常幅循环荷载作用下岩石的滞后及阻尼效应研究

通过花岗岩常幅循环加载试验,分析岩石的非线弹性滞后特性。卸载阶段,应变相位滞后于应力相位,加载阶段,应变相位可能滞后、相等或超前于应力相位。研究结果表明,加卸载中阻尼效应的差异引起变形曲线的畸形,变形-时间曲线变成一条上宽下窄的非正弦曲线,而塑性变形的累积使平均应变水平线逐渐上移,因此出现应变相位超前于应力相位的现象。基于应变相位与应力相位的关系,探讨滞回圈可能存在的形态,若应变相位始终滞后于应力相位,滞回圈呈椭圆形;若加载段中应变相位超前于应力相位,则呈新月形;若既有滞后又有相等和超前的情形,则呈长茄形。将岩石视为黏弹塑性材料,讨论动弹性模量和阻尼比的计算方法,给出两者的修正计算式。利用试验数据分析动弹性模量和阻尼比的演化规律,结果表明,动弹性模量的演化与应力水平密切相关,成线性或倒S型发展规律;而阻尼比则取决于动弹性模量以及滞回圈面积的大小,演化曲线呈U形或L形。     

描写岩石非线性弹性滞后和记忆的宏观模型

引入一种滞后非线性弹性材料的宏观模型——Preisach-Mayergoyz模型(PM模型),该模型是通过大量分散的滞后细观单元的应力对(σ0,σc)对加载与卸载的响应不是原路可逆的特性,导致在循环荷载作用下多孔饱和岩石具有滞后和离散记忆的特征,以此来描述岩石的滞后和离散记忆的。在PM模型中,岩石的应力-轴向(径向)应变曲线的形状由PM密度空间、应力历史和滞后细观单元的弹性特性所决定,岩石的弹性模量和泊松比与滞后细观单元的平衡长度对和空间密度分布都有密切的关系。通过构造PM空间中不同的密度函数和设定滞后细观单元的弹性特性(平衡长度对)可以模拟性质不同的岩石,PM空间中不同的密度函数在一定程度上反映了岩石在循环载荷下的本构关系响应的不同性质。PM模型也强调了施加于岩石的应力历史在决定岩石的弹性状态时的重要性。通过对岩石离散记忆的模拟,认为多孔饱和岩石的滞后特性是其具有离散记忆特性的原因。同时,还可以利用应力-应变状态方程来模拟实验观测到的饱和岩石的滞后现象。     

岩石非线性细观响应中温度对岩石力学性能的影响

对饱和岩石随温度变化情况进行实验研究,其结果显示：饱和岩石随温度升高,模量、波速减小;随温度继续升高,模量、波速又随温度升高而增大。这一规律是热激活弛豫波动理论模型的佐证。将这一温度效应引入隐含内力的细观PM（Preisach-Mayergoyz）模型中,则模型中的模量Ki变为与温度相关的函数Ki（T）。温度T的变化同样会引起PM空间中滞回细观单元（HMU）特征长度和PM空间HMU密度分布的变化,从而引起宏观模量的变化,为此建立温度对PM空间非经典单元（NCU）密度影响的函数关系。在此基础上进行温度效应的细观研究,且对循环加载滞回圈的温度效应进行模拟,取得滞回圈随温度升高向应变增大方向移动,滞回圈模量降低,随温度继续升高,滞回圈又随温度升高朝低应变方向移动,模量增大。这一细观模拟结果与国内外相关实验结果是一致的。     

岩石的非线性弹性滞后特征

由岩石缺陷（裂隙、微结构和颗粒接触面等）引起的在应力-应变关系测量中偏离胡克定律的非线性弹性滞后行为,是普遍存在的;应力与轴向应变或径向应变之间存在着滞后,轴向应变与横向应变之间也存在滞后。通过实验得知,在加卸载阶段弹性模量随应变变化趋势各不相同,导致瞬时弹性模量与应变成不对称蝴蝶结形;以3种不间黏滞系数的孔隙液体饱和的合肥砂岩、自贡长石砂岩和大理大理岩,分剐进行不同频率的循环加载实验,获得随孔隙流体黏滞系数增大,蝴蝶结形张角增大,滞后增强,随频率增高,弹性模置增大。提出以蝴蝶结形张角的大小来定量度量滞后的程度,并将蝴蝶结张角与度萤衰减的耗散角进行了对比研究。蝴蝶结张角和耗散角的值均随饱和流体黏滞系数的增大而增大,滞后增强,滞回圈面积增大,衰减增大;随正弦波频率提高,蝴蝶结张角、耗散角增大,弹性模量增大,弹性模量的频散增强。在同一岩石中蝴蝶结张角和耗散角随孔隙液体黏滞系数和加载频率的变化规律与以往其他实验的结果是一致的。蝴蝶结张角与耗散角在衡量滞后方面具有同等价值,但二者的数值并不相等,对二者在滞后的物理机制和滞后定义方面的意义进行讨论。     

循环荷载下岩石阻尼参数测试的试验研究

 对岩石阻尼参数测试进行理论分析,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对细砂岩和粉砂质泥岩进行单轴压缩循环荷载下的试验研究。试验加载波形为正弦波,频率3 Hz,加卸载振动循环30次,动应力范围1.0～6.5 MPa(即2～12 kN)。利用循环加卸载试验方法对岩石阻尼参数进行测试,得到岩石密度与加卸载循环塑性变形、滞回环面积、阻尼比、阻尼系数等的变化特征。在相同测试条件下,岩石密度越大,循环加卸载得到滞回环间的塑性变形则越小,相互滞回环间距为紧密型;反之则塑性变形大,滞回环间距为稀疏型;岩石密度越大,滞回环面积则越小,岩石发生的能量耗散则越小,反之则滞回环面积大,能量耗散也大;阻尼比随密度增加而减小,阻尼系数则大致增加,故可通过岩石密度初步定性判断其阻尼参数特征。     

岩石类材料试验系统的一些力学特性

本文从系统稳定理论的观点出发,推导出了Ｈｕｄｓｏｎ提出的试验发生条件;推广传统的塑性公设,提出了临界加载率准则,并将推广的塑性公设,应用到低周循环加载试验中,建立了循环加载试验破坏准则;从能量的观点出发,推导出岩石发生稳定破坏后区仍有局部失稳破坏发生的条件;文中提出的一些观点得到试验的论证。     

分级加载下岩石蠕变特性研究

根据统一蠕变模型和该模型导出的蠕变方程,研究了分级加载条件下的岩石蠕变特性,并且通过曲线拟合得出了相应的蠕变参数。     

岩石非线性细观响应中温度 对岩石力学性能的影响

 对饱和岩石随温度变化情况进行实验研究,其结果显示：饱和岩石随温度升高,模量、波速减小;随温度继续升高,模量、波速又随温度升高而增大。这一规律是热激活弛豫波动理论模型的佐证。将这一温度效应引入隐含内力的细观PM(Preisach-Mayergoyz)模型中,则模型中的模量Ki变为与温度相关的函数Ki(T)。温度T的变化同样会引起PM空间中滞回细观单元(HMU)特征长度和PM空间HMU密度分布的变化,从而引起宏观模量的变化,为此建立温度对PM空间非经典单元(NCU)密度影响的函数关系。在此基础上进行温度效应的细观研究,且对循环加载滞回圈的温度效应进行模拟,取得滞回圈随温度升高向应变增大方向移动,滞回圈模量降低,随温度继续升高,滞回圈又随温度升高朝低应变方向移动,模量增大。这一细观模拟结果与国内外相关实验结果是一致的。     

循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨

 对取自一拟建核电站地基的细砂岩,在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行低周循环荷载试验,研究循环荷载下细砂岩的纵横向变形特征,探讨循环荷载周次及动应力幅值对细砂岩动弹性模量、动泊松比、阻尼比和阻尼系数的影响,及与其相互关系。结果表明,相同应力下纵向应变高于横向应变;低幅值应力下,随循环荷载周次增加,纵向应变增量高于横向应变增量,但高幅值应力下则相反;横向应变滞回环的卸载阶段应力–应变曲线与纵向应变滞回环的加载段和卸载段均表现出向下突出的变化特征,但横向应变滞回环的加载段则相反;随动应力幅值增加,细砂岩动弹性模量和动泊松比分别呈抛物线递增和线性递增,阻尼比和阻尼系数均按幂函数律递减,由第16周次动应力滞回环得到的阻尼参数可表征测试岩石的阻尼特征;阻尼比和阻尼系数均随循环荷载周次增加线性递增,对应低幅值动应力下的增量大于高幅值动应力下的增量。     

岩石微观颗粒接触特性的试验研究

 微观上,岩石是由许多大小不等的颗粒和粒间填充的胶结物构成,不同位置的胶结厚度不同。岩石的这种微观结构特征从根本上决定其宏观力学响应,从微观尺度出发采用离散元数值模拟有利于探索岩石宏观力学特性的微观机制。基于这一思路,通过室内铝棒胶结模型试验,研究不同胶结厚度下胶结颗粒在压剪扭加载作用下的接触力学特性,发现胶结铝棒在不同胶结物质、不同胶结厚度下的力学响应均呈现出一定的相似性。将蒋明镜提出的岩石微观胶结模型与D. O. Potyondy和P. A. Cundall提出的岩石微观接触力学模型进行对比分析发现,蒋明镜模型提出的破坏准则与岩石的实际较为符合,进一步为离散元模拟岩石奠定基础。     

结构材料滞回模型的精确性比较研究

纤维模型是结构非线性分析中模拟精度较高的一种有限元模型,由于采用材料单轴本构关系模拟结构单元的非线性特性,材料滞回模型的选用将直接影响其非线性反应计算的精确性。选取纤维模型中典型的6种混凝土和3种钢筋滞回模型,用不同的材料滞回模型组合模拟了24组柱子的拟静力反应,并将其与试验结果进行比较,采用峰值强度、初始刚度和能量耗散能力等三个指标统计评估了不同滞回模型组合的精确性。分析表明,采用基于Kent-Park-Yassin混凝土滞回模型和基于Giuffre-Menegotto-Pinto钢筋滞回模型组合的数值模拟结果的统计值与试验结果之间的差值最小,建议在结构非线性分析中首选此种模型组合。     

索穹顶结构非线性风振响应分析

本文针对索穹顶结构的特点,建立了索穹顶结构动力有限元模型,并对其在脉动风荷载作用下的动力特性进行了时程响应分析.算例分析表明,索穹顶结构在风荷载作用下的动力特性分析是十分必要的,它将为索穹顶结构的设计和施工提供可靠的理论依据.     

结构减震控制体系的研究、应用与发展

本文分析了国内外纲结构和各种结构抗震技术的演变与发展,及现状水平和存在问题,提出了一种更为合理、安全、有效、经济、崭新的、且能适用于不同地震烈度区的抗震结构体系——结构减震控制体系;介绍了作者对这种新体系的部分研究成果和主要内容、形式及其特性,阐述了结构减震控制体系的设计、工程应用、计算理论和试验成果,并探讨了抗震结构今后的发展方向。     

岩石的非线性弹塑性响应

采用MTS进行单轴循环试验，由试验结果获得了载荷低于屈服点的应力－应变滞回曲线和杨氏模量，泊松比，衰减，弹性波速度等的弹性响应和载荷超过屈服点的粘塑性响应。     

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。     

基于应变局部化的岩样单轴压缩本构模型研究

应变局部化是加载过程岩样内部变形自组织的结果。基于岩样变形局部化的客观存在性,提出以变形局部化带的力学行为描述加载过程,并用参数方程表示岩样单轴压缩本构关系的方法。根据能量守恒原理,建立变形局部化过程的准静态增量平衡方程,推导峰值前后应力–应变曲线的参数方程、变形局部化与峰值应力及应变关系、II类岩石变形行为存在条件以及岩石失稳破坏判据。根据系统失稳临界条件,导出系统应力跌落量的表达式。研究结果表明,若应变局部化带的本构关系软化段曲线存在拐点,则系统发生应力跌落现象,否则发生脆性破坏。基于模型理论,证明II类岩石的破坏是不稳定的或是自持续的,以及常应变率下伺服式加载系统不能得到II类岩石软化段曲线的试验事实。通过对模型中力学参数的对比研究表明,岩石变形破坏不但在软化段具有尺寸效应和II类变形行为,而且硬化段也存在尺寸效应,表现出峰值对应的应变随着试件的增长而变小的规律。     

岩爆的分形特征和机理

本文应用分形几何和损伤力学研究了岩爆诱发的微地震。使用分形的数目—半径关系考察了已报导的微地震事件的位置分布,发现它具有集聚(cluster)分形结构。当接近一个主岩爆时,微地震事件的集聚程度明显增加,并相应地出现分形维数值的减小。最低的分形维数值通常出现在一个主岩爆临近产生之时。这样,分形维数的变化就有可能用来进行岩爆的预测预报。这种变化与地震学中强震发生前的降维现象(b值减小)是完全一致的,我们使用损伤力学和分形概念从理论上分析了岩爆的分形和物理机理。研究表明:一个强的破坏(岩爆或地震)实际上等效于岩体内破裂的一个分形集聚。这个破裂的分形集聚所需能量耗散E随分形维数D的减小而按指数律增加:D=C_1exp[—C_2E]这样,岩爆和地震的分形自然在理论上得到很好的解释,并由此人们能更好地去理解岩爆和地震的发生和发展。     

ON USING DEM FOR SIMULATING RESPONSE OF JOINTED ROCK TO UNDERGROUND EXPLOSION

To verify the capability of DEM in modeling the dynamic response of rock masses to blasting loads, two underground explosion tests are numerically Investigated, Results show that rock joints can significantly affect the transmission and the attenuation of shock waves, and can therefore influence the stability of the adjacent underground structures. Rock joints act as a kind of filters through which only low-frequency components of the shock waves are allowed to pass, and the high-frequency components of the shock waves do no harm to far-field tunneis if a predominant joint set exists in between. The spacing of joint set can also remarkably affect the propagation process, It Indicates that as a discontinuum-based numerical approach,DEM is good at simulating the propagation and attenuation of blasting wave in jointed rock masses, and in modeling the stability of underground structures subjected to blasting loads.     

地下爆炸作用下节理岩体力学响应的离散元法模拟

To verify the capability of DEM in modeling the dynamic response of rock masses to blasting loads, two underground explosion tests are numerically investigated. Results show that rock joints can significantly affect the transmission and the attenuation of shock waves, and can therefore influence the stability of the adjacent underground structures. Rock joints act as a kind of filters through which only low-frequency components of the shock waves are allowed to pass, and the high-frequency components of the shock waves do no harm to far-field tunnels if a predominant joint set exists in between. The spacing of joint set can also remarkably affect the propagation process. It indicates that as a discontinuum-based numerical approach, DEM is good at simulating the propagation and attenuation of blasting wave in jointed rock masses, and in modeling the stability of underground structures subjected to blasting loads.