周期水压力作用下砂岩变形试验与小波分析

为了研究周期水压力对岩石的变形特性,利用MTS815岩石力学多功能试验机,对砂岩试样进行了不同轴向应力(峰值强度σmax的60%、70%和80%)条件下孔隙水压力循环试验,还运用Matlab中小波分析对岩石变形曲线中常见的不规则小变形波动干扰曲线进行处理.试验结果表明:随着恒定轴向应力的增大,周期水压力作用下疲劳变形将加速岩石的破坏;随着孔隙水压力循环次数的增加,塑性滞回环呈疏一密一疏的变形演化过程;运用小波分析方法对周期水压力作用下砂岩受多种因素的干扰的变形曲线进行分解、重构处理及评价,从而得到最优分解尺度的基本曲线较好的吻合了试验曲线,更好的揭示了岩石变形的演化规律.     

含预制缺口的电力导线腐蚀疲劳性能试验

为了研究腐蚀介质和疲劳荷载两者的耦合作用、腐蚀溶液浓度和pH值等因素对电力导线腐蚀疲劳寿命的影响,设计了一种新型的试验装置对某线路老旧导线进行腐蚀疲劳试验。通过在导线表面预制缺口,研究了不同腐蚀条件、不同腐蚀和疲劳作用方式对含缺陷导线力学性能的影响,得到了各加载工况下的S N曲线和拟合方程,并分析了腐蚀溶液浓度、pH值对导线寿命的影响权重。试验结果表明：腐蚀介质和疲劳荷载耦合作用下导线寿命比无腐蚀作用时显著降低;随着溶液酸性的增强,导线寿命显著缩短;由于高浓度的氯离子抑制了溶液中氧的溶解及扩散作用,使溶液对导线的腐蚀作用减弱,因此氯离子浓度的改变并非和疲劳寿命呈负相关关系。     

循环荷载下岩石塑性应变演化模型

为了准确评估岩石工程在周期性荷载作用下的长期稳定性和安全性,对岩石的循环疲劳塑性应变理论进行了研究。将岩石在循环荷载下的疲劳损伤变量方程,引入累积塑性应变方程中,通过积分变换,推导出高周和低周疲劳循环条件下岩石轴向塑性应变的演化方程;将塑性应变发展理论模型与前人疲劳试验结果进行了比较。结果表明,该模型较好地反映了岩石的轴向塑性应变演化规律,可直接用于疲劳荷载作用下岩石工程作用机理数值分析中。     

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。     

水化学腐蚀下岩石损伤力学效应研究

水化学腐蚀条件下岩石损伤力学效应是引起裂隙岩体力学性质变化的主要原因,因此,对裂隙岩体微观结构的水化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义.阐述了裂隙岩体的水化学腐蚀及裂隙岩体损伤力学的国内外研究现状,定性地研究了岩石水化学损伤的化学成分分析理论及能量分析理论,对水化学溶液的腐蚀影响机理进行了分析,并研究了不同化学溶液对岩石变形及强度腐蚀效应的影响.     

桥上纵连板式无砟轨道HRB500钢筋概率S-N曲线研究

为研究桥上纵连板式无砟轨道HRB500钢筋的疲劳特性,对HRB500钢筋标准试件进行对称循环荷载下轴向拉压疲劳试验,得到不同应力水平下HRB500钢筋标准试件的疲劳寿命及其累积失效概率.在此基础上,以相关系数p和Theil不等系数u作为估计精度评价指标,对3种常用的三参数威布尔分布参数估计方法进行对比研究,并用精度最高的灰色预测法对HRB500钢筋标准试件疲劳寿命的威布尔分布参数进行估计,得到不同应力水平下HRB500钢筋疲劳寿命分布函数.最后,基于Kohout-Vêchet方程,建立全应力水平范围内可靠指标为4.2的HRB500钢筋概率S-N曲线.本文的研究成果可为服役期间组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道HRB500钢筋疲劳寿命预测模型的建立提供试验依据.     

一维静载及循环冲击共同作用下矽卡岩力学特性试验研究

利用改进的基于SHPB装置的岩石动静组合加载试验系统,对取自冬瓜山铜矿井下900 m深处的矽卡岩岩样进行一维静载及循环冲击共同作用下的加载试验。研究结果表明:在一维静载与循环冲击共同作用下,岩石具有疲劳损伤特性;预加载轴压不同,变形特征也不同,岩石应力-应变曲线呈现回弹、不回弹2种特性;随着循环冲击数增加,动态峰值应力及定义的动态变形模量减小,动态峰值应变却增大;累计冲击数与轴压呈一元二阶多项式关系;同时还表明"岩爆"的发生是动力扰动诱发岩石内部弹性能突然释放的结果;预加轴压影响岩石出现拉伸破坏或剪切破坏的效果,也影响岩石破坏块度及在动态扰动情况下发生的"岩爆"概率。     

混凝土高频疲劳加速寿命试验

车载循环作用下的混凝土疲劳强度问题越来越受到人们的重视,而针对混凝土高频疲劳性能的研究不是很多,将高频疲劳试验方法引入到岩石类非金属材料的试验中,针对混凝土圆柱试件进行高频疲劳加速寿命试验研究.通过分析疲劳频率变化曲线的规律,解释混凝土高频疲劳的破坏机理,建立混凝土的轴向压缩非线性疲劳损伤累积模型.同时考虑到存活率,得出混凝土疲劳加速寿命失效概率的P-lgS-lgN双对数疲劳方程.     

长期轴向荷载作用下钢骨混凝土柱的变形研究

钢骨混凝土柱结构已被广泛应用在高层建筑结构中,但是,关于这类柱结构在长期荷载作用下,由于混凝土的徐变和收缩引起的与时间相关的力学特性的研究还很少.开展了钢骨混凝土短柱在长期轴向荷载作用下相关特性的试验研究,获得了由于混凝土的收缩和徐变导致的长期轴向变形曲线.基于该实测曲线的分析表明,采用ACI 209的收缩模型和CEB-FIP90的徐变模型,利用龄期调整有效模量法可以较好地模拟钢骨混凝土柱在长期轴向荷载作用下的变形发展.     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

煤矸石的动力特性试验研究

为了分析煤矸石用作高速公路路堤填料的技术可行性,采用固结不排水中型动三轴试验,对煤矸石的动强度、动应变、阻尼比及循环荷载下的动力特性等进行了试验研究.结果表明, 煤矸石的动应力-动应变曲线可用双曲线拟合,试验还获得了双曲线动力本构模型的具体形式及参数;根据循环荷载下轴向变形的累计特性,提出了改进的渐近屈服面弹塑性模型.该试验成果可用于煤矸石路堤的动强度、动变形及循环荷载下累计变形的计算.     

基于NMR和声发射的砂岩疲劳损伤试验研究

为科学地评价工程岩体的长期稳定性和安全性,在实验室条件下对饱水砂岩开展循环加卸载试验,结合声发射技术与核磁共振分析技术两种手段探究其宏细观变形及疲劳损伤演化规律.研究结果表明:在循环荷载作用下,砂岩的声发射能量分布规律与轴向累积残余变形发展规律、应力-应变曲线滞回环变化规律一致,均能反映岩石在重复应力的作用下逐渐劣化至发生破坏;岩石疲劳损伤过程中的声发射能量幂律特征具有时间序列上的尺度不变性,循环中期幂指数可有效表征全过程能量分布;根据T₂谱结果,定义系数K₂为细碎裂隙与较大裂隙体积之比,循环过程中K₂一直处于增加的状态,当K₂值急剧下降时,砂岩有破坏的前兆;试件的AE特征与NMR特征均能体现岩石内部孔裂隙变化,其结果具有一致性,反映出岩石破坏是局部变形累积引起的整体疲劳损伤.      

基于晶体塑性不均匀变形分析的Q235钢疲劳寿命规律预测

结合试验和有限元多晶晶体塑性计算模拟,研究循环载荷下Q235钢非均质性和不均匀变形对疲劳的影响,探讨疲劳寿命预测方法。完成Q235钢材料试样一系列对称循环下的低周疲劳试验,采用反映细观随机生成多晶结构的VORONOI多晶"代表性单元"(RVE)模型进行材料疲劳循环模拟。材料循环塑性特性用晶体塑性模型来描述,通过数值模拟对循环加载中材料晶粒尺度不均匀局部应变(最大主应变和轴向应变)的计算和统计分析,得到以下结果:应变统计标准差随循环不断增长,并存在极限;不同应变幅循环下对应的极限值相近;用该极限值作评判材料疲劳破坏的指标参量,借助多晶RVE晶体塑性循环模拟,可预测材料应变疲劳寿命曲线(现有方法必须通过系列试验才能获得);无论按BCC或FCC晶体晶格进行计算,对材料疲劳寿命规律的预测结果基本相同。     

基于裂纹扩展的锈蚀拉索疲劳寿命评估

将平行钢丝索视为一个多裂纹竞争的串-并联模型,通过点蚀不均匀系数确定锈蚀钢丝的初始裂纹尺寸. 基于疲劳裂纹扩展速率模型各参数的概率分布,采用疲劳失效全过程Monte-Carlo模拟法计算了不同断丝率下拉索的疲劳寿命,并通过试验数据对计算结果进行了验证. 结果表明：拉索断丝率随疲劳次数增加符合幂级数的增长规律,当拉索的断丝率达到10%之后,拉索的断丝率迅速增长而失去抵抗疲劳荷载的能力. 纤维束模型中串联钢丝单元划分越多,拉索的疲劳寿命越短,但这种趋势会随着钢丝单元数的增加而逐渐趋于稳定. 锈蚀拉索的疲劳寿命服从Weibull分布,点蚀效应缩短了钢丝裂纹萌生寿命,随锈蚀程度的增加,拉索疲劳寿命均值大幅下降,变异性减小,其抗疲劳性能快速劣化. 通过雨流计数法将随机荷载历程转化为疲劳荷载谱块的重复作用,基于钢丝的腐蚀发展规律计算了不同腐蚀程度拉索的疲劳寿命,建立了随机荷载作用下拉索腐蚀程度与疲劳寿命劣化之间的关系模型. 根据P-dc-N曲线可对锈蚀拉索服役期的疲劳可靠性进行评估,应用时需要准确掌握拉索钢丝的缺陷或腐蚀细节信息.     

H2S腐蚀下钻杆材料疲劳性能研究

钻井工程中的钻杆除了长期承受轴向压力产生的疲劳损伤外,还承受着油气的腐蚀环境影响,油气开采往往大量伴生着H_2S的产生。采用旋转弯曲疲劳试验机对钻井中常用的S135材料进行疲劳试验,同时参照NACE TM0177—2005标准进行H_2S腐蚀实验,腐蚀时间分别为48 h和96 h,并对腐蚀后的试件进行疲劳试验,并分别得出了S-N曲线。用扫描电镜对疲劳破坏后的断口进行观察,得出了不同腐蚀时间下的疲劳断裂机理。腐蚀介质对试件表面粗糙度的影响占据了疲劳寿命影响的最主要的因素,且随着应力的降低表面粗糙度对疲劳寿命的分散性影响逐渐增大。     

后浇UHTCC既有混凝土复合梁弯曲疲劳性能试验研究

为研究疲劳荷载作用下超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)对混凝土的增强作用,将UHTCC外浇层作为保护层,对既有着混凝土梁体一侧浇注UHTCC而制成的UHTCC/混凝土复合梁(UC复合梁)进行三点弯曲疲劳加载试验.实验结果表明:在疲劳荷载作用下,UC梁截面变形符合平截面假定;UHTCC层产生若干条可见裂缝,其数目随应力水平的下降而减少,混凝土层裂缝数目为1～3;复合梁随荷载循环的疲劳变形曲线表现出延性特征,呈现三阶段发展,变形能力随应力水平的下降而降低;在高周疲劳情况下,复合梁S-N双对数疲劳曲线线性良好.由此表明,利用超高韧性水泥基复合材料作为保护层能分散既有混凝土的表面裂缝,提高复合梁的变形能力和寿命.     

单侧压下混凝土受拉疲劳试验研究

首次对混凝土在侧压分别为0．25fc和0．50fc作用下进行了受拉疲劳试验,得到了S-N方程,应力应变曲线,应变、疲劳变形模量比与循环次数关系曲线．应变、疲劳变形模量比与循环次数关系曲线表现为三阶段规律,通过定义的对数线性变换把上述三阶段曲线转换为直线,并利用了应变与循环次数关系第二阶段稳定变化的规律,对疲劳寿命进行了预测．     

化学腐蚀对砂岩物理力学性质影响的试验研究

通过对不同水化学溶液浸泡后砂岩物理力学性质的试验研究,对比分析了溶液pH值、浓度及水化学成分对砂岩的腐蚀程度,初步探讨了砂岩试样的水化学腐蚀机理。试验结果表明:经化学腐蚀后砂岩的脆性减弱延性增强,而对砂岩侧向变形的影响规律并不明显;砂岩力学参数降低的劣化程度与溶液中溶出离子浓度的大小存在一定的对应关系,亦即溶液中溶出的离子浓度越高,砂岩力学参数降低程度越大;可以用砂岩的纵波波速来反映其内部孔隙率的变化情况,由于纵波波速的测试不会对砂岩产生损伤,因此可以对同一试样进行不同腐蚀作用时间的纵波波速测试,从而避免了岩石不均匀性所带来的误差。     

绿泥石片岩和云母石英片岩时间效应的试验研究

为研究岩石材料的时间效应,利用CSS-1950型岩石流变试验机,分别对绿泥石片岩和云母石英片岩进行压缩蠕变试验.基于试验结果,分析了蠕变对岩石荷载-变形关系的影响规律,研究了轴向变形随时间变化的基本趋势,论述了两种片岩在蠕变过程中的变形特性,并阐明了岩石的蠕变破裂形式及损伤机制.结果表明:岩石的蠕变特性与岩性、初始损伤密切相关;云母石英片岩的蠕变性好于绿泥石片岩.     

循环荷载下岩石疲劳寿命双因素模型实验研究

通过对花岗岩、白砂岩和大理岩的单轴压缩、恒幅和变幅循环荷载疲劳试验,建立了一种测定岩石疲劳寿命双因素实验模型.试验表明,变幅应力是影响疲劳寿命的关键因素;变幅应力的基础疲劳寿命比恒幅应力的降低16.9%～18%,临界应力比降低23.0%～28.23%.尽管岩石的试验数据离散性很大,但本实验模型对于测定岩石全应力曲线非稳态区内的疲劳寿命具有良好的适应性;与传统方法相比,它更准确,更符合实际;因此该模型对岩石基础工程的设计和现场监测具有实用价值.