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。     

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。     

细粒砂岩在循环加、卸载条件下变形实验

通过对细粒砂岩在不同位移速率、不同载荷水平时循环加、卸载条件下变形的演化规律的实验研究发现,细粒砂岩在循环加、卸载条件下的卸载曲线与加载曲线不相重合,将形成一封闭的塑性滞回环,且该塑性滞回环从第2次循环起几乎不发生变化.同时还发现,从第2次循环起,每次循环加、卸载完成后所产生的残余位移量也几乎接近于零.另外,对实验结果的综合分析还发现,随着位移速率的增大,载荷-位移曲线的斜率有逐渐增加的趋势,随着载荷水平的提高,第1次循环加、卸载完成后所残余的位移量将有所增加.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.      

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.     

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.      

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.     

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。     

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(rubber-steel fiber concrete, R-SFC)在疲劳荷载下的变形、能量以及损伤特性,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,且卸载变形模量大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(steel fiber reinforced concrete, 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。     

循环荷载作用下海洋软土动力特性数值模拟研究

在海浪长期循环冲击的作用下,海洋土体材料的力学特性和变形机制往往与静荷载作用下的不同.基于典型海洋土物理及力学特性试验,运用离散元方法建立数值模型,标定土体细观参数,进行直接剪切数值试验和双轴压缩循环加卸载数值试验.研究结果表明:循环加载初期,试样的主要位移形式呈中心对称形态,最大位移发生在试样的4个棱角处,随着循环加载次数增加,试样的位移由竖向的中心轴线向两侧扩展;在循环单剪试验中,随着循环幅值的不断增大,滞回圈不断变大,塑性应变不断累积,在剪切位移只有1 mm时,能量损失较小,试样的变形基本属于弹性变形,随着剪切位移的增加,试样的塑性变形增加,能量损失增加;发生X型剪切破坏时,试样内部沿着120°方向的裂纹带发生错动,在低围压的情况下,试样X型剪切错动现象更显著,试样的剪胀效应更明显.随着围压增加,试样的剪切强度上升,试样的破坏应变减小.研究成果可为海洋软土力学特性研究提供参考.     

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。     

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.