高温作用下花岗岩的脆延性转化温度点

为了探讨在高温作用下花岗岩的脆延性转化温度点,进行了高温力学试验和扫描电镜试验,分析了温度对花岗岩屈服应变、破坏应变、延性系数和应力-应变关系的影响。试验结果表明:在实时高温作用下及高温作用冷却后花岗岩的脆延性转化温度点均在800℃左右,此时花岗岩晶体中出现穿晶裂纹、解理台阶、滑移带和浅表韧窝等共存特征,岩样呈现延性破坏特征;随着温度的升高,花岗岩破坏方式由突发式的脆性破裂逐渐向渐进式的半脆性剪切破坏转化。     

华山花岗岩热力损伤特性及机理研究

为研究花岗岩的热力损伤特性及机理, 借助超声检测分析仪与钨灯丝扫描电镜, 分析了不同温度作用后岩石纵波波速衰减规律、损伤演化模型及细观机理。结果表明:温度低于500 ℃时, 花岗岩试样纵波波速随处理温度升高而缓慢降低, 当温度接近573 ℃, 纵波波速呈迅速下降状态, 最终渐趋于稳定; 随着加热温度的升高, 岩样的超声波波幅锐减, “拍”的长度变短; 花岗岩内部热损伤与所经历的温度之间符合logistic曲线模型; 温度在20~500 ℃范围内, 花岗岩试样中主要产生晶间裂纹, 裂纹数量随温度升高而增加; 加温至700 ℃时, 岩样中产生晶内裂纹或穿晶裂纹, 温度达到900 ℃时, 岩样出现宏观分岔裂隙。     

循环冲击荷载下花岗岩力学特性尺寸效应

为探究岩石循环动力学特性及其尺寸效应,采用分离式霍普金森压杆对高径比为1.00,0.76和0.50的花岗岩试样开展循环冲击试验,并对比分析试验结果。结果表明:同一弹速下,高径比越小,试样最后一次冲击曲线的峰后破坏阶段越显著;随着高径比增加,试样峰值应变整体减小,而弹性模量有所增加,峰值应力下降程度明显减弱;在相同幅值的入射波循环作用下,累积比能量上升趋势随高径比增加逐渐变弱;低弹速（如8.5 m/s）循环冲击下试样呈现轴向劈裂破坏模式,而在高弹速（如9.9 m/s）条件下,试样破坏由轴向劈裂转变为边缘仅少量剥落。此外,试样破碎程度随高径比的增加而降低,表现为破碎块度增大、破碎块数减少。     

基于CT扫描的致密砂岩脆性破坏裂纹扩展规律研究

岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其破裂面细观形态变化可以直接地反映出结构破坏特征。目前,常采用扫描电镜法、透镜法和CT扫描技术对岩石细观结构进行表征。运用CT扫描技术对典型脆性岩样单轴压缩破坏后破裂面及全断面进行扫描,获取全断面的细观形态,分析和总结了典型脆性岩样破坏细观裂纹扩展的发展规律:每一条独立裂纹都以一恒定曲率半径系数K随层位向试样内部扩展,直至裂纹曲率半径趋近于无穷。此时若无其他因素影响,其曲率半径则不会再随层位继续扩展;并通过分析定义出岩石脆性破坏状态时裂纹的聚集域和非聚集域,同时根据能量守恒定律得出了衍生裂纹及新次生裂纹产生的判据。     

基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

高温作用后的北山花岗岩时效变形特征研究

以甘肃高放废物重点预选场址的北山花岗岩为研究对象,开展不同热损伤和围压条件下的三轴分级蠕变试验,分析热力耦合作用下的北山花岗岩蠕变变形机理。试验结果表明,在单轴条件下,北山花岗岩的微裂纹密度随热处理温度升高而逐渐增加,进而导致轴向峰值应变持续增大。150℃和300℃温度荷载造成的轻微热开裂引发了裂纹尖端钝化,从而增强了热损伤花岗岩的长期强度;当热处理温度达到600℃后,石英相变产生的差异性热膨胀导致北山花岗岩的热裂纹密度显著增加,进而造成长期强度急剧降低。相比之下,在5 MPa和25 MPa围压的三轴蠕变试验中,静水压力能够愈合较低温度荷载造成的热开裂,使150℃和300℃热损伤花岗岩的轴向峰值变形和长期强度恢复至无损岩石水平。然而,上述静水压力未能完全愈合600℃热处理温度造成的热开裂,热损伤花岗岩的残余微裂纹导致轴向峰值应变增大,并造成了裂纹尖端的钝化效应,最终导致北山花岗岩的长期强度增大。     

不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程

对我国高放废物地质处置地下实验室场址的甘肃北山花岗岩分别进行不同温度下(25、60、90、120、200、300℃)的巴西劈裂试验,通过实时声发射监测、主断面分析以及颗粒流程序数值模拟,研究了岩样的裂隙扩展过程。结果表明：(1)120℃时温度对花岗岩存在显著强化效应,其他温度下花岗岩强度较常温下降低;(2)声发射数据显示中等温度(60～120℃)荷载下花岗岩产生的裂隙数量和尺度随着温度升高而增大,因此消耗更多的加载能量,使得花岗岩强度逐渐增大;(3)受长石、石英和云母的热力学性质差异影响,在室温至120℃范围,花岗岩断面裂隙随着温度升高更趋于沿着长石颗粒的边界扩展,120℃后非长石颗粒边界的裂隙占比开始上升;(4)基于花岗岩表面矿物实际分布建立了PFC^2D模型并进行模拟试验,可知温度能降低矿物颗粒间的粘结强度,使得岩石更易发生破裂。     

实时高温下北山花岗岩劈裂试验及声发射特性

为了探究实时高温条件下岩石试样的拉伸试验和全过程声发射特性,采用MTS810电液伺服试验系统,进行了不同实时温度下核废料预选区北山花岗岩试样巴西劈裂试验,比较分析不同温度(25～1 000 ℃)下北山花岗岩宏微观的破坏特征、荷载-位移曲线、抗拉强度以及全过程声发射特征随温度的演化规律等。研究结果表明:随着温度的升高,北山花岗岩形成的裂缝越来越多,晶间裂纹的裂缝孔径逐渐增大,T> 400 ℃时形成明显的穿晶裂缝,失效模式也从脆性的拉伸破坏变为延性,呈Y型破裂模式;荷载-位移曲线形状由“下凹”型向“上凸”型转变,实时高温下北山花岗岩抗拉强度整体呈下降趋势,这种随温度的劣化趋势却表现出较强的阶段性特征;达到峰值荷载之前声发射(AE)事件存在平静期,随着温度的增加,这种平静期阶段变得越来越不明显,同时峰值振铃计数率逐渐减小。研究成果可供深部地下实验室建设和数值模拟提供参考。     

基于分形理论的混凝土动力拉伸过程定量研究

为了从细观层面上定量研究混凝土动荷载作用下的破坏过程,以正弦波动力荷载作用下的混凝土 CT 试验为基础,编制了基于差分盒维数理论的分形维数计算程序,分别研究了混凝土试样三个断面大统计区域和感兴趣区域上的分形维数随加载过程的变化过程,通过分析混凝土试样在加载过程中分维数的变化规律,探讨了分维数变化与损伤裂纹演化过程的关系。结果表明: 正弦波动力拉伸荷载作用时混凝土试样中一般有多条裂纹同时萌生,但当主裂纹形成后,次生裂纹会闭合,主裂纹会抑制次裂纹的发展,且裂纹大致与拉荷载方向垂直,破坏形式属于脆性断裂,损伤裂纹表面平整,裂纹沿材料强度较弱的区域发展; 混凝土试样各断面分形特征明显,分形维数能较好地描述混凝土损伤裂纹的演化规律,可作为研究混凝土裂纹演化的定量参数; 感兴趣区域分维数的变化更明显,更有利于描述混凝土受力破坏时内部的应力集中、应变局部化和损伤裂纹的演化规律。     

基于分形理论的混凝土动力拉伸过程定量研究

为了从细观层面上定量研究混凝土动荷载作用下的破坏过程,以正弦波动力荷载作用下的混凝土CT试验为基础,编制了基于差分盒维数理论的分形维数计算程序,分别研究了混凝土试样三个断面大统计区域和感兴趣区域上的分形维数随加载过程的变化过程,通过分析混凝土试样在加载过程中分维数的变化规律,探讨了分维数变化与损伤裂纹演化过程的关系。结果表明:正弦波动力拉伸荷载作用时混凝土试样中一般有多条裂纹同时萌生,但当主裂纹形成后,次生裂纹会闭合,主裂纹会抑制次裂纹的发展,且裂纹大致与拉荷载方向垂直,破坏形式属于脆性断裂,损伤裂纹表面平整,裂纹沿材料强度较弱的区域发展;混凝土试样各断面分形特征明显,分形维数能较好地描述混凝土损伤裂纹的演化规律,可作为研究混凝土裂纹演化的定量参数;感兴趣区域分维数的变化更明显,更有利于描述混凝土受力破坏时内部的应力集中、应变局部化和损伤裂纹的演化规律。     

混凝土结构内锈蚀钢筋的疲劳研究综述

腐蚀环境和反复荷载共同作用下混凝土结构的疲劳问题愈发突出,特别是混凝土结构在荷载作用下产生和发展的裂缝为腐蚀介质提供了快速传输通道,引起开裂区域钢筋局部坑蚀。动态荷载作用下疲劳裂纹在蚀坑底部形成并扩展,导致钢筋脆性断裂,进而导致混凝土构件的疲劳失效。回顾并分析了混凝土裂缝对钢筋疲劳性能的影响、坑蚀钢筋疲劳性能研究进展和基于弱磁效应的钢筋疲劳研究,指出掌握坑蚀钢筋的裂纹扩展行为是进行服役混凝土结构疲劳寿命预测的关键。弱磁效应能够实时地表征锈蚀钢筋的疲劳断裂行为,建立基于弱磁理论的锈蚀钢筋等效裂纹扩展长度和应力强度因子变幅表征方法,是服役钢筋混凝土结构疲劳寿命预测的一个创新方法。     

静水压力下混凝土双K断裂参数试验测定

本文主要研究混凝土在机械荷载和水压力的双重作用下，裂缝的起裂、扩展和失稳断裂情况。试验采用楔入劈拉试件，试验时每间隔一定的机械荷载，施加一个循环的一定数值的水压力，直至试件断裂。试验采用“恒定裂缝张开位移”和“恒定荷载”两种加载方式，恒定裂缝张开位移是对水压力作用下的试件进行的定性对比分析，恒定荷载是对固定水压力作用下的试件，通过表面粘贴应变片的方法监测裂缝的起裂和扩展长度。采用混凝土裂缝扩展的双K断裂准则计算了粘聚韧度、失稳韧度和起裂韧度，并与试验测定结果进行了比较。结果表明，随着水压力的逐渐增大，试件的可承受最大荷载逐渐减小，裂缝的起裂提前。     

带裂缝混凝土轴拉力学性能及Kaiser效应试验研究

为了解带裂缝混凝土在轴拉荷载作用下的力学特性和在变幅循环荷载作用下声发射Kaiser效应,设计了3种带不同初始缝长的混凝土轴向拉伸试验,详细分析了初始缝长对混凝土轴拉强度、断裂韧度、弹性模量等力学参数和声发射Kaiser效应的影响。结果表明:随着初始缝长的增加,混凝土弹性模量保持不变,断裂韧度逐渐增加,轴拉强度与初始缝长呈线性递减关系;在变幅循环荷载作用下,混凝土表现出明显的Kaiser效应,随着荷载水平的提高,Kaiser效应逐渐减弱;当缝高比小于0.4时,Kaiser效应随初始缝长的增大逐渐增强;Kaiser效应本质上是由混凝土内部损伤程度决定的。此外,混凝土轴拉强度的大小会影响其在低荷载水平作用时声发射信号的强弱,据此可判断混凝土试件强度的高低。     

花岗岩脆延破坏过程声发射与损伤特性模拟研究

为了研究花岗岩脆性和延性破坏过程的声发射特性和损伤演化机制,通过花岗岩单轴试验和颗粒流程序进行了不同围压试验,获得了花岗岩破坏过程中的声发射曲线并再现了内部损伤演化过程。试验结果表明:花岗岩脆延破坏分界围压约为100 MPa;花岗岩脆性破坏时最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著,围压越大滞后效应越不明显,延性破坏时最大声发射强度与峰值应力同时出现,滞后效应消失。花岗岩脆性破坏声发射曲线为单峰型,延性破坏声发射为平缓曲线。脆性破坏花岗岩内部严重损伤区少且分布集中,损伤区裂隙发展方向单一,延性破坏内部损伤区多且遍布整个试样,损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展;花岗岩破裂角随围压增大逐渐减小,由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带,低围压脆性破坏花岗岩被破裂面切割成数块,高围压下延性破坏呈粉碎性状态。     

循环荷载下土体动应力响应特征及pH值变化对其影响

为探究循环荷载下土体内动应力响应特征及pH值变化对动应力累积效应的影响,对不同pH值花岗岩残积土进行了室内循环荷载试验。通过试样内埋设应力盒的方法,实时测得不同pH值试样内动应力响应值。试验结果表明:循环荷载下土中动应力和累积变形都随着循环次数的增加而增大;加载时,酸碱处理过的试样峰值应力显著增大;卸载后,碱处理过的试样残余应力也增大,且碱性越强,峰值应力和残余应力增长的幅度越大;碱性试样的动应力和变形均大于酸性试样和未经酸碱处理试样;动荷载下土体内部的附加应力滞后于应变,应变又滞后于外荷载。酸碱度的差异对花岗岩残积土的动应力响应有较大影响,实际工程中应对此问题予以重视。     

周期荷载下岩石分数阶黏弹塑性本构模型研究

为研究周期荷载下岩石疲劳变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换西原模型黏塑性体中的一般黏壶,并在西原模型中串联一个黏性元件,分别建立了可描述周期荷载下岩石变形规律的一维和三维分数阶黏弹塑性本构模型。在高动应力状态下,模型为反映岩石减速、等速、加速3个变形阶段变形规律的岩石分数阶黏弹塑性疲劳本构模型;反之,则为反映岩石减速、加速变形规律的Burgers模型。对既有的岩石疲劳试验结果拟合表明:基于分数阶黏弹塑性模型所建立的岩石疲劳本构方程可较好地描述周期荷载下岩石各种变形特征,拟合系数在0.96以上。研究成果可丰富岩石力学理论,为相关研究提供参考。     

热处理北山花岗岩热传导特性研究

高放废物地质处置库围岩的热传导特性是影响处置库布局和处置单元间距优化的关键因素之一。以北山花岗岩为研究对象,开展岩石在不同温度(200～800 ℃)处理后的热传导试验,探讨热处理对岩石导热系数的影响规律,分析其与常规物理参量的内在联系,揭示热处理岩石导热特性的饱水效应。研究结果表明:①岩样导热系数随热处理温度的升高而降低,导热系数的衰减速率在550～650 ℃阶段达到峰值;②随热处理温度的升高,岩样质量、干密度和纵波波速总体呈下降趋势,而岩样体积和孔隙率则逐渐增大,根据导热系数与纵波波速、孔隙率及干密度的关系,建立了热处理岩样导热系数的预测模型;③热处理前,饱水岩样的导热系数比干燥岩样增加了9.7%～12.1%,且两者呈近似线性增加的趋势;④热处理后,饱水岩样的导热系数随热处理温度的升高呈轻微下降趋势,且导热系数的饱水效应随孔隙率的增加呈近似线性增大。研究结果可为高放废物处置工程的设计和优化提供理论基础。     

橡胶混凝土弯曲疲劳性能研究

为研究橡胶混凝土的弯曲疲劳性能,将粒径为0.54 mm的橡胶颗粒以不同掺量掺入混凝土中,制成橡胶混凝土试件进行轴压试验与轴拉试验,测其应力-应变曲线,计算出弹性模量和泊松比。进行四点弯曲静载试验及ABAQUS数值模拟,得到极限荷载、峰值挠度和荷载-挠度曲线,试验结果与数值模拟结果较接近,验证了数值模型的可靠性。使用疲劳软件Fe-safe分析等幅及变幅加载下橡胶混凝土弯曲疲劳寿命,结果表明:无论是普通混凝土还是橡胶混凝土,在等幅循环荷载下,应力水平越高,弯曲疲劳寿命越低;各掺量下橡胶混凝土的弯曲疲劳寿命都比普通混凝土的大,且橡胶掺量越多弯曲疲劳寿命越大;在变幅荷载作用下,随着橡胶掺量的增大,混凝土的弯曲疲劳寿命也越大;随着变幅等级增多,各掺量下橡胶混凝土的弯曲疲劳寿命均降低,且变幅等级越多,弯曲疲劳寿命越低。