结构的饱和砂土液化规律的探索提供一定的参考依据.

梯级等幅周期循环荷载作用下双裂隙黄砂岩力学特性试验研究

为研究不同动态加载频率下含预制共面双裂隙黄砂岩的力学性质和破坏特征,通过梯级等幅循环加卸载试验,借助声发射和高倍扫描电镜等设备,详细分析岩石的力学性质和变形特征,探讨整个加载过程中声发射参数的演化规律,并基于试样破坏断口处的微观构造,阐述动态加载频率对其疲劳损伤机制的影响。研究结果表明:(1)随着频率增加,试样的峰值强度、疲劳寿命和轴向应变均呈现增长趋势;(2)试样疲劳应变曲线随时间增加呈现周期性的梯级波动增长,且在岩样破坏前出现突增现象;(3)随着频率增加,声发射累计振铃计数呈二次函数增长,在高频条件下,试样破坏前监测到较高的振铃计数;(4)试样宏观破坏模式受预制裂隙和加载频率共同影响,裂纹萌生于预制裂隙尖端并逐渐向两端扩展,裂纹数目随频率增加而增长,在低频条件下,萌生于预制裂隙内尖端的翼裂纹更易汇合导致岩桥贯通;(5)随着频率增加,试样破坏断口的微观构造特征由沿晶断裂为主演化为沿晶断裂、穿晶断裂和解理断裂共存,最终向穿晶断裂为主的方向发展。

公路钢筋混凝土梁桥疲劳试验及耐久性研究

以风沟公路桥梁为例,建立了车辆荷载模型。根据其近年来的交通流量数据统计,采用马尔科夫链预测方法,预测该桥梁未来所承担的荷载情况,得出了该桥梁应力幅的变化情况,并进行了该桥梁的等幅疲劳加载试验。试验结果表明:在公路桥梁中,钢筋混凝土梁总疲劳寿命约150万次,低于规范中所规定的200万次。