围压条件下岩石循环冲击损伤的能量特性研究

在不同围压等级和冲击荷载循环作用下,利用带围压装置的霍普金森压杆设备,对斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩的动态力学性能进行试验研究,得到不同循环作用次数下岩样的应力-应变曲线.通过理论分析建立岩石损伤度的判定标准,并定义累积比能量吸收参量来表征围压条件下岩样冲击损伤的能量特性.3种岩石损伤度与围压和累积比能量吸收值的关系研究表明:累积比能量吸收参量能很好的描述围压条件下岩样的冲击损伤程度,岩石循环冲击损伤演化过程存在围压效应,当围压逐渐增大时,岩石损伤度的增加随累积比能量吸收值增加的趋势变缓,其抗冲击损伤的能力增强,即围压越高,试件达到相同损伤度所需要耗散的能量越多.得出围压条件下岩石损伤度与累积比能量吸收值的关系式.随着围压的增加,砂岩达到损伤阈值时的累积比能量吸收值增长率最大,斜长角闪岩次之,绢云母石英片岩最小.     

斜长角闪岩累积损伤特性的围压效应研究

利用带围压装置的SHPB设备对不同围压等级下斜长角闪岩在冲击荷载循环作用下动态力学性能进行试验研究,通过对试验过程的能量计算和不同循环作用次数下试件应力-应变曲线的分析,研究斜长角闪岩在冲击荷载循环作用下的累积比能量吸收值与入射能量,损伤度与围压等参量之间的关系。研究结果表明,当入射波能量相同时,斜长角闪岩的比能量吸收值随围压的增加而减小,且斜长角闪岩的比能量吸收值与围压和入射波能量具有良好的规律性。当围压逐渐增大时,斜长角闪岩损伤度的增加随累积比能量吸收值增加的趋势变缓,即围压越高,试件达到相同损伤度所需耗散的能量越多。得到损伤度D与累积比能量吸收值和围压之间的关系表达式。     

冲击荷载作用下灰岩的能量耗散及损伤演化规律研究

利用改进后的直径50 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对灰岩试件施加不同加载速率的冲击压缩试验,分析了试验中灰岩试件的能量耗散特征;通过基于Weibull分布的动态统计损伤理论并结合试验曲线分析了灰岩的损伤演化规律,并探讨了最大损伤变量与能量耗散密度的关系。研究结果表明:透射、吸收、反射能量受入射能量的影响显著,并且透射能的相关性最显著;能量耗散密度随应变率的增加而显著增加,呈现较好的线性正比关系,能量耗散密度为零时的临界应变率为62.56 s^-1;动态抗压强度与应变率呈指数函数关系;灰岩试件的能量吸收率随应变率的提高而显著减小。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线较为一致,损伤变量D随应变的增加而逐渐增加,在应力应变曲线峰值处,损伤变量D存在一个明显的拐点,损伤在此处开始急剧增大;灰岩的最大损伤变量D_max与能量耗散密度呈较强的对数函数关系,存在D_max为零时的临界能量耗散密度值。     

围压对砂岩动态冲击力学性能的影响

 利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析砂岩单轴动态抗压强度和比能量吸收值的应变率效应,围压状态下砂岩在冲击荷载循环作用下的力学特性以及累积比能量吸收值与入射能量、围压等参量之间的关系。研究结果表明,砂岩的动态杨氏模量与静态杨氏模量相比明显增加,两者比值达3.21～3.81;而当应变率为50～100 s－1时,动态杨氏模量随应变率有所增加,但变化不大。砂岩单轴动态压缩试验的比能量吸收值与应变率 呈线性关系,而单轴动态抗压强度增长因子 (即动态抗压强度)与 成线性关系。在围压状态下,砂岩具有明显的脆性–延性转化特征,其应力–应变曲线出现明显的屈服平台,呈近似的弹塑性特征。围压的加载作用对阻止试件产生剪切失稳的作用相当明显。随着冲击荷载循环作用次数的增加,试件的杨氏模量变小,屈服应力降低,屈服应变增加。砂岩的破坏形态随围压大小不同而发生变化,砂岩从轴向拉伸破坏形态向压剪破坏形态转变的临界围压值为10 MPa。在能量相同的入射波作用下,砂岩试件在低围压时比在高围压时的比能量吸收值大,且砂岩的比能量吸收值、入射波能量和围压三者具有良好的规律性,并得到比能量吸收值随入射波能量和围压变化的关系式。     

冲击载荷作用下砂岩试件破碎能耗特征

为研究砂岩试件冲击载荷作用下的破碎能量耗散特征,利用变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用3种冲击气压对煤矿砂岩试件实施不同加载速率的冲击压缩试验,分析试验中试件能耗规律。结果表明:砂岩试件吸收能量与入射能量之比相对恒定;试件破碎耗能密度与入射能量呈线性正比关系,而与试件平均应变率呈乘幂关系,显示出较强的应变率相关性;破碎耗能密度越大,试件破碎程度就越剧烈,采用破碎块度平均粒径可以对试件破碎程度进行定量描述,其值随试件破碎耗能密度增大而减小;试件动态强度与破碎耗能密度之间表现出较强的对数关系,试件吸收能量主要耗散于岩石的损伤演化与变形破坏,采用破碎耗能密度能较好反映砂岩试件在外载荷作用下的强度本质特征。     

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.     

轻质高强混凝土大直径霍普金森杆冲击试验研究

轻质高强混凝土材料已经广泛运用于各种建筑结构中,然而其冲击作用下的动力性能尚不明确。为了探讨其动力性能,设计制作了一系列圆柱体混凝土试件。首先通过静力加载试验获得了其静力强度,然后,采用155mm大直径分离式霍普金森杆(SHPB)设备,对直径为150mm、长径比为0.5的混凝土试件开展了冲击试验研究。采用紫铜片作为波形整形器,该试验中各气压下冲击速度稳定,SHPB试验结果可靠。混凝土试件的破坏模式以脆性碎裂为主,随着冲击速度的增加,破坏后的碎块由条片状逐渐过渡至粉末状。应变率在40～140s-1时,试件的动态强度随着应变率的增大而增大。当冲击速度增加时,能量吸收密度也随之增加,即材料吸收能量的能力显著提高。根据试验结果,拟合了动态应力-应变曲线,以期供相关研究参考。     

冻融循环下橡胶混凝土动态力学特性试验研究

为研究冻融循环下橡胶混凝土的动态力学特性,采用非金属超声波检测仪测量橡胶体积掺量为10%的混凝土试件在不同冻融循环次数下的纵波波速,并利用直径74 mm变截面分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置在不同冲击气压(0.3,0.4,0.5,0.6 MPa)下对不同冻融循环次数(0、25、50、75、100、125)的橡胶混凝土试件进行单轴冲击压缩试验,分析其应力-应变曲线、峰值应力、极限应变、动态强度增强因子(DIF)和吸能效果变化规律。结果表明：橡胶的掺入使混凝土强度降低,但其韧性及吸能效果明显增加;随着冻融循环次数的增加,橡胶混凝土纵波波速随之减小,损伤度增加,冻融作用对橡胶混凝土造成损伤,降低试件纵波波速;相同冻融循环次数下,随着应变率的增大试件峰值应力、极限应变、DIF和吸收能都随之增大,试件存在明显的应变率效应;0.6 MPa冲击气压下冻融循环25,50,75,100,125次试件峰值应力分别降低了25.1%、37.1%、46%、52.5%、54.8%,随着冻融循环次数的增加,试件峰值应力降低,降幅逐渐减小,循环次数超过100次后试件应力降幅不再明显,极限应变增加,吸收能减少,冻...     

花岗岩动态压缩力学特性研究

由于岩石材料动态破坏的复杂性,理论分析和实验研究都还很不充分,岩石的动力特性越来越受到重视。本文采用霍普金森压杆对花岗岩圆柱试样进行了动态压缩试验,建立了加载速率与花岗岩冲击破坏时的弹性应变能、结构破坏能及岩石破坏形态之间的关系。试验结果表明:甘肃地区弹模在17~21 GPa的花岗岩在瞬时加载条件下,强度随着加载速率的增加而提高;动态压缩强度平均强度为240 MPa,动态模量为31.5 GPa;应变率的变化范围在81~210 s^-1,动态压缩强度随着应变率的增加有明显增大的趋势;当冲击速度增加时,岩石破坏后释放的能量显著增长,应变率越大,岩石破碎块越小。该试验结果能够评价动态荷载作用下花岗岩的强度参数,为类似区域的工程设计与施工提供依据。     

岩石动态力学性能试验研究

为了解花岗岩的动态力学性能,采用φ 50 mm Hopkinson压杆对岩石进行动态冲击压缩试验,应变率范围为25.4～193.4 s-1,采用波形整形技术获得平滑的脉冲荷载,得出岩石的动态应力-应变曲线.试验结果表明:岩石抗压强度具有明显的应变率效应,破坏强度随着应变率的增加而增大,相对于静态强度120 MPa,最高动态强度增大至365 MPa,约为静态强度的3倍;冲击荷载较低时,试样内部出现损伤及微小裂纹,荷载强度增大时,试样出现宏观裂纹及破碎成块,当荷载进一步增大时,试样呈粉碎性破坏. 研究结果可为国防工程结构设计提供参考.     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

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。     

钢板笼混凝土短柱抗震性能试验研究

地震作用下的建筑物或构筑物的混凝土短柱易发生脆性破坏,引起结构的严重破坏甚至倒塌;钢板笼混凝土（PCS）是混凝土结构体系的一个重要补充,研究PCS短柱的抗震性能对PCS结构体系的科学研究和工程运用具有重要的参考意义。通过对7个PCS短柱以及1个RC短柱对比件进行低周反复荷载试验,研究板厚、轴压比和横向钢板条间距对试件的破坏形态、滞回性能、骨架曲线、承载力、延性、耗能性能以及刚度与承载力退化的影响,并对其进行累积损伤分析。研究结果表明：试件均发生剪切脆性破坏,PCS试件中横向钢板条易断裂,但相比于RC试件短柱,其耗能能力、承载力及延性均有明显的提高;试件横向钢板条间距减小,有利于发挥PCS短柱的受剪性能,表现出较好的延性和耗能能力;PCS试件的承载力先随板厚的增大而增大,但当板厚增大到界限值后,受剪承载力反而下降;采用基于能量耗散原理和试件在低周反复荷载作用下的P-Δ滞回曲线所建立的累积损伤评价模型,能较真实地反映在低周反复荷载作用下PCS试件的累积损伤状态。     

双向受压岩石在扰动荷载作用下致裂特征研究

 采用频率为2 Hz,幅值分别为6,10,14,18和22 MPa的正弦疲劳荷载作为动力扰动,来研究受双向静荷载并达到极限屈服状态的岩石在动力扰动荷载作用下致裂破坏的力学特性。试验结果发现：双向静载屈服状态红砂岩试件在动态周期荷载作用下,疲劳寿命明显短于在弹性阶段进行的疲劳测验的寿命。试件的疲劳寿命离散性较大,即使在同一动载幅值下也表现出很大差异,但相同应力幅值下最终破坏点处的变形量却基本相同,并且随着动载的幅值的增大而减小。研究还显示：具有相对较长疲劳寿命的试件的轴向变形量与循环次数(或时间)的关系曲线呈现出明显的3个阶段特性,其变化趋势与岩石蠕变曲线基本相同。岩石的最终破坏是由3个阶段的疲劳损伤累积所致,各阶段变形量占总变形量的比例、破坏模式和块度分布均与受到的动载应力幅值有关。     

管桁结构直接焊接节点焊材损伤累积演化规律试验研究

管桁结构直接焊接节点焊缝容易发生损伤累积,造成节点局部失效。为此,针对管桁结构直接焊接相贯节点的连接焊缝,制作标准试件进行低周疲劳试验,得到其应力 应变滞回曲线、循环应力幅退化曲线和累积耗能变化曲线,研究节点焊材的损伤累积演化规律。结果表明：循环荷载下焊材表现出循环软化现象,与其母材循环特性存在差别,节点抗震分析中应区别考虑二者本构关系;焊材的损伤累积演化规律主要表现为随着循环周数的增加,其循环应力幅值、卸载刚度和耗能能力逐渐减小;焊材损伤累积破坏分三阶段,其中裂纹萌生和破坏阶段应力幅退化较快,裂纹扩展阶段变化较慢;加载应变幅对损伤累积速率的影响表现为加载应变幅值越大,其损伤退化越快,在母材为Q235的焊材中影响更明显;焊缝形式的影响较小,表现为角焊缝的损伤累积稍大于全熔透焊缝。有限元分析中考虑损伤累积影响,得到的焊材损伤累积演化规律与试验结果较为吻合。     

Q460C高强度钢材焊缝连接循环加载试验研究

为研究高强度钢材Q460C焊缝连接在地震作用下的反应,对11个Q460C焊缝连接试件进行了8种不同加载制度的单调和循环加载试验,分析比较了不同加载制度下的应力-应变关系,研究其本构模型、力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性,并和母材的性能进行了对比。利用Ramberg-Osgood公式对其循环骨架曲线进行了拟合,确定了拟合计算式中的待定参数;通过试验标定了循环荷载作用下本构模型的参数,采用有限元程序ABAQUS利用混合模型对上述循环加载试验进行了较为准确的有限元模拟。研究结果表明：所有加载制度下试件最终均在焊缝和热影响区交界面拉断,这和焊缝连接处的应力集中有关;与母材单调拉伸性质相比,焊缝连接试件延性下降显著,说明焊接过程对钢材有严重影响,应采取措施避免破坏发生在焊缝区域。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。