基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法EI北大核心CSCD

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

加载速率对石灰岩力学效应的试验研究

采用RMT-150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对石灰岩标准试件进行4级不同加载速率的单轴压缩变形室内试验,定量的分析了加载速率对石灰岩试件单轴抗压强度、峰值强度以及对应的应变、破坏后的性态、破裂形式及应力–应变关系等物理力学性态的影响。得出该石灰岩试件单轴压缩破坏的全过程曲线及一些重要特性和参数,为该矿山开采设计提供重要依据。     

INSTRON试验机高速加载试验控制软件开发

本文介绍了最近为INSTRON 电液伺服控制试验机所开发的高速加载试验控制软件DTest的功能及其所攻克的主要技术难关,并通过岩石动态断裂韧度试验的实例,说明了经开发的INSTRON高级试验机是在中等应变速率加载范围内进行高速加载试验的理想工具。     

中等应变速率下岩石抗拉强度实验研究

利用Instron电液伺服材料试验机系统对岩样进行低周疲劳加载,成功获得了中等应变速率,并通过施加不同的加载波形和动载频率,得到了各加载波形和频率下的岩石抗拉强度和应变率响应及其变化规律,拓展了中等应变速率下的实验范围。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

岩石准静态条件下加载过程中的非平衡效应

岩石具有重要的不可忽略的黏滞特性,准静态条件下试样应力–应变曲线表现出明显的加载速率相关特性,宏观表现为试样加卸载过程中的弹性后效,弹性蠕变和松弛等非平衡态非线性效应。基于经典的PreisachMayergoyz空间理论模型,引入具有时间依赖性的滞弹细观单元,得到改进的PM空间理论模型。采用所提出的改进的PM空间模型,研究不同加载速率下试样应力–应变曲线关系特征,以及准静态条件下试样加载过程中的非平衡效应。最后,提出滞弹细观单元变形–时间曲线的试验获取方法以及改进PM空间的重构方式。研究结果表明,加载速率越小,试样滞回曲线所围成的面积越小;加载速率越大,试样达到平衡状态所需要的时间越长。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

基于随机散粒体模型的堆石体真三轴数值试验研究

基于三维变形体离散单元法,模拟堆石体的真三轴试验,研究堆石体在三向不等应力状态下的强度和变形特性。真三轴数值试验装置采用六刚性板加荷方式,等中主应力比路径加载。数值试验结果表明：真三轴数值试验能较好反映堆石体在三向不等应力状态下的应力和变形规律,数值模拟得到宏观应力变形特性与试验规律相似;等中主应力比参数的大小对堆石在三向应力状态下应力和强度特性有显著的影响,堆石体在 3 个加载方向的变形也随该参数的变化而变化,应力比参数从 0 到 1 变化过程中中主应变方向先压缩后膨胀,小主应变方向一直处于压缩状态;堆石体的内摩擦角随着值的增加而增大,基本符合 Lade-Duncan 破坏准则;在细观层面上,围压越高,值越大,颗粒配位数越大; 加载过程中,颗粒接触法向和法向接触力各向异性程度加强,各向异性主方向角由水平向转向大主应变方向,试样各向异性系数的演化规律和试样的宏观应力变形曲线相对应,试样的宏观力学特性与细观组构存在内在的关联。     

柔性、刚性和伺服控制试验机——引证与岩石坏破关系的评论

自从试验机在18世纪初出现后,它逐渐地完善起来并具有多种功能。对于实验室的岩石破坏研究来讲,试验机技术的两点最新进展是特别重要的;即刚性试验机的发展和反馈控制系统的使用。在材料试验中,长期以来力作为独立变量,但是用等加载速率进行岩石力学试验达到力——位移曲线的峰值时,不可避免地产生猛烈的失去控制的破坏。如果将位移作为独立变量,在刚性或反馈控制系统的试验机中,可以实现等位移速率,这样就可以控制岩石的破坏。这篇论文包括试验机的简要历史和用刚性和侗服控制试验机控制岩石破坏的原理的详细讨论。论述了刚性试验机从1935年到现在的发展,还详细讨论了岩石试件的刚度和试验机的刚度(这两种因秦既不是固定的也不是独立的)。在闭路侗服控制试验机中,控制岩石破坏的能力是由快速响应时间和正确选择反馈信号所决定的。本文解释了这些因素并给出了正确控制的示例,这些现在在岩石破坏的试验研究中是能够作到的,而在几年以前则是不可能的或不实际的。     

球铰装置对混凝土材料轴拉全过程试验的影响

采用MTS322电液式伺服试验机,进行了试验系统轴拉刚度律定试验以及混凝土材料轴拉全过程试验,分析了球铰装置对混凝土材料轴拉全过程试验的影响.结果表明:球铰装置大大降低了加载系统的刚度,且试验机作动头位移与试件本身的变形间不遵循线性规律;用作动头位移控制加载,有限提高球铰装置刚度并不能使混凝土材料稳定断裂,只有采用试件实时最大应变控制加载,才有可能得到稳定的混凝土材料断裂,从而获得混凝土材料轴拉应力-应变全曲线.     

岩石圆盘劈裂刚性试验研究

岩石力学试验,尤其是岩石的变形特征试验往往受试验机刚度的影响。为了真实地反映岩石的力学特性,笔者在采用平行刚性柱方法提高试验系统的有效刚度基础上,设计了圆盘劈裂刚性试验系统和载荷-位移测试记录系统,并对大理岩试件进行了圆盘劈裂初步研究,进而获得了大理岩圆盘劈裂应力-应变全过程曲线,同时对试验影响因素作了初步分析。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)高位远程滑坡动力侵蚀犁切计算模型研究;(2)真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究;(3)损伤与破裂岩样力学特性试验研究;(4)岩石梯度应力加载试验装置研制及初步试验研究;(5)拉林铁路变坡面倾角崩塌落石对桥梁结构破坏作用的模拟分析与试验研究;(6)基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法;     

加载和卸围压条件下岩石力学特性的对比研究

为了研究岩石在加载和卸围压试验条件下的岩石力学特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机,通过三轴加载和固定轴向应变卸围压的试验方法对辉绿岩进行了试验研究,分析了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学特性.并引入由Hoek-Brown屈服准则定义的主应力包络线切线,计算岩石峰值强度和残余强度时的粘聚力c和内摩擦角φ,获得了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学参数的变化特征.结果表明:在卸围压试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂膨胀特性,但由于在卸围压条件下应变能的释放,岩石力学特性受围压的影响表现得更为突出.通过对加载和卸围压试验条件下的岩石力学参数进行比较分析,得到了岩石力学参数c、φ随围压的变化的规律.研究成果可为地下工程开挖过程中围岩受力变形特性研究提供参考.     

用数字图像处理技术进行膨胀红砂岩细观结构动态劣变特征研究

针对南京红山窑水利枢纽工程红砂岩具有微膨胀、易风化、易湿化的特点,采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、MTS81503岩石力学刚性电液伺服试验机等先进设备为测试手段,获得大量红砂岩在不同吸水时间下的细观结构照片,并对图片进行灰度处理,提出用数字图像相关技术处理不同含水状态下红砂岩试验随时间动态劣化过程的灰度分布图;进一步探讨不同注水时间的红砂岩细观结构劣变状态及裂纹扩展的定量描述,从而为分析与定量评价膨胀红砂岩随时间膨胀变形破坏机制,寻求一种可靠的研究方法.这一结果对南京红山窑水利枢纽工程地基处理方案设计与施工具有重大的参考价值.     

刚性试验机及其在岩石力学中的应用

六十年代中期以来,刚性试验机在岩石力学的试验研究中得到了广泛的应用;七十年代以后,各种类型的刚性试验机先后出现,许多学者利用刚性试验机获得了各类岩石的荷载-位移全过程曲线,揭示了岩石破坏后的性质,促进了人们对岩石破坏机制的认识进一步深化。但是,由于各种刚性试验机的性能和试验的加载方法不同,所得的试验结果,往往会有很大的差异,甚至得出错误的认识和结论,本文着重就这些问题,举例分析,论证选择刚性试验机对正确判断试验结果的重要意义;对前人的有些结论进行了商榷,最后,对岩石单轴压缩试验方法提出了建议。     

可视化三轴压缩伺服控制试验系统的改进和应用EI北大核心CSCD

可视化三轴压缩伺服控制试验系统主要由轴压加载系统、围压加载系统、可视化三轴压力室、加载控制系统、数据采集系统、图像采集系统等组成,其最大轴向荷载500 kN、最大围压10 MPa、试件尺寸为ф25 mm×50 mm。经改造后该系统有以下特点:(1)能够实现较大范围内的荷载速率控制,用以研究围压条件下岩石的荷载速率依存性;(2)实现伺服液压控制加载功能,可进行多种加载路径下的岩石力学试验,且改进后的油源取消了冷却系统;(3)设有触发预警装置,提高试验的安全性;(4)设计有图像采集系统,通过数字图像处理,可以精确测量试样的变形,并消除端部效应的影响;(5)基于采集的图像资料,可对岩石在三维应力条件下的裂纹演化特点进行详细描述。