应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

圆柱形类断续节理试样制备及单轴抗压强度

为研究节理间距、排距、倾角对断续节理试样单轴抗压强度和破坏模式的影响规律,研发了圆柱形类断续节理试样制备技术,并预制了45组不同排距、间距及倾角的类断续节理岩体试样。研究结果表明:在节理排距和倾角一定的情况下,类断续节理岩体单轴抗压强度随间距的增大而增大;断续节理排距为3 cm时,类断续节理岩体单轴抗压强度整体上随节理倾角增大而增大;断续节理排距为9 cm时,类断续节理试样单轴抗压强度与节理倾角呈现出"V"字形特征;断续节理排距为6 cm时,类断续节理岩体单轴抗压强度随节理倾角的变化规律不甚一致,表现出过渡特征;将类断续节理岩体破坏模式划分为类轴向劈裂破坏、既有断续节理端部翼裂纹扩展贯通破坏、既有节理端部产生新生裂纹与沿预制节理张开复合破坏和沿既有断续节理面的剪切滑动破坏四种类型。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

含断续节理岩体强度的各向异性研究

根据断续节理岩体结构的力学效应和压剪断裂破坏特征，用Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ经验准则预测含断续节理岩体的强度，建立强度参数ｍ，ｓ值与断续节理的几何尺寸、结构形式以及岩桥和节理面物理力学参数之间的定量关系，阐明含断续节理岩体强度的各向异性特征，提出合理确定断续节理岩体强度参数ｍ，ｓ的定量分析法。     

三峡右岸地下电站窑洞口围岩稳定性三维断裂损伤分析

三峡地下电站厂房窑洞口围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,对主厂房与窑洞口相接处围岩的稳定情况,应用三维国国节理裂隙岩体的本构关系、损伤演比方程来评价此类岩体稳定性和变形行为。结果表明所建模型是有效的。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

三峡右岸地下电站窑洞口围岩稳定性三维断裂损伤分挝

三峡地下电站厂房窑洞口围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,对主厂房与窑洞口相接处围岩的稳定情况,应用三维加锚节理裂隙岩体的本构关系、损伤演化方程来评价此类岩体稳定性和变形行为.结果表明所建模型是有效的.     

断续节理岩体声学力学特性试验研究

断续节理对岩体强度的影响及其评价方法一直是岩体力学领域研究的热点和难点。采用石膏制作含有不同节理倾角、密度及连通率组合的断续节理岩体试样,共计45组,每组试样先后开展超声波波速测试和单轴压缩试验,分析试样力学参数和声学参数间的关联特性,探索节理分布特征对岩体破坏模式及单轴抗压强度的影响,最终提出断续节理岩体单轴抗压强度的取值方法。结果表明,纵波波速与节理连通率呈正相关,随节理倾角增大近似"V"型先减后增;单轴抗压强度和弹性模量随节理连通率的增大而增大;单轴抗压强度随节理倾角的增大近似"U"型先减后增;总结提出了断续节理岩体的4种破坏模式,并认为节理与加载方向成45°夹角时最易破坏;最终提出了基于岩体及岩石纵波波速、岩石内摩擦角、节理倾角的岩体单轴抗压强度与岩石单轴抗压强度之间的拟合关系。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明:①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力–应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用

应用断裂力学和损伤力学的理论,研究断续节理岩体开挖卸荷过程中渐近破坏的力学机制,从压剪和拉剪两种应力状态出发,建立了复杂应力状态下断续节理岩全的损伤演化方程,并将其应用于某矿山开采过程围岩破坏特征分析中,结果表明理论计算与工程实践较为吻合。该方法为定量分析地下工程围岩破坏过程提供了理论依据。     

岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究

 岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。     

由刚度衰减规律预测混凝土梁疲劳寿命的试验研究

通过混凝土梁的低周疲劳破坏试验,引入动态模量和损伤变量的概念,研究了混凝土梁由于疲劳累积损伤而造成的刚度衰减规律。建立了疲劳寿命与动态模量之间关系的数学模型,提出了通过较少循环的试验结果来预测混凝土梁疲劳寿命的方法。该方法也可以用于受交变荷载作用的已建混凝土结构在使用荷载发生变异情况下的可靠性评估。     

循环荷载作用下岩石损伤变形与能量特征分析

针对不同围压作用下的岩石损伤变形与能量特征,开展了循环加卸载试验研究。基于原有损伤变量原理,进行修正,探讨了岩石在不同的偏应力量级下,每次循环的耗散能、损伤变量、塑性变形等与循环次数、应力之间的相互关系;进而,得到了岩石损伤破坏过程中能量的转化规律,从能量损耗的角度定量分析了岩石疲劳破坏的门槛值。试验研究结果表明：①应力水平越高、损伤变量与塑性变形越大,一次循环的能耗值越大,滞回圈的面积也就越大;②在门槛值前后,耗散能、损伤变量与塑性应变随着循环次数的增加变化趋势明显不同,并且在破坏前也呈疏00097;密00097;疏的发展过程;③不同的围压下,岩石疲劳破坏时所处的损伤状态不同,但破坏前循环一次的能耗值与损伤变量近似成线性关系,进而基于循环能耗值与损伤变量建立了能量破坏方程。     

钢结构吊车梁疲劳动态可靠度研究

本文视吊车荷载与疲劳强度为随机过程 ,建立了基于极限应力模式的钢结构吊车梁疲劳动态可靠度分析模型 ,提出了对吊车荷载效应与构件疲劳强度进行统计分析的方法。并结合某工程现场实测荷载数据与模型疲劳试验 ,对某工业厂房吊车梁圆弧端进行了疲劳可靠度评估 ,结果表明本文建立的疲劳动态可靠度分析模型能很好对吊车梁圆弧端的破坏情况进行概率解释。     

基于基频法的预应力混凝土箱梁疲劳刚度退化试验

开展了基于基频法的预应力混凝土箱梁桥模型疲劳试验; 详细介绍了基于基频法的疲劳多级变幅试验加载过程及疲劳加载方案和采集方案; 梳理了动刚度和静刚度的基本原理、基于基频的动刚度计算方法和基于挠度的静刚度计算方法; 对预应力混凝土箱梁的疲劳动刚度和静刚度退化规律进行了研究。结果表明:箱梁构件疲劳裂缝分布、裂缝走向和破坏敏感位置与矩形梁不同,模型梁均首先在腹板产生斜裂缝,腹板斜裂缝主要分布在从支座到1/4跨范围内,不断向顶板和底板斜向延伸; 预应力混凝土箱梁疲劳动刚度和静刚度二者退化规律相同,均呈现为先快速、后平稳的2阶段变化规律; 在疲劳初期,动刚度和静刚度退化率均在40%以上; 疲劳荷载上限值是桥梁结构疲劳刚度退化的一个重要影响因素,疲劳荷载上限值越大,动刚度和静刚度退化幅值就越大,且疲劳剩余刚度越小; 因为二者计算原理不同,所以计算的动静刚度数值也不同,但二者刚度退化规律相同,可相互对比、补充、验证,共同来探究预应力混凝土箱梁疲劳刚度的退化规律。     

焊接空间网架结构全寿命期风致疲劳分析

针对焊接空间网架结构在服役期内,随使用年限增加而导致结构刚度逐渐降低,加剧结构风致疲劳损伤,提出对结构进行全寿命期风致疲劳分析,以研究结构整个服役期风致抗疲劳性能,保证结构使用安全。通过分析焊接节点与杆件之间连接刚度随裂缝损伤变化的关系,建立网架结构连接刚度可变模型;通过高周疲劳试验,获得节点与杆件之间焊材的应力-寿命(S-N)曲线及疲劳参数;对结构进行风致响应分析,得到结构杆件连接处的应力时程,利用雨流计数法对应力时程进行循环计数,采用Basquin模型的疲劳寿命估算公式和Miner线性累加损伤理论,得到杆件连接处的累积疲劳损伤值和疲劳寿命。以武汉体育中心游泳馆屋顶网架结构为背景,分析了该结构在无焊接缺陷、有10%的焊接缺陷随机分布和最不利分布三种工况下的100年使用期内,随服役期增加、结构刚度不断降低时的所有杆件疲劳损伤程度。结果表明：网架结构在服役早期,杆件连接处就出现了疲劳损伤和连接刚度降低,随使用年限增加,结构连接刚度进一步降低,疲劳损伤程度也不断加剧,发生连接疲劳破坏的杆件数量大幅增加;特别是有焊接初始缺陷时,结构刚度降低更快,发生连接疲劳破坏的杆件数量更多;即使在良态风环境下,也有杆件连接处发生了疲劳破坏。     

钢筋混凝土梁疲劳弯曲损伤指标的计算方法

目前,国内外主要使用试验的方式研究钢筋混凝土梁疲劳弯曲性能。基于混凝土割线模量损伤与其塑性应变的线性关系,采用混凝土的塑性应变构造了损伤变量,并以此为依据推导了能够用于钢筋混凝土梁的弯曲疲劳全过程分析的损伤指标计算公式。通过与试验结果的比较,证明了该计算方法的适用性和可靠性。     

水泥土疲劳损伤特性的超声波速试验研究

对在单轴动荷载作用下水泥土超声波波速的变化规律进行试验研究,试验过程中发现穿透水泥土试件自由面的波速随着荷载作用次数的增加发生了明显的衰减。基于超声波速定义的水泥土损伤变量,并建立了水泥土疲劳累积损伤的演化方程。该方程表明水泥土的疲劳损伤在动荷载作用下发生了明显的3阶段变化,即波速的初始迅速衰减、稳定衰减与临近破坏的急速衰减3个阶段。最后提出在实际工程中运用超声波无损检测法是评价水泥土疲劳损伤与结构耐久性的一般方法。     

玄武岩纤维再生混凝土冻融后的弯曲疲劳特性

基于中国北方地区气候特点及混凝土路面的受力特征,研究冻融损伤对玄武岩纤维再生混凝土(BFRC)弯曲疲劳特性的影响。首先对BFRC采用快冻法进行冻融循环试验,研究BFRC的冻融损伤形貌、质量、相对动弹性模量和相对抗折强度的变化; 然后针对经历不同冻融循环次数后BFRC的弯曲疲劳特性进行了试验研究,分析了冻融循环次数与应力水平对BFRC疲劳寿命的影响规律; 最后基于两参数Weibull分布理论对BFRC的疲劳寿命进行分析,预测了不同失效概率下的疲劳寿命并建立了失效概率为0.05和0.5下的双对数疲劳方程。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件表面损伤程度和质量损失率逐渐增大,相对动弹性模量和相对抗折强度逐渐下降,当冻融循环达到225次时,BFRC的相对动弹性模量和相对抗折强度与冻融循环前相比分别下降了12.4%和35.1%; 随着冻融循环次数和应力水平的增加,弯曲疲劳寿命逐渐减小; BFRC经冻融循环后的弯曲疲劳寿命服从两参数Weibull分布,失效概率为0.5的预测疲劳寿命与试验所得平均疲劳寿命十分接近; 建立的双对数疲劳方程能较好地反映冻融后BFRC应力水平S与疲劳寿命N之间的关系,研究成果为BFRC在路面结构中的安全应用提供可靠依据。     

高速铁路隧道基底软岩动力累积损伤特性

利用相似材料模拟高速铁路隧道基底软岩,采用荷载控制和非对称正弦波循环加载方式对软岩试件进行动三轴疲劳与损伤检测综合试验。通过试验结果分析,建立了软岩3参数多项式疲劳寿命计算模型和4参数多项式累积损伤参量计算模型,获得了软岩疲劳损伤特性,即:软岩疲劳破坏表现为端部拉-剪复合破坏和中部压-剪复合破坏两种模式;疲劳破坏全过程表现为初始微孔隙压密、裂纹发生与稳定扩展以及损伤裂纹加速发展3个发展阶段;软岩疲劳寿命主要取决于本身强度和动应力水平,强度愈高、动力应力水平愈低,其疲劳寿命就越长;当动应力水平相同时,软岩疲劳寿命与其弹性模量呈线性增长关系。