加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

裂隙性黄土在减压三轴压缩下的变形破坏特征

为了研究黄土地区各种开挖工程所引起的土体变形乃至破坏现象,通过对裂隙性黄土样进行减压三轴压缩试验,得到其应力应变关系曲线,总结了裂隙性黄土的变形破坏特征。试验结果表明:减压三轴压缩试验下,裂隙性黄土的应力应变曲线以近似理想塑性或软弱化型为主,随着轴向压力的增大,其软化现象越明显;其总体变形方式为轴向变形和侧向弯曲变形;当土样裂隙角度为45°,60°时,容易沿原裂隙发生剪切破坏。     

大理岩卸荷变形特征及力学参数研究

岩体在开挖工程中卸荷,岩石轴向应力增加径向应力减小,可采用升轴压卸围压三轴试验模拟开挖过程。使用电液压伺服可控制刚性试验机,对取自某水电站的标准岩样进行常规三轴和升轴压卸围压三轴试验,根据两种试验方法下获得的应力、应变等试验数据分析得出了如下结论:(1)大理岩变形模量损伤因子M和初始围压σ3、泊松比损伤因子N和初始围压σ3均呈二次非线性关系。(2)侧向变形速度明显加快,宏观上表现出扩容,有较强的张性破坏特征,在围压相等的条件下卸荷,张性裂隙沿着两个方向发展,直至破坏。更多还原     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

锦屏大理岩卸荷流变变形特性试验

结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用TLW-2000岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩试样进行了分级卸围压流变试验。详细分析了恒轴压分级卸围压应力路径下岩石试样的轴向及侧向应变随时间的变化规律,并探讨了卸荷流变过程中岩样的应力应变关系以及流变过程中对岩样不可恢复变形的变化规律。分析认为卸围压不仅影响岩样的瞬时变形而且对流变变形也有很大影响;与卸荷瞬时相比,流变过程中侧向不可恢复变形相对于轴向发展更快;岩样破坏前在侧向的反应要比轴向更为剧烈和明显。通过试验研究掌握了大理岩卸荷流变的基本规律,从而为进一步理论模型的研究提供了可靠的试验数据。     

坝基软岩流变试验研究及其长期稳定性分析

为了解亭子口水利枢纽坝基泥质粉砂岩流变规律,采用RLW-2000三轴流变仪对泥质粉砂岩进行三轴压缩流变试验。试验结果表明:较低应力水平下,泥质粉砂岩轴向流变较侧向更为显著,随着应力水平升高,侧向流变发展迅速,试样破坏前侧向流变增幅为轴向的2倍左右。基于试验结果,得到流变速率与应力水平及围压的关系,分析流变破坏模式,掌握了泥质粉砂岩三轴流变基本力学特性。利用文献[6]中的非线性损伤流变模型进行流变力学参数辨识,并利用获得的流变力学参数模拟亭子口水利枢纽坝基蓄水后长期运营条件下的流变力学特性。     

华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究

为了研究华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律, 采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验。结果表明:华山花岗岩表现出明显的脆性特征, 在三轴条件下应力应变曲线的上凹现象相比于单轴变得不明显; 随着围压的增加, 花岗岩的弹性模量和峰值应变不断增大, 但增加的速度逐渐变慢; 花岗岩的扩容阈值与围压近似呈线性关系; 单轴压缩条件下, 岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能, 劈裂破坏特征明显, 而三轴压缩下, 岩样的耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大, 表现为整体剪切破坏; 三轴压缩下的吸收能、弹性应变能以及耗散能都远大于单轴压缩下的对应值, 并且随着围压的增大而增大; 岩石破坏时的吸收能、耗散能以及储能极限均与围压存在良好的线性关系。     

用改进Najar能量法分析混凝土单轴受压损伤特性

Najar能量法定义了损伤耗散能和无损应变能,并通过两者的比值确定了混凝土单轴受压情况下的损伤变量。该方法原理清晰,但不能在宏观上很好地描述混凝土单轴受压破坏的实际过程。针对此问题改进了Najar能量法,将混凝土受压过程中的弹性变形和塑性变形剥离开来,定义了一个新的损伤变量。为了对比分析改进前后的方法,进行了不同加载速率下的混凝土单轴压缩试验,并对试验数据加以拟合。以拟合后的试验数据为基础,分别利用改进前后的两种方法计算了混凝土受压过程中损伤变量,得到了改进前后损伤变量随应变变化的关系曲线。对比分析发现,改进后的Najar能量法在计算上更为简便,而且在宏观上更符合混凝土单轴受压的一般破坏规律。同时,这一关系曲线也反映了混凝土材料的应变率效应。     

深埋大理岩三轴加卸荷过程能量演化特征

为研究深埋大理岩加卸荷全过程的变形破坏特征,利用MTS岩石力学试验系统对锦屏深埋大理岩试样开展25、50、80 MPa 3种不同初始围压和0.01、0.1、1.0 MPa/s 3种不同卸荷速率的三轴加卸荷试验,引入能量转化参数以更好地表征峰前及峰后能量转化特征,并据此构建基于耗散能的损伤模型,深入探索大理岩加卸载破坏全过程的损伤演化状态。结果表明：大理岩在卸荷段前主要以弹性能的累积为主,卸荷开始后耗散能占主导地位。峰前卸荷过程中U_d耗散速率>U₃消散速率>U_e储存速率,与常规三轴加载相比,大理岩在峰前卸荷段的应变能转化速率大得多。峰后应力跌落段各应变能转化速率明显较峰前卸荷段大,表明峰后大理岩环向扩容加剧,弹性能在峰后快速释放。随着初始围压、卸荷速率的增大,大理岩由张拉-剪切破坏转变为以剪切破坏为主,峰后耗散能的耗散速率越快,则大理岩剪切破裂性质愈明显、脆性破坏越强、破坏程度越小。高围压可能会抑制岩石的损伤累积扩展,而高卸荷速率下大理岩试样内部裂纹扩展不充分导致其发生破裂时损伤曲线急剧上升。     

三轴压缩下石英云母片岩能量特征及其本构模型研究

为了研究某水电站引水隧洞石英云母片岩物理特性,利用MTS815岩石力学试验平台,分析其三轴压缩试验数据,揭示了石英云母片岩常规三轴压缩条件下能量特征并引入了能量损伤D,基于Hooker定理建立了石英云母片岩的能量损伤本构模型。研究结果表明:相同围压下,平行组试件的可释放弹性应变能增长速率大于垂直组,平行组试件峰值应变能大于垂直组;垂直组试件的耗散能增长速率大于平行组。相同围压和轴向应变下,垂直组的耗散能大于平行组。随着围压的增大,平行组和垂直组峰值点和残余点可释放应变能均增大,两者表现出较好的线性关系且相关系数均大于98%。定义弹性应变能存储比,数值在未超过阀值应力σs时,保持在1左右,而在超过阀值应力σs后,与轴向应变呈现良好的指数关系且相关系数均达到97%。该模型能很好的描述石英云母片岩三轴压缩的应变软化和硬化过程。研究成果能够为工程设计提供合理的力学参数,并且对于各向异性岩石的物理特性研究具有参考价值。     

倾斜荷载作用下吸力桶承载性能分析

以砂土地基中吸力桶为分析对象,建立能够考虑主应力方向旋转的本构模型,通过数值分析方法进行积分,在不同荷载倾斜角度条件下研究等效塑性应变分布及土体主应力方向的旋转变化,分析倾斜荷载对吸力桶承载性能的影响。研究结果表明:等效塑性应变主要在桶壁外围和桶端下部等区域集中分布,桶体内部土体处于弹性变形状态;荷载倾斜角度对竖向荷载-位移关系的影响比较微弱,对水平荷载-位移关系的影响则比较显著;土体主应力方向在变形初期的旋转非常显著,随着倾斜角度的增加,主应力方向的旋转逐渐显著;当竖向位移在(0.05～0.10)D范围时,主应力方向达到稳定状态,不再旋转。     

基于Najar能量法的混凝土动态双轴受压损伤特性分析

利用动静力三轴试验机进行不同加载速率、不同侧向压力下混凝土的抗压试验,基于改进的Najar能量法,提出一种新的损伤变量计算方法,以此分析侧向压力和加载速率对混凝土双轴受压状态下损伤演化的影响。研究结果表明:①峰值应力随加载速率的增大而增大;相同加载速率下,峰值应力随侧压力增大而增大,混凝土达到峰值应力后承载力下降趋势不受侧压影响;②混凝土双轴受压状态下损伤演化可分为线弹性阶段、损伤加速变化阶段和损伤收敛阶段;③加载速率越大,损伤加速发展阶段损伤变量的增长越迅速且该阶段对应的应变范围越小;④侧向压力对混凝土损伤演化有明显影响,混凝土损伤的发展随着侧应力的增大而出现滞后现象。     

不同侧应力状态下混凝土循环加卸载损伤特性

采用大型多功能液压伺服静动力三轴仪对不同单向恒定侧压下的混凝土进行应变速率为10-4s-1的等应变增量循环加卸载试验,恒定侧压为单轴静态抗压强度的0%,5%,10%。研究了不同侧应力水平下应力-应变全曲线中滞回环的变化规律,分析滞回环与耗散能的关系,并构建损伤估计模型,最后基于耗散能统计,研究混凝土的损伤特性。得出主要结论如下:(1)全曲线中滞回环在卸载初始阶段应力下降较快而变形恢复很慢,但随着应力的逐渐下降,应变恢复才开始加快;(2)在循环次数相同时,耗散能随着侧应力的增加而增加,且增加幅度明显,表明单位耗散能具有明显的侧应力敏感性;(3)建立的双参数损伤估计模型,能够很好地拟合循环加卸载损伤与累积残余应变的关系;(4)随着侧压比的提高,混凝土损伤发展速度逐渐减慢,损伤累积的路径大幅延长。     

循环加卸载下黄砂岩力学特性和能量演化规律

基于三轴压缩循环加卸载试验结果,对黄砂岩峰值强度、变形特征、弹性模量、能量转化和阻尼比变化规律开展了试验研究。结果表明:随着围压的增大,黄砂岩峰值强度满足线性增长的关系;而循环荷载对黄砂岩峰值强度影响较小。通过弹塑性应变分离,发现弹塑性应变量和弹塑性应变占比在岩石破坏的循环次数里存在陡变情况;在0~20 MPa围压下,黄砂岩加卸载弹性模量随围压增大而增大,当围压>20 MPa时,围压对黄砂岩加卸载弹性模量的影响变小。利用有限差分的方法计算了黄砂岩应变能、耗散能和阻尼比,得出耗散能随着循环次数增加先增加后减小,而阻尼比随循环次数增加先减小后增大,然后不断减小,最后趋于定值。研究成果可为黄砂岩工程应用提供一定的理论依据。     

单轴压缩盐岩声发射特征及损伤演化探讨

为了探究盐岩压缩变形破坏过程中,声发射现象与内部损伤的相关关系,利用四川大学MTS815岩石力学试验系统,对云南安宁盐岩进行单轴压缩试验,分析了盐岩声发射特征。依据损伤理论,得到了基于声发射参数的盐岩的损伤演化模型,并引入修正系数对其进行理论修正,分析损伤终值对损伤本构模型的影响。研究结果表明:盐岩的声发射(acoustic emission,简称AE)振铃计数率和能量率在弹性极限附近达到最大值,之后呈现高频低幅值的声发射现象;基于声发射的盐岩损伤变量值在压缩变形前期增加较快;基于AE累计振铃计数得到的损伤值<基于AE累计能量计算得到的盐岩损伤值;修正后的声发射损伤理论模型曲线与试验曲线全过程吻合较好,能够较好地反映盐岩内部损伤演化过程;振铃计数参数模型比能量参数模型能更好地模拟盐岩的损伤演化特征。     

轴向循环加载卸载条件下饱和软土变形特性试验研究

研究循环加卸载条件下软黏土的强度和变形特性具有一定的工程实践价值。利用自行改进和研制的连续加载一维K_0固结仪对饱和软土进行轴向循环加卸载试验。结果表明:各级卸载应力-应变曲线是双曲线,再加载曲线应力-应变关系在上级卸载载荷之前为双曲线,超过卸载载荷为直线,呈现不断硬化的现象,试样产生塑性变形和弹性变形,且塑性变形和弹性变形分别与卸载等级呈线性关系;以原有双曲线本构关系为基础,利用各级加载轴向最大应力和初始切线模量,卸载曲线的轴向最大应变和初始割线模量,引入新的模型参数,从而建立轴向循环加卸载的本构方程,并验证了其可靠性。对各级塑性滞回能进行了计算,随着卸载应力水平的增大,塑性滞回能不断增大,且通过拟合加卸载过程中消耗的塑性滞回能与卸载应力水平呈良好的二次曲线关系。     

变幅循环加卸载下硫酸盐侵蚀混凝土力学与变形性能

变幅循环加卸载下的力学及变形性能对硫酸盐服役地区混凝土结构至关重要。将混凝土试件提前浸泡于10%、15%、20%硫酸钠溶液5、7个月形成化学侵蚀损伤,再开展单轴压缩变幅循环加卸载试验,分析该过程中试件力学性能、变形性能以及耗散能演化规律。结果表明随着硫酸钠浓度和侵蚀时间增加,试件强度降低、破坏时完成的变幅循环次数减少。累积残余应变随着加载应变增大呈上升趋势,变化速率不断提高;加载应变差始终大于累积残余应变差,随着循环次数增加逐步接近;动弹性模量和塑性变形率随着循环次数增加整体呈提高趋势;耗散能随着循环次数增加而增大,尤其是在后期耗散能变化速率增快。