循环载荷条件下岩石塑性滞回环的演化规律

通过对循环载荷条件下细粒砂岩在不同载荷水平、不同位移速率时的变形特性及其塑性滞回环演化规律的分析发现：1）循环载荷条件下岩石的加、卸载曲线不重合,将形成一封闭的塑性滞回环,该塑性滞回环从第2循环起将趋于稳定;2）不同载荷水平和不同位移速率下第1循环时的各拟合参数值与第2循环相比存在有较大变化,但从第2循环曲线起,各拟合参数均将逐渐趋于恒定;3）随着位移速率和载荷水平的变化,其拟合参数将随之而发生变化;4）在相同位移速率和相同载荷水平条件下,同一次循环时岩石变形曲线的加载段与卸载段的相应拟合参数值不同.     

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。     

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。     

循环载荷作用下突出煤力学性质演化分析

以具有突出倾向煤制备的型煤试件为研究对象,对其在循环载荷作用下的力学性质及不同载荷水平时的滞回曲线演化规律进行了分析。结果表明：型煤试件在循环载荷作用下的加、卸载曲线将形成滞回环,且从第2个循环后,开始出现次级滞回环;随着循环次数的增加,滞回曲线围成面积逐渐减小;循环载荷水平的选取与煤样的变形响应程度密切相关;滞回曲线的加卸载段分别可以用二次曲线进行表征,随着加卸载次数的增加,各拟合参数变化规律性明显,但与载荷水平变化规律性不强;加卸载阶段各对应拟合参数的符号均相反。     

循环荷载下颗粒材料力学行为的离散元模拟

本文基于离散单元法,研究了轴压和围压共同作用下的压缩实验中循环荷载对颗粒材料力学行为的影响.在PFC2D中建立了离散颗粒模型,并开发了相应程序以实现其数值模拟,重点关注了循环荷载条件下颗粒材料组构各向异性、应力应变曲线及剪胀性的演化规律.数值结果表明,加载阶段垂直方向组构各向异性变化增强,卸载阶段水平方向组构各向异性增强,且随着循环次数的增加,水平方向组构各向异性变化强于垂直方向组构各向异性.循环过程产生的塑性滞回环的第1次与第2次循环有明显的差别,循环次数越多,滞回环区别越小,近乎重合.随着围压的增加,积应变增加,且体积应变-轴向应变曲线随循环次数的增加更快趋近于重合.     

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。     

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.     

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。     

高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化

为研究高应力循环加卸载作用下不同张开度对裂隙类岩体应力-应变曲线特征、滞回环面积和动弹性模量变化规律以及裂隙类岩体损伤特性的影响。基于RMT-150B岩石力学试验机开展了不同张开度和裂隙倾角下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验,获得高应力循环加卸载作用下裂隙类岩体力学性能。结果表明:高应力循环加卸载对类岩体峰值强度有“弱化”作用,“弱化”程度约为11%;以0.4 mm张开度为界限,小于0.4 mm的裂隙岩体滞回环面积随裂隙倾角增大呈先增大后减小规律,动弹性模量随裂隙倾角增大先减小后增大,大于0.4 mm时,滞回环面积和动弹性模量随裂隙倾角增大均呈递减趋势,且张开度增大,张拉裂纹萌生概率随之增加;绝对损伤参数随循环次数增加而增大,45°裂隙倾角涨幅最为显著。     

循环荷载作用下绿泥石千枚岩弹性模量演化规律试验研究

对取自四川西北部典型的绿泥石千枚岩进行常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同加载速率下的强度特征,研究循环加卸载条件下千枚岩弹性模量的演化规律。研究结果表明:千枚岩峰值强度表现出明显的速率依赖性,即峰值强度随加载速率的增加而增大;循环加卸载时,峰值强度表现出明显的"弱化"特征;随着循环次数增加,裂纹损伤强度阈值呈现先增大后降低的变化规律,这种变化不受加载速率的影响;千枚岩弹性模量的变化规律与加卸载路径的变化规律一致,呈现出有规律的"波浪形";单个滞回环内切线弹性模量随应力水平增加呈现出先增大后减小的趋势;在同一应力水平下,切线模量随循环次数增加呈现出增大—平缓—降低的变化规律。     

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.     

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.     

预应力钢锚管注浆锚索边坡加固力学特性

为解决传统预应力锚索在边坡支护应用中存在安全耐久性不足、加固效果有限等的问题,通过室内和现场试验研究了预应力钢锚管注浆锚索力学特性,开发了边坡复合加固方法。研究结果表明,锚索荷载-位移曲线的非线性变化特征更明显;钢锚管的加卸载刚度变化规律不一致,而锚索的加卸载刚度变化均表现为幂函数衰减的规律;钢锚管和锚索的弹性位移随荷载呈线性增长,而塑性位移随荷载呈增长幂函数变化。边坡现场工程试验结果显示,新型加固技术对于不同地质边坡均适用。对于完整地层,锚固结构受力时产生的变形较少且刚度变化不大,不可恢复变形小,边坡变形易达到稳定状态;对于破碎地层,裂隙增加了浆体渗透提高了其与岩土体的粘结强度,增加了锚固力,因而受力时变形大,刚度变化大,产生的不可恢复变形量大,相对于传统锚索支护,新型支护技术能够更好发挥不同结构间的协作。可见新加固方法可为类似工程边坡加固设计提供参考。     

不同分级循环加卸载模式下六边形蜂窝能量演化规律

为了阐明循环加卸载路径对六边形蜂窝能量演化的影响规律,设计了3种不同分级循环加卸载试验,揭示了不同分级循环加卸载模式下外界输入总能量、弹性变形能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及相互关系,研究结果表明：不同分级循环加卸载作用下,蜂窝的初始峰值强度和平台应力与卸载过程蜂窝弹性能的释放程度有关;3种不同分级循环加卸载模式下外界输入总能量、蜂窝的弹性变形能和塑性变形能随着加卸载梯级增大呈现非线性增加的趋势,耗散能在前三级循环作用下随着加载次数增加而减小,在最后一级循环中循环载荷上限较大,扰动效应强于强化效应,耗散能呈现相反趋势;提升循环载荷上限,蜂窝内部损伤增加,且越接近蜂窝初始峰值强度,蜂窝的损伤越严重;同时提升循环载荷下限,蜂窝弹性能释放较少,损伤加剧。     

岩体结构面三维循环加载本构关系

研究岩体结构面在循环加载条件下的三维力学性质。通过对二维数值模型合理推广,建立三维本构模型。法向加卸载本构为逐步硬化的双曲线函数。切向模型基于加载为双曲线函数、卸载为线性函数的本构方程建立,并引入剪切方向角描述三维切向接触特性。考虑峰值剪切现象,以切向塑性功为主要参数,建立峰值摩擦角和剪胀角的磨损方程。以初始剪胀角和残余剪胀角为主要参数建立剪胀方程。数值计算结果与试验曲线的对比表明,该模型体现了各向异性结构面的非线性受力变形特性、表面磨损和不均匀剪胀行为,能较好模拟三维循环加载本构关系。     

基于分子动力学的纳米压痕形变过程模拟

采用分子动力学方法模拟了金刚石压头压入Fe基体的纳米压痕全过程．研究了加载和卸载时基体的原子组态、载荷一位移曲线以及位错的发射和变化．分析了基体的塑性形变机理．发现压人深度为0．69nm时出现位错．随压入深度的增加位错长大成环,基体塑性形变加剧．卸载过程中位错环不断减小,当压头恢复到起始位置后,基体中心残留有位错环,产生了永久塑性形变,位错环的存在是基体产生永久塑性形变的关键因素．     

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.     

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。