循环荷载下花岗岩强度及变形特征试验研究

为研究循环加卸载作用下岩石的强度及变形特征,以隧道工程区域内的花岗岩为对象,采用室内岩石力学试验方法,得到了以下结论.(1)单轴循环荷载作用下花岗岩的最终破裂面明显多于单调加载,而三轴条件下,两种加载方式的破坏模式较为接近;(2)循环荷载作用下花岗岩的峰值强度显著降低;单调加载下的花岗岩表现为脆性破坏,而循环加载下花岗...     

周期荷载作用下白砂岩的疲劳特性研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,分别采用固定下限应力改变上限应力和固定上限应力改变下限应力的试验方法,进行不同加载条件下白砂岩的疲劳试验,研究周期荷载作用下白砂岩疲劳破坏过程中的疲劳特性、轴向应变的累积规律和轴向不可逆变形的发展规律和应变速率与循环次数的关系。研究结果表明,周期荷载作用下白砂岩的破坏过程宏观上是轴向不可逆变形的逐步发展累积,直到其破坏的过程,且其轴向不可逆变形发展过程表现出不依赖于应力比的三阶段发展规律;且疲劳破坏过程受静态应力–应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和振幅是影响白砂岩疲劳破坏过程和疲劳寿命的主要因素。     

周期荷载作用下黄砂岩疲劳破坏变形特性试验研究

为研究周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响作用,利用Rockman207岩石力学试验系统对黄砂岩试件进行了单轴条件下不同上限应力和应力幅值的周期荷载疲劳试验。试验结果表明:黄砂岩的疲劳破坏受到静态应力–应变全过程曲线轴向、环向以及体积变形量的控制,在控制曲线的峰值强度或峰值强度之后,疲劳试验过程中会出现"初始破坏";黄砂岩疲劳破坏轴向和环形不可逆变形的3阶段发展规律的本质影响因素是产生的应变速率不同,黄砂岩的疲劳破坏过程是轴向和环向不可逆变形不断累积的过程;在一定条件下,黄砂岩的循环次数–上限应力曲线(N–S曲线)可以用来预测岩石的疲劳寿命。     

体积应变率对北山花岗岩疲劳特性的影响

采用MTS815岩石力学试验系统对北山花岗岩进行动态三轴循环加、卸载试验,研究体积应变率的变化对岩石疲劳特性的影响。通过在静态加载阶段确定岩样损伤应力所对应的体积应变值,并实时监测体积应变的变化确定岩石疲劳初始点和体积应变率,进而获得岩样在动态循环加、卸载过程中的力学参数,以揭示北山花岗岩在不同体积应变率下的动态疲劳特征和损伤演化规律。研究结果表明:(1)岩样在疲劳破坏时的瞬时应变和最大塑性应变对体积应变率的变化不敏感。(2)岩样塑性体积变形随加、卸载循环次数的增加表现出初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,在等速变形阶段,塑性体积应变率和弹性模量衰减率强烈依赖于体积应变率的变化,二者均随体积应变率的增加呈非线性减小的趋势。(3)采用塑性体积应变和弹性模量定义损伤变量可合理描述岩样的损伤演化过程,在损伤稳定发展阶段,损伤演化速率随体积应变率的增加呈非线性增大。(4)体积应变率的变化致使岩样在动态疲劳前产生初始损伤的差异,从而导致其疲劳寿命随体积应变率的增加而显著降低。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究

利用RMT—150B岩石力学多功能试验机完成了单轴压缩状态下砂岩、大理岩和花岗岩试件疲劳破坏变形及机理的较为系统的试验研究．试验结果表明，岩石的疲劳破坏受到静态应力．应变全过程曲线的控制，疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限应力在静态应力-应变全过程曲线后区对应的变形量相当．将岩石轴向不可逆变形发展划分为初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段3个阶段，3个阶段变形的累积将导致岩石的最终破坏．影响岩石疲劳寿命的主要因素是周期荷载的上限应力和幅值．     

增幅疲劳荷载作用下含双裂隙花岗岩空心圆柱破裂演化试验研究

为了揭示裂隙型空心圆柱体在中低应变率应力扰动作用下的破裂演化特征及细观力学机制,探究地下工程中常见的孔洞–裂隙组合型岩体的破裂和失稳物理过程,设计4种不同预制裂隙角度的空心圆柱体试样,采用GCTS-RTR 2000岩石力学试验系统,实时声发射监测和试验后CT扫描相结合的手段,研究预制裂隙方位对岩石在多阶段增幅疲劳荷载作用下的结构劣化特征及岩桥断裂模式。试验结果表明：(1)随着裂隙角度的增大,岩石的疲劳强度、体积变形以及疲劳寿命逐渐增大,且体积变形增长速率越来越快,基于不可逆轴向应变,提出一种描述岩石疲劳损伤的两阶段损伤演化模型。(2)岩石破裂过程中声发射振铃数及能量变化受裂隙角度影响,累计振铃计数与累计能量计数随着裂隙角度的增大而增加,岩石在应力幅值突然增加时刻的累积损伤要大于疲劳加载阶段。(3)试样疲劳力学试验后的工业CT扫描揭示了岩桥段破裂形成的不同缝网模式,且受裂隙角度影响较大,裂隙网络的复杂程度随着裂隙角度的增加而增大,表明裂隙角度越大,岩石越不容易发生疲劳破坏。试验结果有利于深入理解裂隙型孔洞岩体的疲劳破坏机制,可为应力扰动作用下裂隙岩体巷道开挖设计、围岩稳定性控制及岩体长期...     

砂岩在低频循环荷载作用下的疲劳和损伤特性试验研究

针对砂岩岩样,探讨围压作用时不同频率轴向循环荷载下的疲劳损伤特性,研究频率对砂岩岩样的疲劳力学性质的影响。采用的试验设备是MTS–815岩石和混凝土试验系统,试验围压分别为2,10和40 MPa,施加的循环荷载频率分别为0.1,1.0,3.0 Hz。岩样为汶川地区的干砂岩,试样平均直径为48.9 mm,高度与直径之比为2∶1。试验结果表明:(1)在相同围压作用下,频率对岩样的残余变形、疲劳刚度和破坏模式有很大影响,频率越高,破坏时的残余轴向应变越大,破坏次数越多,岩样的初始刚度越大;(2)提出的疲劳损伤变量D可以描述岩样在循环荷载作用下的疲劳损伤过程。     

温度和应力循环作用下花岗岩力学特性变化规律试验研究

采用多功能岩石高温三轴试验机,对花岗岩试件进行温度上限为100℃～600℃、应力上限分别为各温度下70%和85%单轴抗压强度的温度和应力循环试验,揭示温度和应力循环过程中花岗岩力学特性的变化规律,研究表明:(1)随循环次数增加,花岗岩弹性模量逐渐增大,每次循环加载的上限应变总体呈减小趋势,与应力上限为70%单轴抗压强度相比,应力上限为85%单轴抗压强度时上限应变的降低程度更大;(2)除600℃外,试件经温度和应力循环作用后的单轴抗压强度都大于对应实时温度下的强度值,其中循环温度上限为300℃时,其强度值增幅最大,在循环应力上限为70%与85%抗压强度条件下,增幅分别达到57.1%和50.9%;(3)经温度和应力循环后,花岗岩试件的强度产生明显变化,而峰值应变与实时温度下的峰值应变相差不大,说明从变形条件研究岩石的稳定性比强度条件研究岩石的稳定性更符合试验规律。研究结果对受温度和应力循环作用的深部岩石工程的稳定性研究有一定的借鉴价值。     

循环荷载作用下石膏质岩的疲劳特性试验研究

 利用MTS 815岩石力学测试系统、声发射系统、环境扫描电镜开展石膏质岩循环荷载作用下的疲劳试验,探讨循环荷载条件对其疲劳损伤特性的影响。结果表明：石膏质岩循环荷载作用下的疲劳损伤特征明显,塑性特性显著。其疲劳试验的应力–应变全过程曲线具有如下形状特征：加载曲线可分为“近线性”的弹性特征段和“呈压扁状”的塑性特征段,塑性特征段滞后效应明显,卸载曲线呈现近线性特征。循环荷载条件对石膏质岩疲劳损伤特性影响显著,疲劳试验过程的声发射信息演化规律及微观结构变化特征能够较好地揭示其疲劳损伤演化过程及宏观破裂特征：循环应力水平高、上限应力大、加载频率低,疲劳试验的应力–应变全过程曲线越饱满疏松、加卸载的滞回环面积越大,声发射信息越强烈而集中、声发射率指标越高,试样的疲劳损伤速率快,每次循环产生的塑性应变量大,微观结构越破碎,试样的疲劳寿命越短。     

Constitutive model for monotonic and cyclic responses of loosely cemented sand formations

This paper presents a model to simulate the monotonic and cyclic behaviours of weakly cemented sands. An elastoplastic constitutive model within the framework of bounding surface plasticity theory is adopted to predict the mechanical behaviour of soft sandstone under monotonic and cyclic loadings. In this model, the loading surface always passes through the current stress state regardless of the type of loading. Destruction of the cementation bonds by plastic deformation in the model is considered as the primary mechanism responsible for the mechanical degradation of loosely cemented sands/weak rock. To model cyclic response, the unloading plastic and elastic moduli are formulated based on the loading/reloading plastic and elastic moduli. The proposed model was implemented in FLAC2D and evaluated against laboratory triaxial tests under monotonic and cyclic loadings, and the model results agreed well with the experimental observations. For cyclic tests, hysteresis loops are captured with reasonable accuracy.     

结构消(耗)能元件芯材SN490B本构关系数值模拟

采用消(耗)能元件的结构在遭受地震作用时,元件芯材首先屈服进入塑性阶段,利用其滞回变形消耗地震输入能量,保护主体结构,元件芯材本构关系的数值模拟是对采用消(耗)能元件结构进行抗震分析与设计的基础。为更真实地模拟结构消(耗)能元件芯材在单调和循环荷载下的本构响应,更准确地对采用消(耗)能元件结构进行结构弹塑性地震响应分析,对常用作消(耗)能元件芯材的日本高延性钢材SN490B的单调、循环加载本构及循环骨架曲线进行了数值模拟,包括:采用Esmaeily-Xiao二次流塑性模型模拟材料在单调荷载作用下弹性段、屈服段、强化段和二次流塑段4个阶段;采用混合强化模型模拟材料循环荷载作用下的本构响应,运用大型通用有限元软件ABAQUS结合数值模拟参数对16种不同循环加载制度下的循环加载试验进行模拟,并与试验结果进行对比;采用Ramberg-Osgood模型、无量纲化的Ramberg-Osgood模型及两段式模型模拟循环骨架曲线。研究结果表明:所采用数学模型可以较好地模拟SN490B钢材单调、循环加载本构响应及循环骨架曲线,数值模拟与试验结果拟合较好。     

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。     

循环荷载作用下钢材的试验及本构模型研究

为了研究钢材的超低周疲劳性能及循环荷载作用下的本构关系,对50组Q235-B和Q345-B钢材进行超低周疲劳试验。研究了Q235-B和Q345-B钢材的力学性能,如:单调加载性能、滞回性能及滞回准则。通过对钢材全过程滞回性能的研究,建立了循环荷载作用下钢材的简化单轴本构模型。基于有限元软件ABAQUS的用户子程序接口UMAT,用户可自定义钢材的单轴本构属性。通过引入纤维梁单元,可利用单轴本构模型进行结构分析。通过对比各种荷载作用下Q235-B和Q345-B钢材的试验数据,验证了本模型的正确性,利用本模型可进行钢框架的非线性时程分析。试验和数值分析结果均表明:Q235-B和Q345-B钢材在循环荷载和单调荷载作用下的性能有很大不同,钢材屈服后,循环荷载作用下的骨架曲线比单调荷载作用下更高;循环次数和振幅大小对材料韧性的影响很大。当受循环荷载作用时,钢材提前发生颈缩和断裂,这表明累积损伤降低了钢材的韧性。     

温度对盐岩疲劳特性影响的试验研究

 对不同温度下的盐岩试件进行单轴压缩试验,发现盐岩单轴抗压强度随着温度的升高明显下降,峰值应变却随着温度的升高而逐渐增大。根据不同温度下盐岩的单轴抗压强度选取合适的上、下限应力值,对各温度条件下盐岩试件进行循环荷载试验,发现：盐岩在相同应力比循环荷载作用下,疲劳寿命随着温度的升高而增加;不同温度下盐岩的疲劳损伤发展模式都包括减速损伤阶段、匀速损伤阶段和加速损伤阶段;随着温度的升高匀速疲劳损伤阶段所占的比例增加;与轴向应变曲线相比,体积应变的3个损伤阶段更加明显。最后应用弹塑性材料损伤分析公式,对盐岩的疲劳损伤进行分析,发现盐岩损伤发展模式与盐岩试件的体积应变发展模式较为接近,因此选取体积应变来描述盐岩的疲劳损伤较为合理。     

循环荷载作用下SN490B钢材本构关系试验研究

为对比结构消(耗)能元件芯材SN490B在单调和循环荷载作用下的本构关系,研究其在循环荷载作用下的力学特性,对20个SN490B钢材试件分别进行单调加载和16种加载制度下的循环加载试验,并对3种试件断口进行断口电镜扫描试验,分析SN490B钢材的单调性能、滞回性能和破坏形态,并采用Ramberg-Osgood模型拟合钢材的循环骨架曲线。试验结果表明：SN490B材料自身延性好,循环加载导致的材料累积损伤使其延性变差;循环荷载作用下,材料出现包辛格效应、循环硬化等现象,各滞回曲线均稳定饱满,具有较好的滞回性能;试件试验段伴随明显塑性变形而形成断口,断口微观为有微孔的波纹断裂表面,属延性破坏;应用Ramberg-Osgood模型拟合效果较好。SN490B钢材在循环荷载作用下的本构关系不同于单调荷载作用,采用单调荷载作用下材料的本构关系计算循环荷载作用下材料的反应不够准确。     

Influence of asperity degradation on the mechanical behavior of rough rock joints under cyclic shear loading

A cyclic shear testing system was established to investigate the mechanical behavior of rough rock joints under cyclic loading conditions. Laboratory cyclic shear tests were conducted for two joint types of Hwangdeung granite and Yeosan marble: saw-cut and split tensile joints. Prior to test, the roughness of each specimen was characterized by measuring the surface topography using a laser profilometer. Several important aspects of cyclic joint behavior, such as high peak shear strength and non-linear dilation in the first loading cycle, different frictional resistance for the reversed shear loading direction, and anisotropic shear behavior and its dependence on the normal stress level were identified from the cyclic shear test results. These features and their variations in the subsequent loading cycles are mainly due to the effect of second order asperities and strength of rock material. It was also observed from experimental results that degradation of asperities under cyclic shear loading also followed the exponential degradation laws for asperity angle and the mechanism for asperity degradation would be different depending upon the shearing direction and the type of asperities. Based on the experimental results an elasto-plastic constitutive model, which can consider the degradation of second order asperities, was proposed. Numerical simulations for the monotonic and cyclic shear loading indicated agreement with the laboratory test results.     

粉土界面恒刚度循环剪切试验研究

竖向循环荷载作用下桩土界面的作用机理是研究桩土摩擦疲劳的关键。针对循环荷载作用下桩-粉土界面的剪切性能,使用改进的剪切试验装置在恒刚度条件下进行循环剪切试验,研究循环次数、累积位移和法向刚度对其摩擦疲劳性能、循环后单调剪切性能的影响。试验结果表明,粉土在循环剪切过程中,法向应力和剪应力在初始10个循环内随循环数增加快速衰减,随着循环进行,逐渐趋于稳定;单次循环内在剪切位移方向变化时,土体呈现表现出剪缩-剪胀-剪缩交替现象,总体变形呈现剪缩的趋势;循环荷载作用下,粉土界面的法向应力和剪应力随法向刚度增大衰减速率增大,达到稳定的累积循环位移越小;粉土循环后的单调剪切、法向应力恢复的单调剪切的剪应力比小于首次单调剪切试验值,且法向应力恢复的循环后剪切试验的剪胀程度较小,表明循环剪切过程中界面处粉土颗粒棱角破碎,颗粒变得光滑。在对试验数据分析的基础上,提出了与累积位移、法向刚度和初始应力相关的无量纲累积位移,建立了法向应力和界面摩擦角随累积位移的衰减方程。     

循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究

为准确模拟结构的地震响应,寻找在循环荷载下钢材的本构关系,采用工程常用Q235B及Q345B钢材共50个试件,施加多种加载制度,分析其单调性能、滞回性能、宏观微观破坏形态、延性特征以及损伤退化特性,并采用Ramberg-Osgood模型对循环加载骨架曲线进行拟合,进而得到Q235B及Q345B钢材在循环荷载下的一维应力应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定,确定了两种等级钢材本构模型的关键材料参数,并结合通用有限元程序ABAQUS对试验结果进行有效模拟,为今后准确计算结构在地震荷载下的反应提供重要依据.结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的本构关系有很大差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;循环的圈数以及幅值会严重影响构件的断裂延性,钢材在循环荷载下的破坏应变不能按照单调荷载来确定.