单轴循环加卸载作用下红砂岩变形损伤及能量演化

利用RYL-600型微机控制剪切流变仪对红砂岩试件开展低频率单轴循环加卸载试验,研究该条件下红砂岩的疲劳变形、损伤特性及能量演化规律.研究结果表明:1)该红砂岩应力上限疲劳破坏门槛值在75%～85%之间,且疲劳寿命随应力上限增加而急剧减少.2)低频单轴循环加卸载条件下红砂岩轴向变形呈现3个阶段,开始阶段应变量较小但增速很大,稳定阶段应变逐步缓慢增长,破坏阶段应变量和应变增速都快速增大;3个阶段中滞回环密集度呈现出典型的疏—密—疏特征,单个滞回环形状表现出"胖—瘦—胖"的发展规律,且其面积随应力上限增加而增大.3)损伤发展过程呈现起始阶段、稳定扩展阶段和加速破坏阶段的3阶段特征;应力上限越高,损伤发展越快;3个阶段中,循环次数占据疲劳寿命最小部分的加速破坏阶段产生绝大部分的损伤增量.4)弹性能随循环次数增加先增大后保持稳定,但临近破坏时因材料弹性减弱而减小;耗散能在循环开始时较大,然后随循环次数增加先减小而后趋于稳定,临近破坏时又急剧增大至近4倍,岩石破坏伴随耗散能的急剧增大.5)岩石内部应力调整反映在滞回环演化中,滞回环面积越大,单次塑性变形越大,损伤程度越高,能量耗散越严重.     

疲劳荷载对橡胶-钢纤维混凝土变形、能量及损伤性能的影响

为了探究橡胶-钢纤维混凝土(R-SFC)在疲劳荷载下的变形、能量以及损伤特性,本文利用电液伺服万能试验机对R-SFC进行静态压缩增幅循环加-卸载试验。结果表明:应力-应变曲线由密变疏,同时应力退化也逐渐增大;随着循环次数的增加,不闭合度呈现先减小后趋于稳定再增大的“三阶段”变化;加、卸载变形模量随着循环次数的增加而逐渐增大,且卸载变形模量小于相应的加载变形模量;加载应变、累积残余应变随着循环次数的增加而增大,且钢纤维混凝土(SFC)的加载应变和累积残余应变均大于R-SFC;总输入能速率、弹性应变能速率随着循环次数的增加而增大;随着循环次数的增加,耗散能先缓慢增大再迅速增大,且R-SFC的耗散能大于SFC;累积残余应变损伤和能量耗散损伤随着循环次数的增加而逐渐增大,且R-SFC的能量耗散损伤大于SFC,但R-SFC的累积残余应变损伤则小于SFC。     

单循环加载过程中砂岩能量演化规律

为进一步探究岩石损伤破坏机理,采用SANS材料试验系统对砂岩进行等加荷单循环加载试验,基于单循环加卸载过程中的应变滞后效应及残余应变的影响,对能量密度计算方法进行了修正。结果表明:修正后计算得到的耗散能要比常规计算方法要小,岩样的修正耗散能占常规方法计算的耗散能的1/5～9/10,随着循环加载次数的增多,修正耗散能的值愈来愈趋近于常规计算方法的值。由于耗散能引起岩石的内部损伤,导致残余应变随着循环加卸载次数增加而逐渐减小。试验过程中当循环次数接近6次时出现了塑性变形,岩样进入加速破坏的阶段,岩石单循环过程的能量耗散保持增大的趋势。岩体损伤情况是影响能量耗散的重要因素,整体的单循环能量耗散率与损伤变量趋势保持一致,研究结论可以揭示岩石在单循环加卸载作用下的力学特性及能量演化特征。     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤能量演化分析

水位升降对露天矿坑边坡岩石强度产生明显的弱化,因此,干湿循环对岩质边坡稳定性分析具有重要影响。通过不同干湿循环次数下的岩石单轴压缩试验,基于不可逆热力学损伤理论,分析外力总功、弹性能以及能量耗散之间的内在关系。实验表明:外部载荷对岩石所做总功,一部分转化为岩石弹性变形能,还有一部分以能量耗散的形式导致岩石发生不可逆的损伤。通过岩石室内试验,研究花岗岩力学性质变化规律,建立基于能量耗散原理的不同循环次数下花岗岩损伤演化方程。室内试验分析和理论研究表明,基于能量耗散原理建立的不同干湿循环效应下岩石损伤演化方程,可以较好地描述岩石的损伤演化。     

基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析

为了研究岩体的变形特征和能量特征与其所处应力状态之间的关系，开展了5种围压下花岗岩的三轴循环加卸载试验.基于应力-应变曲线，计算了循环加卸载过程中花岗岩的弹性模量和能量密度，分析了应力状态对弹性模量及能量演化规律的影响.研究结果表明：轴向弹性模量随围压的增大而增大，随轴向应力的增大先增大后减小.轴向弹性模量与最大、最小主应力呈现良好的二次函数关系.随着围压的增大，能量密度与弹性能占比(弹性能与输入总能量之比)均显著增大，岩石储能能力提高；随着轴向应力增大，弹性能占比先增大后减小.弹性能占比减小阶段即岩石损伤加剧阶段，围压的增加延长了岩石的损伤演化过程.最后讨论了应力状态、岩石力学参数及能量状态的关联性.     

基于声发射监测循环载荷下岩石损伤过程

应用声发射技术对循环载荷下岩石损伤过程进行了实验研究.基于加卸载响应比理论和损伤力学理论建立了循环载荷下岩石破坏过程中的内部损伤和声发射关系的数学模型,分析了循环加载方式下的岩石损伤演化过程和岩石失稳破坏的前兆.实验结果表明,岩石加载的声发射活动规律反映了其损伤过程;在循环加载条件下,随着载荷的增加,岩石在卸载过程中的损伤逐步增大,声发射数加卸载响应比Y值逐渐减小;对于大多数岩石试样而言,在其处于弹性变形后期时,声发射数加卸载响应比Y值达到(或接近)1并在小范围内波动,可以作为岩石失稳破坏的前兆,这对于循环载荷下岩石失稳破坏具有预测意义.     

等荷载循环加卸载下砂岩变形滞回环特性研究

通过对砂岩试件等荷载循环加卸载试验,探究了砂岩试件的变形特性及塑性滞回环演化特征。结果表明：加载终点与卸载终点应变值均随着循环数有所增加,每一次循环均产生了一定的塑性变形,后四次循环新产生的塑性变形远小于初始循环,且随着循环数增加变形呈逐渐减少的趋势,最终试件被逐步压实,呈现出应变硬化现象。依据滞回环位置指标,发现塑性滞回环随着循环数增加逐渐右移,滞回环面积大小与应变值相关,循环加卸载终点的应变值越大,滞回环面积则越大,滞回环面积随循环数增加逐渐增大。     

等荷载循环加卸载下砂岩变形滞回环特性

通过对砂岩试件等荷载循环加卸载试验,探究了砂岩试件的变形特性及塑性滞回环演化特征。结果表明:加载终点与卸载终点应变值均随着循环数有所增加,每一次循环均产生了一定的塑性变形,后四次循环新产生的塑性变形远小于初始循环,且随着循环数增加变形呈逐渐减少的趋势,最终试件被逐步压实,呈现出应变硬化现象。依据滞回环位置指标,发现塑性滞回环随着循环数增加逐渐右移,滞回环面积大小与应变值相关,循环加卸载终点的应变值越大,滞回环面积则越大,滞回环面积随循环数增加逐渐增大。     

预制裂纹盐岩单轴力学特性及能量机制试验

盐穴储气库在水溶造腔时会产生大量溶蚀裂纹,为研究裂纹对盐岩强度和变形等力学性能的影响,利用MTS-815岩石力学实验系统,对不同参数裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,采用对数应变对试验结果进行修正,分析了不同参数裂纹对盐岩的强度和变形的影响,并基于能量耗散理论分析其损伤破坏过程中的能量特征.结果表明:不同倾角裂纹降低了试样的峰值强度值,但降低量的多少与裂纹倾角大小未呈现明显的线性关系;不同长度的预制裂纹对盐岩峰值强度有明显的弱化作用,裂纹越长,弱化作用越大.外力做功产生的总应变能U绝大部分转化为耗散能Ud,小部分累积为可释放的弹性应变能Ue,导致盐岩内部产生损伤和塑性变形.破坏过程总能耗、耗散能、弹性应变能等,能量与应变关系曲线表现出明显的阶段特征;盐岩单轴压缩呈现压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段等4个阶段.     

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。     

循环加卸载下饱和岩石变形破坏的损伤与能量分析

以中关铁矿深部饱水闪长岩单轴循环加卸载的室内力学试验结果为基础,结合线弹性损伤力学理论,针对饱和岩石在单轴循环加卸载作用下的变形、损伤及能耗特性进行了研究.结果表明:每一级加载与卸载过程的应力-应变曲线均呈内凹形,随着循环次数及应力水平的增加,塑性滞回曲线向应变增大的方向移动,且应变中不可恢复的变形逐渐减小;轴向应变、横向应变和体应变的绝对损伤参数与累积损伤参数均随循环次数及应力水平的增大而增大,且三者的变化趋势基本一致;能量耗散值与循环的次数近似呈线性关系,后一循环的能耗不等于前几次循环能耗之和.     

单轴循环荷载对煤弹塑性和能量积聚耗散的影响

为了研究循环加载对煤岩弹塑性和能量积聚耗散的影响,对二2煤进行了单轴压缩循环加载实验,分析得出首次加载、卸载、再加载弹性模量呈正相关关系;随着循环数的增加,弹性应变会表现出倒"U"形变化,塑性应变表现出"U"形变化的规律,由应变引起的弹性模量E、弹性能量指数Wet和能量耗散率Wed都表现出倒"U"形变化的规律,首个平均弹性模量变化率η为30%,耗散的能量j sd呈"U"形变化,当弹性能量指数Wet达到最大值时,冲击现象最容易发生;分析出微裂纹的萌生传播速度随应力振幅的增加而增加,微塑性变形速度也随之增加,弹性能量指数在压密和线弹性阶段随加载程度的增加表现出先增加后减小的趋势,在"弹塑性临界点"达到最大值.     

循环加卸载下岩样变形与强度特征试验

基于在伺服试验机上对不同晶粒大理岩样进行单轴循环加卸载试验,研究了岩石的变形与强度特征.结果表明,岩石材料具有明显的记忆性,岩样循环加卸载过程的外包络线与单调加载的全程应力-应变曲线相吻合,加卸载路径不能完全重复,应力与应变之间不存在一一对应关系,岩样的线性变形并不意味着弹性变形;循环加卸载对岩石力学参数的影响不是很大,其偏差在正常离散范围以内;整个循环加卸载过程中,岩样的杨氏模量及能耗并非常数;弹性阶段加卸载的平均杨氏模量基本一致,能够表征岩石材料的变形特性,且在弹性阶段能耗较少,而在裂隙压密、屈服和破坏阶段耗能较多;软弱岩样在加卸载过程中需要消耗更多的能量.     

循环载荷下干燥及饱和砂岩的变形及声发射特征

对取自陕西榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥和饱和试件进行单轴循环加卸载试验及声发射监测,分析了不同含水状态岩石的强度以及变形特征、声发射特征和加卸载响应比变化情况.结果表明,水对上述性质具有显著影响:饱和试件强度和滞回环数量均低于干燥试件,压密阶段轴向应变比干燥试件增加18.9%,峰值强度前轴向应变比干燥试件降低17.4%,干燥和饱和试件在循环加载过程中弹性模量均有增大趋势;干燥试件在整个加卸载过程中声发射能量累积为3.87×10-11J,饱和试件声发射能量累积为2.58×10-11J,仅为干燥试件的66.67%;干燥和饱和试件的加卸载响应比呈现类似的变化规律,但饱和试件的加卸载响应比峰值特征时间比干燥试件短,宏观裂纹形成得更早.     

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。     

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.      

基于损伤力学的混凝土疲劳损伤模型

为了研究混凝土在疲劳荷载作用下力学性能不断劣化过程,从连续介质损伤力学的基本理论出发,根据混凝土的材料性能选定合理的耗散势函数,用残余应变来定义混凝土的损伤量,得到关于残余应变的损伤变量表达式;分析混凝土疲劳损伤的发展规律,选用合适的混凝土微塑性应变方程,推导混凝土在疲劳荷载下的损伤发展率,得到混凝土损伤变量与疲劳次数的关系,从而建立混凝土疲劳损伤模型;利用疲劳实验数据验证模型形式的正确性,并确定模型的参数;由此建立耦合损伤变量的混凝土本构关系模型,可用于疲劳荷载作用下混凝土的有限元分析.