岩石疲劳损伤扩展规律CT细观分析初探

利用笔者研制的CT(ComputerizedTomography)机专用三轴加载试验设备 ,进行了实时的岩石疲劳损伤演化CT细观试验。从细观尺度证实了岩石疲劳破坏存在门槛值 ,研究了循环荷载最大应力值的变化对岩石疲劳破坏的影响机理 ,得到了岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。     

循环加卸载下节理砂岩宏细观损伤破坏机制研究

为研究节理岩体疲劳荷载条件下累积损伤宏细观力学特征及破坏机制，开展节理砂岩不同上限应力比循环加卸载试验。试验结果表明：(1)随上限应力比增加，节理砂岩滞回圈间距由“疏–密”两阶段转化为“疏–密–疏”三阶段的变化规律。(2)当上限应力比小于0.90时，循环加卸载后节理砂岩单轴抗压强度均有不同程度增高，且随上限应力比增加而呈现先增大后减小趋势，当上限应力比为0.80时，单轴抗压强度最大；当上限应力比≥0.90时，节理砂岩在循环过程中发生破坏，且随上限应力比增加疲劳次数减小。(3)不同倾角砂岩破坏时经历的疲劳次数呈90°>60°>0°>45°规律；通过对比分析循环加卸载后节理砂岩破坏模式，发现不同上限应力比主要影响试样破坏程度，上限应力比越高，破碎程度越大；节理倾角主要影响试样破坏模式，60°和45°节理砂岩试样以剪切破坏为主，90°和0°节理砂岩试样以张拉破坏为主。(4)采用核磁共振(NMR)以及扫描电镜(SEM)测试循环加卸载疲劳损伤后节理砂岩孔隙变化情况以及细观结构特征，发现试样疲劳破坏可分为以“间隙压密填充–黏土矿物破碎–骨架矿物破碎”为主要特征的“减速疲劳–稳定疲...     

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

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。     

路用水泥混凝土疲劳损伤的可靠度分析

为获得路用水泥混凝土在高应力比作用下疲劳可靠度的变化规律,首先推导了水泥混凝土疲劳寿命等单调随机变量的概率密度,然后推导了Miner, Chaboche Zhao和修正Chaboche Zhao疲劳损伤模型的损伤概率密度;借助疲劳试验结果,获得这3种模型的疲劳损伤概率密度函数,最后将荷载循环作用次数代入上述函数,从而获得水泥混凝土疲劳可靠度随荷载循环作用次数的变化规律.结果表明：随着荷载循环作用次数增加,相同应力比下,疲劳可靠度从几乎为100%逐渐衰减为0%;无论何种应力比,在荷载循环作用初期,疲劳可靠度均有一个较稳定阶段,但随着应力比的增加,该阶段逐渐减小,且可靠度为0%时对应的荷载循环作用次数也减小;在可靠度衰减阶段,对于相同荷载循环作用次数,应力比越高,则可靠度越低;此外,Miner疲劳损伤模型比修正Chaboche Zhao疲劳损伤模型偏安全.     

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。     

循环加卸载下泥岩能量演化与损伤特性分析

为探究循环荷载下泥岩试件能量耗散与损伤特性,进行荷载等级逐渐增加的循环加卸载试验与等荷载疲劳试验。分析不同荷载水平下各循环塑性应变与能量密度变化,以疲劳试验为参照,从能量角度对损伤变量进行定义,并对不同荷载上限疲劳试验中试件的疲劳寿命进行了预测。结果表明:同一等级荷载下初始循环塑性应变及耗散能密度远大于其他循环;初始循环耗散能占比从试件进入弹性段开始加速增大,临近破坏时有突增;从能量角度定义损伤变量可避免"负损伤"的出现,预测得到泥岩试件的疲劳寿命与荷载水平呈幂函数关系。     

分级循环荷载下层理煤岩力学特性试验研究

为研究层理煤岩在循环荷载作用下的变形破坏与力学特征,沿与层理平行和垂直方向分别制作圆柱形煤岩试样,并开展不同应力上限下的单轴分级循环加卸载试验。基于试验结果,分析在循环荷载过程中试样的残余变形、弹性模量及损伤变量等变化规律,结果表明在低应力循环作用下,2种层理试样的弹性模量均随循环次数的增加而有所上升,但随着应力上限的提升,试样内疲劳损伤不断累积,弹性模量最终呈下降趋势。同时,在循环荷载作用下层理煤岩具有显著的各向异性特征,具体表现为:对于加载方向与层理垂直的试样,其损伤变量在试样发生局部破坏时陡增,呈现出脆性断裂的破坏形式,而加载方向与层理平行的试样在完全破坏前损伤变量呈连续增长趋势,表现出明显的塑性变形特征。     

三轴低频循环荷载下盐岩体积应变特性研究

地下储气库围岩长期处于复杂疲劳应力状态下,盐岩三轴循环荷载下的变形规律对储气库稳定性分析有参考价值。对8个盐岩试块进行了不同围压、不同应力水平和不同频率条件下的循环荷载试验。对每一试块施加恒定围压和轴向低频循环荷载。对试验参数进行了无量纲处理,分析了应力比强度(广义剪应力强度与球应力的比值)、应力比振幅、上限应力水平、荷载频率、循环次数(N)等对体积应变(?v)的影响。利用函数?v=?lg N+?v0,对每一试块的体积应变–循环次数曲线进行了拟合分析,获得了参数?和?v0随应力比振幅、上限应力水平和频率变化的数学表达式。标准化回归系数分析表明,上限应力水平是影响盐岩体积变形的主要因素,其次是应力比振幅。在高上限应力水平三轴状态下,盐岩主要表现出体积扩大现象。     

分级等荷循环受压下橡胶水泥砂浆的疲劳损伤演化

为探究橡胶水泥基材料的疲劳及损伤演化特性,以橡胶水泥砂浆为研究对象,对其分别进行10、20、30 kN荷载等级下的10次(低次/限次)等荷循环加-卸载试验,并对试件产生的加载应变、加载应变差、累积残余应变、累积残余应变差、不闭合度、累积残余应变损伤(塑性损伤),以及加载和卸载变形模量进行分析.结果 表明:试件的加载应变和累积残余应变均随着循环荷载等级的增大而增大;试件的加载应变差和累积残余应变差随着循环次数的增加以互相交错波动的形式逐渐减小至0附近;随着循环次数的增加,试件的不闭合度减小,塑性损伤增大,且两者均随循环荷载等级增大而增大;试件的加载和卸载变形模量随着循环次数的增加以分段线性波动的形式增大,也随着循环荷载等级的增大而增大.同时建立了基于临界塑性损伤假定条件下的塑性损伤模型和刚度变化模型,对试件在高次/不限次等荷循环加-卸载过程中的疲劳塑性损伤和刚度演化特征进行了初步预测和表征.     

花岗岩动态轴向拉伸力学性能试验研究

在MTS试验机上对花岗岩进行不同应变率(10-6～10-2 s-1)、不同预静载下的冲击加载以及变幅三角波荷载下的动态轴向拉伸系列试验。试验结果表明:在10-6～10-2 s-1应变率范围内,岩石抗拉强度随应变率提高近线性增长;花岗岩的弹性模量随应变率变化无明显变化;峰值应变随应变率增大有增长的趋势,极限应变没有明显的率敏感性;不同应变率的名义应力–应变全曲线的上升段在约40%强度以前呈线性,之后出现明显非线性变形,但随着应变率的增加,非线性程度降低;下降段可简化为两段折线:从峰值卸载至25%强度时,出现拐点,此时应变为300～400με,此后应变增长速度加快,降至残余应力10%强度处时,应变为600～900με;50%以下预静载不会对花岗岩的动载强度产生不利,反而有所增强;更高的预静载则会降低动载强度;在往复加载的低周疲劳引起的损伤累积下,岩石的动强度低于单调加载;随着循环次数的增加,残余应变逐渐增加,且增加的幅度亦有所加大,出现损伤软化的特征。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

Physico-mechanical properties of granite after cyclic thermal shock

Understanding rock mechanical behaviors after thermal shock is critically important for practical engineering application.In this context,physico-mechanical properties of Beishan granite,Gansu Province,China after cyclic thermal shock were studied using digital image correlation(DIC),acoustic emission(AE) monitoring,and microscopic observation.The results show that the peak strength and elastic modulus decreased gradually with increase in thermal shock cycle.However,the above two parameters showed no further changes after 10 thermal shock cycles.The loading stress ratio(i.e.the ratio of the current loading stress level to the peak stress in this state) co rresponding to the occurrence of the uneven principal strain field and the local strain concentration zone on the surface of the granite specimen decreased with increase in thermal shock cycle.Three transformation forms of the standard deviation curves of the surface principal strain were found.For granite with fewer thermal shock cycles(e.g.no more than 2 cycles),the standard deviation curves exhibited approximately exponential growth in exponential form.With increase in thermal shock cycle,the S-shaped curve was dominant.After 10 thermal shock cycles,an approximate ladder-shaped curve was observed.It is displayed that AE activity was mainly concentrated around the peak strength zone of the granite specimen when the rock samples underwent fewer thermal shock cycles.With increase in thermal shock cycle,AE activity could occur at low loading stress levels.Microscopic observation further confirmed these scenarios,which showed that more microcracks were induced with increase in thermal shock cycle.The number of induced microcracks at the edge location of the granite specimen was significantly larger than that at the interior location.Finally,a continuum damage model was proposed to describe the damage evolution of the granite specimen after cyclic thermal shock during loading.     

混凝土多轴受压疲劳强度分析

首先进行了0、0.1fc、0.25fc和0.4fc四个不同初始定侧压级别下的混凝土三轴压静载试验和0.1fc、0.25fc两个不同初始定侧压级别下的混凝土三轴压等幅疲劳试验,疲劳试验中最小应力水平均为0.1fc,最大应力水平为1.6fc~2.5fc,根据混凝土三轴压本构特征得到其在不同加载工况下的疲劳寿命。然后利用等效疲劳寿命和等效应力水平的概念,通过三参数Fardis-Chen模型和修正的Aas-Jakobsen方程得到统一的S-N曲线方程,并以此得到混凝土在不同侧压工况下的疲劳强度,从而使混凝土多轴受压疲劳强度问题得到简化。     

Experimental research on whole stress-strain curves of coralaggregate seawater concrete under uniaxial compression

采用等应力循环加卸载法和等应变单调加载法，对棱柱体试件进行单轴受压试验获得全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线，并对两种加载方法进行对比分析。试验结果表明：全珊瑚海水混凝土裂纹贯穿珊瑚骨料继续发展，单轴受压试件的破坏为脆性破坏，典型破坏状态主要为劈裂破坏，其主斜裂缝的倾角 θ 在65°~70°之间；残余应力与峰值应力的比值在0.292~0.525之间，说明全珊瑚海水混凝土破坏后仍具有较高的残余强度，破坏后强度逐步降低，具有一定的延性；不同强度等级全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线的上升段趋势基本相似，但是随着强度等级提高，下降段的下降趋势越陡，破坏程度越剧烈；在相同强度等级下，全珊瑚海水混凝土比普通混凝土和轻集料混凝土的脆性更强。      

循环荷载下高温冻土的变形和强度特性

对-1℃的冻土试样在频率为3,5,8 Hz的循环荷载下进行了单轴压缩试验,探讨了冻土在循环荷载下的累积变形和动强度。结果表明：循环荷载作用下冻土的累积变形大小由加载的最大动应力大小决定,同一频率下加载的最大动应力越大,相同循环次数时的累积应变越大;根据加载的最大动应力的大小,累积应变与循环次数的关系曲线可表现为破坏型、稳定型和过渡型3种形态之一。加载频率对冻土累积应变的影响规律复杂,且受加载的最大动应力影响;当最大动应力较小时,频率的影响不明显;当最大动应力比较适中时,大体上频率越高,累积应变越大;当最大动应力比较大时,频率越高,累积应变越小。在3%,5%和10%的破坏应变下,频率为8 Hz时冻土的动强度最大,而3 Hz和5 Hz的动强度比较接近。     

循环荷载作用下黄土边坡变形研究

 通过室内不排水动三轴试验,研究列车循环荷载长期作用下,Q3黄土的动强度以及动应力–动应变关系。结果表明,Q3黄土动应变随动应力及振动次数的增加而增大,动弹性模量随动应变增大逐渐减小,动强度随循环次数的增加而降低。在此基础上,建立黄土边坡的动力分析模型,分析机车振动荷载作用下边坡的变形规律。结果表明,边坡位移随时间的增大而增大,下边坡的变形量要远远大于上边坡的变形量,边坡位移表现为一个非稳定的变形过程;由于机车荷载的作用,黄土的动强度下降,从而造成边坡的稳定性降低,相对于上边坡而言,下边坡更易失稳。