随机应力循环加卸载三轴试验土的变形稳定状态初探

为研究土在随机应力幅值循环加卸载条件下的应力-应变关系,基于土样全表面变形数字图像测量系统,以福建标准砂和硅微粉为研究对象进行一系列三轴试验。据此分析土样在不同随机应力循环加卸载过程的应力-应变行为,判断其是否达到变形稳定状态,同时与等应力幅值循环加卸载和阶梯应力幅值循环加卸载试验进行对比。结果表明:无论是恒定应力幅值、阶梯应力幅值还是随机应力幅值加卸载循环,当循环次数超过一定次数后,土样逐渐趋于变形稳定状态,且变形稳定状态对应的循环次数值不同;土在受到超过历史最大应力幅值时,应力-应变关系会回到初次单调加载的应力-应变曲线;在最大应力值小于破坏应力的条件下,应力加卸载时间过程幅值的随机特征,如幅值大小和分布对土的应力-应变行为,包括变形稳定状态没有影响。

高渗压与循环加卸载环境下开挖卸荷岩体力学特性试验研究

探究高渗压与循环加卸载环境下深部开挖卸荷岩体力学特性的演化规律,有助于揭示复合荷载作用下工程开挖卸荷围岩的变形破坏机理。从区分开挖扰动强度与渗压量级入手,以高渗压环境下遭受开挖扰动的卸荷岩体为对象,开展了考虑特定孔压与循环荷载复合作用条件下的三轴加卸载试验。结果表明:(1)卸荷量级直接影响循环加卸载过程岩样的变形规律及其破坏强度,孔隙水压促进了岩样循环加卸载过程的拉剪破坏;(2)孔压增幅加剧了同量级卸荷岩样循环加卸载过程的延性变形及强度衰减,且卸荷岩样的轴向、环向与体积变形曲线均在2MPa孔压时产生波动;(3)伴随孔压增加,岩样卸荷量级为30%时的环向变形呈先增加后减小的趋势,而岩样卸荷量级为60%时的环向变形呈现先减小后增加的规律;(4)伴随卸荷量级与孔压增加,岩样破坏时端部裂隙的倾角逐渐增大,沿岩样轴向产生的拉剪破裂面愈加凸显。

单轴循环加卸载下磷块岩能量演化特征试验研究

为探究磷块岩在受力环境下的能量演化特征,对磷块岩试件开展了单轴循环加卸载试验,通过监测试件表面红外辐射和其内部声发射信号,分析磷块岩试件在受力过程中的能量演化规律,研究结果表明:磷块岩试件临近破坏时弹性应变能聚集速率进一步减缓,耗散能明显增大,而最高红外辐射值及声发射振幅呈急剧上升趋势;磷块岩在受力破坏过程中释放的热-声信号与其所在的应力环境具有良好的同步性,声发射与红外辐射存在同一阶段内波动方向相反、整体变化趋势相同的关系,加载过程中能量的累积-耗散-释放是声发射、红外辐射产生变化的内因。从能量演化的角度分析磷块岩在受力环境下的热-声相关性规律,可以从本质上揭示磷块岩在受力过程中的热-声信号的内在联系,为磷矿山的岩爆预警提供科学依据。

三轴分级循环加卸载下爆破损伤顶板砂岩能量耗散试验研究

为探究不同围压环境爆破荷载损伤砂岩在循环加卸载作用下能量耗散演化规律,利用三轴试验加载装置系统对三种不同损伤度的砂岩试件开展不同围压下的分级循环加卸载试验,并结合电子数码显微镜获取不同损伤度试件细观结构,分析爆破荷载损伤、围压及加载级数对试件能量耗散及破裂破碎形态的影响规律。结果表明:(1)爆破荷载作用会对岩体造成损伤,单轴压缩荷载下振动损伤、爆破损伤试件峰值强度降幅分别为5.53%、18.87%,单轴分级循环加卸载作用对未损伤、振动损伤试件产生劣化,对爆破损伤试件产生强化作用;(2)爆源近端岩体损伤程度较高,在外荷载作用下率先发生破坏,围压的存在显著降低试件的破裂破碎程度,试件呈剪切、拉伸及压碎破坏多种模式共存;(3)循环加卸载过程中第1次循环加载试件所获取总能量及塑性变形能最大,循环次数的增加使试件塑性变形能及耗散能整体均呈现减小趋势,围压及循环加载级数的增大使试件在循环加载过程中各能量均随之增加;(4)分级循环加卸载过程中Ⅱ级循环加卸载试件耗能比要低于Ⅰ级与Ⅲ级,爆破损伤、振动损伤及未损伤试件在Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级循环加卸载过程中耗能比均值分别为15.73%、12.47%、13.95%,13.49%、12.44%、13.46%,12.07%、8.69%、11.56%,爆破荷载损伤改变岩体内部结构使得试件在循环加卸载作用下耗能占比更加显著。

循环加卸载过程中灰岩微细观损伤特征的试验研究

岩石的动力学性质是影响岩质边坡地震动力稳定性的关键内因。地震产生的循环往复作用会造成岩石损伤和破坏,劣化岩石性能,降低岩质边坡的稳定性。为了深入研究岩石在动力荷载下的损伤特征,以某岩质斜坡出露的二叠系灰岩为研究对象,联合单轴循环加卸载试验和微细观试验,从微细观角度研究了岩样在循环加卸载过程中的损伤特征和损伤演化规律,分析了不同加载条件对微细观损伤的影响,开展了宏观和微细观参数的关联分析。研究结果表明:岩样内部的损伤是一个渐进性过程,在破坏前,随着应力幅值和循环周次的增加,表现为以小孔隙的生成、扩展和贯通为主,大孔隙的数量轻微增加且数量相对少得多;与变上限应力加载相比,变下限应力加载更有利于小孔隙的连通和大孔隙的形成,导致岩样内部微裂隙面积更大,在宏观上表现为平均弹性模量的降低;在变上限应力时,低应力幅值的循环荷载对岩石内部结构劣化效应比单轴压缩条件下的大,而高应力幅值的循环荷载反而可能对岩石内部孔隙有一定压密作用,导致孔隙度相对较小,劣化效应相对减弱;综合多种微细观损伤变量演化趋势,可判断岩样在循环加卸载下经历了一段裂纹稳定扩展的阶段,对应的上限应力和下限应力范围分别为(0.4~0.6)σ_(f)(σ_(f)为静态峰值强度)和(0.3~0.5)σ_(f)。研究成果有助于从微细观层次更好地理解岩石的动力学特性,为岩质斜坡在地震作用下的动力响应行为和灾害孕育及启动过程提供理论解释。

路基改良土循环加/卸载试验能量演化研究

通过循环加/卸载试验,分析公路路基改良土受载时的各能量参数转化规律。结果表明:不同围压下路基改良土的能量转化近似,都呈现峰前能量聚集,破坏能量耗散,峰后残余强度能量重新积聚,但效率和总量低于峰前;围压对峰前路基改良土能量参数影响较小,但少量提升了残余强度时能量聚集的作用;峰前能耗比K随轴向应变的增加而缓慢减小,当土体强度失效时,能耗比K产生突变;能耗比K突变点与应力-时间曲线拐点相对应,说明能耗比可以作为路基改良土三轴应力状态下循环加/卸载作用时的强度失效特征,也可以从能量的角度解释路基改良土的演化破坏规律。

峰前峰后循环加卸载对砂岩动力特性的影响

为深入分析砂岩峰前和峰后不同阶段的动力特性规律,开展单轴分级循环加卸载试验,综合分析下限应力对砂岩峰前峰后不同加卸载阶段的表观弹性模量、滞回圈面积、阻尼比、阻尼系数及动弹性模量等相关动力参数的影响。研究结果表明:①岩样在峰后因内部损伤加深和累积,相同下限应力下滞回曲线位于峰前右侧,且应变量增幅和最大应变增幅均随下限应力的增加而逐渐减小,说明峰后岩样虽然强度已达到极限状态,但只要岩石未完全破坏失稳,其致密性仍可以在高应力条件下的循环加卸载中得到增强。②砂岩在峰前峰后循环加卸载下的变化过程,可以通过表观弹性模量曲线斜率a值的变化得以体现,低下限应力循环加卸载试验中,致密性增强系数a_(1)>致密性劣化系数a_(2),斜率a均为正值,轴向应力对岩石整体的压密作用明显强于劣化损伤作用;随着下限应力升高,a_(2)的降低速率高于a_(1)的升高速率,a值逐渐减小甚至变为负值,说明轴向应力对岩石整体的压密作用逐渐弱于劣化损伤作用。③4组不同下限应力条件下,岩样峰后的滞回圈面积、阻尼比、阻尼系数均高于峰前状态,而动弹性模量低于峰前状态,说明岩样在峰后循环加卸载过程中内部劣化损伤程度高于峰前。

循环加卸载条件下考虑温度的煤体本构模型

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下三轴循环加卸载试验,分析了温度对试件峰值强度、变形模量、泊松比等基本力学参数的影响。将不同加卸载速率相关的应力-应变问题转化为时间-应力-应变问题,同时引入分数阶导数理论和连续介质损伤理论,提出了一个考虑了热-力耦合作用的分数阶粘弹塑性本构方程,通过试验数据验证了其有效性。结果表明:煤体变形模量随着循环次数的增加呈出现线性减小的趋势,而煤体泊松比减速上升,在峰值应力处达到极值,然后降低,表明循环加卸载作用对煤体基本力学性能有劣化作用。随着温度的升高,煤体峰值强度非线性减小,损伤累积变缓,对应的应变逐渐增大,表明升温能增强煤体延性变形能力,加速煤体损伤的发展。在循环加卸载过程中,输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在煤体破坏失稳阶段随温度升高呈现出明显的衰减现象,说明高温加剧了煤体内部的损伤,降低了煤体强度,使得破坏所需外界输入能量减少。考虑温度影响的分数阶粘弹塑性模型可以较好地描述深部煤体在循环加卸载条件下的力学行为。模型适用于热力耦合下深部煤体的复杂应力状态。

细长桁架臂卸载反弹动应力分布规律及试验

为研究细长桁架臂在卸载冲击下的动态响应变化规律,提出了基于等效梁振型函数的桁架臂动应力分布计算模型。根据等效梁振型函数,探讨了卸载后桁架臂动应力分布假设,分析了影响桁架臂卸载反弹动响应的相关参数。以装备细长桁架臂的动臂塔机为对象,建立了桁架臂精细化有限元模型和起重机刚柔耦合模型,通过仿真辨识了应力分布模型的关键参数。实施了动臂塔机系列载荷卸载冲击试验,桁架臂上主弦杆的动应力试验值与理论计算结果误差小于7%,表明动应力分布理论模型与实际相符。通过理论模型预测了极限工况下桁架臂上主弦杆动应力分布状态,发现在最大载荷卸载条件下起重臂动应力峰值超过结构承载极限,为卸载条件下起重机关键结构的优化设计提供依据。

循环加卸载下黑云母石英片岩的弹性模量与能量演化特征研究

黑云母石英片岩是一种典型的各向异性岩石,为研究其损伤演化规律及各向异性表现特征,针对含0°,45°,90°3种片理角度的试样,开展了等塑性应变循环加卸载试验。结果表明:不同片理面角度试样的破坏模式有所不同,0°片理面试样中的张拉破裂现象与45°片理面中的剪切破坏现象尤为明显。随着塑性应变增加,黑云母石英片岩的弹性模量表现出先强化、后弱化的现象,这一现象在高围压下更为明显。在弱化阶段中,弹性模量演化的转折点与裂纹起裂强度σci稳定时对应塑性应变一致。弹性模量作为岩石损伤劣化过程的评价指标较完整性系数受片理面角度的影响更小。在岩石内部能量演化过程中,耗散能大小与片理面角度的关系为0°>90°>45°,耗散能、弹性能下降的速率大小关系为45°>90°>0°,其降至稳定时与岩石损伤强度σcd稳定时对应塑性应变一致。该研究借助弹性模量和能量演化规律分析,探究了黑云母石英片岩的损伤演化力学行为。

水泥土加固桩水平循环承载性能足尺试验研究

选取宿迁典型饱和粉土场地,采用水泥土搅拌桩加固钻孔灌注桩桩周土,开展灌注桩水平循环加载足尺试验。探究水泥土加固试验桩(TPI)和未加固试验桩(TPU)在循环水平荷载作用下的滞回特性、弯矩、刚度退化、位移延性、水平承载力与残余变形能力。试验结果表明:TPI比TPU桩的弯矩减小47%,屈服位移减小41%,水平承载力提升150%,有效刚度提升240%,等效黏滞阻尼比提升233%,桩的开裂荷载提升150%,屈服荷载阶段桩体的残余变形能力减小17%。水泥土搅拌法不仅可以限制桩侧粉土液化,增加桩基础的耗能及位移延性,而且可以显著的降低桩头水平位移和弯矩的发展。从抗震性能的角度分析,水泥土搅拌桩加固既有桩基,有效抑制了加固范围内地基土刚度衰减,增强了桩-土结构的总耗能、等效黏滞阻尼系数与变形恢复能力,提高桩基础在大变形阶段的抗震性能。

循环加卸载下直墙拱形巷(隧)道应力松弛特性试验研究

针对硬岩应力松弛特性及岩爆研究的不足,开展了低、中、高载荷下的循环加卸载直墙拱形巷(隧)道应力松弛过程试验,得出了应力松弛规律,建立了应力松弛模型,探讨了应力松弛机制。结果表明:在低载荷下的循环加卸载直墙拱形巷(隧)道应力松弛过程均呈现出迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,应力松弛规律一致,但随着循环次数的增加,应力松弛时间放缓,应力衰减损失程度在降低;低载荷下的应力松弛过程是巷(隧)道围岩拉应力和压应力同时衰减的过程,内部没有损伤产生,整体未产生破裂;在中等载荷下的循环加卸载直墙拱形巷(隧)道围岩应力松弛过程同样呈现出迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,随着循环次数的增加总体上呈现应力松弛时间放缓的趋势,最终同样表现为巷(隧)道围岩拉应力和压应力同时衰减的过程;与低载荷下相比,中等载荷下的应力松弛过程变慢,内部有损伤产生,但后续循环未导致围岩破坏;在高载荷下的直墙拱形巷(隧)道围岩呈现拉应力持续增加和压应力持续减小的过程,巷(隧)道持续损伤破裂,侧帮产生层爆,最终形成V型爆坑,整体呈现两次明显爆裂破坏;采用分数阶微积分理论来描述循环加卸载情况下的应力松弛过程,建立了分数阶模型即应力松弛方程,拟合效果基本吻合;定义了应力松弛度,可以完全反映应力松弛全过程及松弛程度;工程上应采取措施阻止岩爆岩体松弛过程变形发展到临界状态。研究结果对岩爆机制、预测预警及硬岩长期稳定性分析等具有很好的指导和借鉴意义。

循环加卸载下大理岩渐进损伤的能量特性研究

为探究锦屏大理岩渐进损伤过程中的能量特性,开展了5种围压下岩样的三轴循环加卸载试验,分析了循环加卸载下大理岩渐进损伤的弹性模量演化、能量演化及分配规律、能量演化的围压效应、损伤演进特性,并系统剖析探讨了基于能耗比和能耗差定义的两种岩石强度失效的能量判据。研究结果表明:大理岩从初始屈服到进入残余阶段的整个变形破坏过程中,加载段弹性模量和卸载段弹性模量均呈现单调退化的弹塑性耦合特征,应避免采用弹性模量不变假定计算弹性应变能带来的偏差;围压升高不仅能够有效提升大理岩的吸能和储能效率,也能强化大理岩的吸能和储能极限,同时还能抑制大理岩的能量耗散效率和耗散能的提升幅度;岩样从峰前到峰后的能量演化是一个弹性能占比逐渐降低,耗散能占比逐渐升高的过程,残余阶段能量占比趋于稳定,其残余弹性能和残余耗散能均随着围压的增加呈现近似线性的增长,而最大弹性能和最大耗散能则随着围压的增加呈现非线性的增长。考虑初始损伤和残余承载力修正的损伤演化方程能很好地捕捉不同围压下岩样基于耗散能定义的损伤变量的变化特征。进而,基于能量相对比例定义的能耗比判据可视为大理岩的材料失效判据,基于能量绝对差值定义的能耗差判据可视为大理岩的结构失效判据。

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验。研究结果表明:循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度、弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。

贵阳红黏土轴向循环加卸载强度与变形特性试验研究

为了探究循环加卸载作用下贵阳红黏土宏观力学特性,采用固结不排水剪三轴试验,分析含水率、围压、应力路径对贵阳红黏土强度及变形性质的影响,研究循环荷载作用下土体受损程度的表征方法。研究结果表明:循环加卸载过程中红黏土存在后继压密与小幅回弹特性,随着围压的升高、含水率的降低,后继压密阶段更加明显,峰值强度呈明显的上升趋势。相同围压条件下孔压达到峰值状态时存在一临界应变点,此点之前孔压循环曲线不能形成滞回环,之后随循环荷载呈滞回环式平稳消散。循环荷载作用下试样小孔增多,有利于摩擦强度的发挥,但孔隙水压力增大使得有效黏聚力减小。加卸载模量随着应变的增大呈减小趋势,表现出明显的损伤特性,损伤系数最终分布在0.80~0.95。

循环三轴试验加载频率和压实度对重塑砂土液化行为的影响

通过对各向同性固结不排水试样进行循环三轴试验,研究了饱和重塑砂土的液化行为。试验采用恒幅正弦载荷,通过测量剪切模量、阻尼比、轴向应变和超孔隙水压力比的变化,评估了加载频率(分别为0.1、0.5、1.0 Hz)和压实度(分别为0.95、0.90和0.80)对砂土液化行为的影响。试验结果表明,对于压实度为0.95的砂样,在5000次加载循环中,0.1 Hz的加载频率对液化过程影响甚微;而对于压实度为0.90和0.80的砂样,此频率的影响显著。对于压实度为0.80的砂样,当频率增加到0.5 Hz时几乎一加载就直接发生液化。这表明增加加载频率会加快液化速度,而增加压实度则会减慢液化速度。因此,通过一系列的试验可以模拟现场砂土在不同频率下的动荷载条件。试验结果表明,饱和砂土的液化行为由以下因素决定:(1)试样的压实度越低,液化越容易发生;(2)加载频率越高,液化越容易发生;(3)循环轴向应变越大,发生液化所需的循环次数越少;(4)超孔隙水压力随加载循环次数增加,直至试样完全液化。

深基坑锚索抗拔多循环加载试验研究

本文依托某深基坑支护工程,通过锚索抗拔多循环加载试验,得到各锚索的抗拔承载力符合设计要求。通过试验数据得到其Q-s曲线及相关拟合式,可为预测深基坑极限抗拔承载力提供参考。分析其弹塑性变形规律,同时总结荷载位移增量规律,确定其工作荷载,对该工程预应力锚索抗拔设计参数进行验证和优化,从而为现场施工提供指导。

循环加卸载下不同冲击损伤砂岩的力学特性研究

针对地下岩体工程在开挖掘进后因循环扰动导致围岩劣化和失稳问题,以冲击损伤砂岩为研究对象,开展三轴循环加卸载试验,研究循环加卸载条件下冲击损伤岩石的性能劣化和破坏规律。研究结果表明,冲击损伤越大的砂岩试样,在临近峰值强度时,其轴向应变会出现急速增长的现象;砂岩的塑性应变随循环次数的增加不断累积,在裂纹不稳定发展阶段,塑性应变大幅度增长;在弹性模量方面,研究发现同一循环等级下,砂岩试样的冲击损伤越大,其对应的割线弹性模量越小,抵抗变形的能力越弱;关于泊松比的研究发现,三种不同冲击损伤砂岩试样在试验过程中都表现出相似的变化趋势,先加速上升,然后缓慢增加,最后急剧增长。但损伤度越大的砂岩试样在试验后期表现出更明显的扩容现象,泊松比增加也更为显著。

加卸载循环下挡墙后砂土的三维应力状态测试研究

为揭示加卸载过程中挡墙后土体内部的三维应力状态演变规律,开展了挡土墙后砂土的加卸载模型试验,研究了不同循环过程中砂土三维应力状态的演变规律。在此基础上,分析了测点主应力大小及其方向随加卸载过程的演化特征,对砂土中应力传递的滞后性进行了分析。结果表明:当加卸载次数增加时,正应力和主应力的绝对值逐渐减小而剪应力基本不变;多次加卸载过程砂土的三维应力表现为明显的应力滞后特征;稳定加载或有压维持阶段的主应力角度较为稳定,加卸载并不能完全使得土体达到稳定承载结构;当满足侧限条件且递增加载时,土体的K_(0)值可依据三维土压力测试技术来预测。

深部冲击倾向煤岩循环加卸载的纵波波速与应力关系试验研究

研究了单轴循环加卸载条件下深部冲击倾向煤岩样应力与纵波波速的耦合关系,基于煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓的特征建立了应力与纵波波速之间的试验关系模型,并对模型参数进行了分析。研究表明:①由于闭合的孔隙和裂隙又重新张开,颗粒之间的压实程度减弱,煤岩试样卸载过程中,随着应力的降低,波速也降低;②部分裂隙和孔隙在压密阶段发生永久闭合,造成应力降低后再无法张开,因此下一循环的开始纵波波速值要大于第一个循环开始时的波速值;③与实测值的相关系数计算结果表明,试验关系模型具有较高的拟合度,很好地体现了试样纵波波速变化对载荷的敏感程度。