钢纤维对超高性能混凝土徐变损伤与失效行为的影响

为探明钢纤维对超高性能混凝土（UHPC）在高持久应力作用下的损伤与失效的影响，采用28天龄期的UHPC与普通混凝土试件开展了徐变损伤与失效试验。测试了各个试件加载全过程的轴向与环向应力应变，分析了其破坏模式、残余应变、徐变应变与名义泊松比。结合超声波无损检测与扫描电子显微镜手段，分析了UHPC内部微裂缝扩展与钢纤维与水泥基体的黏结损伤。结果表明：高持久应力的作用会导致UHPC与普通混凝土试件内部微裂缝扩展，引发构件横向膨胀，并最终导致构件破坏。UHPC中钢纤维的桥接约束效应可以很好地控制内部微裂缝扩展，从而限制了构件的横向膨胀。在持荷加载前，UHPC与普通混凝土具有类似的泊松比（0.18～0.19）；在持荷破坏时，UHPC的最大泊松比为0.28，而普通混凝土的最大泊松比达到0.6。当持久应力水平超过0.70 fc时，徐变损伤开始出现，具体表现为循环加载的强度与弹性模量下降。随着持久应力水平的提升，钢纤维与水泥基体的黏结出现损伤，钢纤维无法约束试件内部微裂缝的扩展，从而进一步加剧了试件损伤，甚至导致了试件的破坏。     

基于最小能耗原理的花岗岩蠕变损伤分析

为了研究花岗岩蠕变损伤特性,采用MTS815.02岩石力学测试系统对花岗岩试样进行了三轴加载试验和分级加载蠕变试验,基于最小耗能原理、广义胡克定律和应变等效原理建立了弹性损伤方程和改进了非线性损伤蠕变模型,分析了花岗岩损伤变量与泊松比之间的变化规律和蠕变损伤过程.研究结果表明基于能量原理并结合任意阶段应力应变状态的损伤方程更合理地描述了岩石损伤发展过程.在耗能过程中损伤泊松比对岩石损伤起重要作用,损伤变量随着泊松比的增加而非线性增加,并逐渐趋于稳定,改进模型计算结果与试验曲线相吻合,较好地描述了岩石衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变的全过程;在岩石蠕变前期损伤速率较为平缓,进入加速蠕变阶段后随着微裂纹在强度弱化区汇聚,损伤速率直线升高且损伤变量突然增大.     

基于三轴压缩数值试验的岩石损伤特性

为研究岩石的损伤特性,基于连续损伤力学理论和岩石微元强度服从Weibull分布函数,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件,在围压分别为3,6,10 MPa的情况下,对岩石进行了不同变形参数(E和μ)和强度参数(c和φ)的常规三轴压缩数值试验研究。数值试验结果表明,(1)在加载初期,岩石出现负损伤(压密强化效应),随着轴向应力的增大,割线模量减小,泊松比增大;(2)黏聚力或内摩擦角或围压越大,岩石抗压强度越高,岩石变形过程中的塑性变形阶段越长;(3)损伤起点对应的轴向应变不随强度参数(c和φ)的变化而变化,但随计算初始弹性模量的增大而减小,随围压的增大而增大;(4)泊松比对岩石力学特性和损伤特性影响甚少,可忽略不计。     

基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

初始损伤对脆性岩石抗压力学性质的影响

基于现有各向同性损伤本构理论,提出岩石初始损伤定义及其计算方法。初始损伤表示为加载前的损伤岩石弹性模量相对无损岩石弹性模量的劣化程度。对不同初始损伤的玄武岩试样进行单轴抗压试验,定量分析初始损伤对玄武岩的应力与应变关系、强度、破坏应变、初始泊松比和应变软化性质等的影响,给出单轴抗压强度、初始泊松比等力学参数随初始损伤变量变化的规律及拟合公式。研究结果表明:只有当岩石初始损伤超过损伤门槛值即无损岩石破坏时对应的损伤值时,岩石抗压强度随初始损伤增大而显著减小;与峰值应力对应的应变随初始损伤增大而近似呈线性增大趋势;岩石初始泊松比随初始损伤增大近似呈指数增大;初始损伤越小,应力峰值后的岩石破坏越显脆性。     

分级循环荷载下泥岩和砂岩的阻尼特性试验研究

为研究岩石在不同应力水平循环荷载作用下轴向与径向变形的应力应变滞后关系及径向阻尼比与轴向阻尼比的关系,在MTS815岩石力学试验系统上对饱和泥岩与饱和砂岩进行变幅分级循环荷载试验。研究结果表明:同一岩石在循环荷载作用下的径向滞回环与轴向滞回环形状保持一致;对于砂岩,在加载时应变相位超前于应力相位,在卸载时应变相位滞后于应力相位,由此导致滞回环加卸载段都呈下凸状;对于泥岩,在加载时应变相位同步或滞后于应力相位,在卸载时应变相位滞后于应力相位。应力幅值不变时,随着循环次数的增加,阻尼比趋向于稳定,应力幅值越大,阻尼比越大。泥岩的阻尼比大于砂岩的阻尼比,泥岩和砂岩的径向阻尼比都大于轴向阻尼比,且在循环加载的初始阶段,泥岩和砂岩的径向阻尼比增长速率较快。随着径向应变与轴向应变比的增大,径向阻尼比与轴向阻尼比的比值逐渐减小,两者之间的关系为线性关系。     

加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

双重介质非饱和两相流岩体热流固损伤模型研究

本文以孔隙-裂缝双重孔隙介质为研究对象,建立孔隙度与岩体应变数学模型和温度场诱导应力模型。基于Terzaghi有效应力原理,建立注水开采过程温度-流体-岩石骨架的应力分布模型。考虑注水压力和注水温度场应力导致的岩体孔隙-裂隙的变形、成核和增长,采用应变孔隙度定义损伤变量,建立了以Gurson-Tvergaard-Needleman圆柱体胞模型为塑性屈服函数的双重孔隙介质饱和热流固损伤本构模型。以某1口生产井为研究对象,通过有限元软件数值模拟得到：温度场诱导应力、注水压力诱导应力和岩石应力分布规律;应力与损伤变量、应变孔隙度演化规律。新模型对油田注水开采过程中储层孔隙和裂缝的变化提供了新的研究方法和理论依据。     

不同应力水平下砂岩力学特性的试验研究

为了探讨循环加载下应力水平对岩石力学特性的影响,利用WDT-1500材料试验机,对砂岩进行不同应力上限、不同应力下限、相同应力幅值和不同荷载频率条件下循环加载试验,对比分析不同加载条件下砂岩的力学特性,揭示了砂岩的动弹性模量和动泊松比随循环次数的演化规律,及随应力水平和应力幅值的变化规律。试验结果表明:砂岩的屈服应力是其在循环加载过程中力学特性出现变化的一个分界点,在分界点之上或之下动弹性模量和动泊松比的变化规律是不相同的;对于同一砂岩试样,动弹性模量和动泊松比随加载频率的增大而增大,随着应力幅值的增大而减小,并且应力幅值相同时,动弹性模量与应力水平具有一定的线性关系。     

常幅循环荷载下岩石的变形特性

利用RMT-150B岩石力学多功能试验机,对花岗岩进行常幅循环加载试验,研究循环加载过程中岩石的变形特性。试验结果表明:岩石疲劳破坏时的变形量保持相对稳定,而且这一变形量与静态全过程曲线破坏后区对应上限应力处的变形量相当,验证了极限变形规律;岩石的轴向应变、横向应变和体积应变都具有3阶段演化规律,3阶段的划分基本一致;横向应变的3阶段规律比轴向应变的明显,横向应变速率亦大于轴向应变速率,因此,从变形的角度建立岩石的疲劳破坏准则更可靠,采用横向变形或横向变形速率作为岩石疲劳破坏或失效的判据,更有利于工程应用。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

动力作用对复合固化淤泥土力学性能的影响

利用GDS(global digital system)动三轴仪对固化淤泥土开展动三轴UU试验,研究其轴向累积应变、动强度、动应力-动应变滞回曲线和动弹性模量等参数的变化规律。研究表明:固化土轴向应变随振动次数呈阶梯状分布,轴向应力较小时,固化土轴向应变先随振动次数增加而增大,随后趋于稳定,且固化掺量越高,轴向累积应变越小。固化土的动应力-动应变曲线呈应变硬化型,试样发生剪胀破坏,固化剂掺量越大,曲线越陡。复合固化剂掺量和围压越大,滞回圈的面积越小,其位置越靠近竖轴;滞回圈的面积先随振动次数的增加逐渐增大,当振动次数超过1 000次后,其面积逐渐维持稳定。经复合固化改良后,淤泥土的初始动弹性模量有显著提高,且围压越高,动弹性模量越大,但在动力作用下变化显著,当应变超过1.0%后,固化土的动弹性模量与素土变化一致。     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟

高放核废料处置库在开挖和使用过中围岩不断承受周期荷载,进而影响了高放核废料处置库的安全稳定。基于此,本文使用数值模拟方法研究了高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为,在得到一组可以反映高温作用后花岗岩三轴压缩力学行为细观参数的基础上,分析了温度及围压对循环加卸载应力-应变曲线、弹性模量和破裂过程的影响。研究结果表明,常温下循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,循环加卸载造成宏观裂纹两侧晶粒脱落；600°C高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加,导致应力-应变曲线偏离较多。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及Felicity效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小,但循环加卸载会造成宏观裂纹两侧出现晶粒压碎现象。弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600°C处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。     

脉冲冲击波有效作用距离影响因素模拟分析

利用数值模拟方法,分析储能、作业次数、弹性模量、地应力对重复脉冲冲击波有效作用效果的影响。结果表明:低储能时无法致裂储层,以解堵为主,高储能时可以使储层产生微裂缝提高渗透率;随着作业次数的增加,冲击波有效作用距离不断增加至最大值,此后再增加作业次数,有效作用距离基本不变;地应力对有效作用距离影响比较明显,随着地应力的增加,有效作用距离呈对数规律减小;在地应力较小、弹性模量较大时,随着作业次数增加有效作用距离增大,但试验表明作业次数增加会使储层软化,减小弹性模量,降低冲击波作业效果;当地应力较大时,弹性模量和作业次数对有效作用距离基本无影响,因此重复强冲击波对弹性模量大、地应力小的储层解堵、增产、增注效果较好,且存在一个合理的冲击波作业次数。实际应用时应根据储层参数选井,优化冲击波作业参数。     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

循环加卸载下砂岩能量演化特性分析与损伤表征

为探究饱和及干燥砂岩在加卸载过程中的能量演化与耗散特征,以西部砂岩为研究对象,开展常温下饱和及干燥砂岩单轴循环加卸载试验,通过能量法分析不同状态下砂岩弹性模量、泊松比、能量密度与循环次数之间的关系。结果表明：干燥及饱和砂岩在加载阶段和卸载阶段的弹性模量、泊松比均随加载次数的增大而增大,在相同卸载次数下干燥砂岩的弹性模量、泊松比均大于饱和砂岩；干燥及饱和砂岩的能量储存率随着循环次数先增大后减小,耗散比则相反,由于浸水软化饱和砂岩的能量密度拐点略迟于干燥砂岩；通过累计耗散能变量定义干燥及饱和砂岩的损伤特征,其损伤变量D值与循环次数变化规律相类似均呈下凹曲线。     

冻融循环条件下粗粒料变形特性试验研究

为揭示粗粒料在冻融环境与复杂应力条件下的变形特性，采用大型三轴压缩试验与蠕变试验研究了粗粒料在不同冻融循环次数、围压与应力水平下的变形特性与蠕变特性。试验结果表明，未冻融粗粒料的应力-应变曲线为应变硬化型曲线，在试验围压100～600 kPa范围内粗粒料剪切过程中均表现为剪胀性；冻融循环后初始弹性模量与破坏应力均呈下降趋势，200 kPa围压时，初始弹性模量降低20%,破坏应力降低37%,600 kPa围压时，初始弹性模量降低5%,破坏应力降低25%;冻融循环后粗粒料轴向蠕变应变随时间的发展为衰减型蠕变规律，轴向蠕变应变随冻融循环次数和应力水平的增大而逐渐增大，8次冻融循环后轴向蠕变应变明显增大；应力水平影响下的粗粒料蠕变时间曲线可采用指数函数形式表达。     

基于不规则颗粒的砾岩力学性能数值模拟研究

砾岩非均质性强，力学性质复杂。本文基于离散元方法，使用三维激光扫描技术获取了真实砾石的颗粒形态，建立了含不同粒径颗粒的砾岩三维数值模型。基于此数值模型开展单轴抗压模拟实验，将实验结果与均质数值岩心对比，分析了砾岩破坏形式和规律，讨论了颗粒粒径大小和颗粒形态对砾岩力学性质的影响。结果表明:在加载过程中，由于砾石颗粒的阻碍，裂缝需绕过砾石颗粒逐步贯通，从而导致岩样的位移和破坏形式较为复杂，没有形成与均质岩心类似的剪切带。在加载初期裂纹数目少、增加缓慢，在应力峰值附近裂纹数量迅速增加，岩样瞬间破坏，表现出较为明显的“鼓涨”效应。砾石颗粒粒径对砾岩的破坏机理和形式影响不明显，但随着粒径的增加，砾岩单轴抗压强度和弹性模量降低。相对于圆形颗粒，基于真实砾石颗粒形态的数值模型，能够模拟砾石间的摩擦力，拥有更高的强度，能更好的反应砾岩力学性质。     

循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响

通过煤岩热流固耦合试验系统(THM-2)对砂岩进行循环加、卸载试验,研究加、卸载速率对其变形和渗透特性的影响.结果表明:初始循环时,岩石的轴向变形量△ε1较大,随着循环试验的进行,△ε1趋于稳定,受卸载速率v2的影响较小.加载变形模量和卸载变形模量均逐渐上升,随着循环次数的增加,上升速度逐渐变缓;同一循环内,卸载变形模量大于加载变形模量,且随着加、卸载的进行,差值逐渐减小.加载阶段和卸载阶段渗透率变化量的差值随着循环次数的增加逐渐减小;从第5次循环开始,渗透率曲线呈“∞”形,渗透率演化规律可以用轴向应变的变化特点表征,轴向应变的变化量△εi1受到卸载速率vi2和应力加载上限σimax的综合作用,二者对应变在卸载初期起到积极的促进作用,三者之间的相互关系可用幂函数表达.