不同加载速率下花岗岩和砂岩声发射特征研究

通过单轴压缩试验,研究了花岗岩和砂岩在不同加载速度（0.05、0.10、0.15 mm/min）时的应力发展规律、强度变化特征以及声发射时空变化特征。结果表明：随加载速度的提高,花岗岩和砂岩的应力-时间曲线发展特征均明显发生改变,从0.05 mm/min增加到0.10 mm/min时,岩石应力变化幅度较大。花岗岩的单轴抗压强度随着加载速度的提升先是快速增大后基本不变;砂岩的单轴抗压强度是随着加载速度的提升逐渐减小的。花岗岩的振铃计数随着加载速度的提高总体上是减小的,而砂岩的振铃计数随加载速度的提高是在减小的。累计振铃计数特征表现为花岗岩随加载速度是先增加后减小,砂岩是逐渐增大的,并且在0.15 mm/min时砂岩的累计振铃计数大于花岗岩。累计能量是随着加载速度提高而减小,砂岩的累计能量大于花岗岩。花岗岩的声发射事件数水平是随着加载速度提高在破坏前先减小,破坏时变化较小,频度在全过程是逐渐减小;砂岩的声发射事件数水平在破坏前是逐渐增大,破坏时则变化不大,频度在全过程是逐渐减小。     

基于室内模拟试验的公路隧道岩爆预测技术

声发射振铃计数及声发射b值可反映脆性岩石内部微裂纹演化及破坏过程,因此在高速公路隧道围岩体稳定性和岩爆的监测预警领域中得到广泛运用。通过钻取大冶某高速公路隧道工程内大理岩岩芯,进行单轴压缩声发射岩爆模拟试验,并对岩爆模拟试验全过程的声发射振铃计数及声发射b值演变特征进行研究,发现两者在试验的不同阶段特征明显,其中:声发射振铃计数平静期内表现出的"低值稀疏"现象以及声发射b值的"b值低谷"现象可作为岩爆灾害可能发生的特征参数;声发射振铃计数的"突增密集"现象及声发射b值的断崖式跌落现象可作为岩爆灾害即将发生的特征参数,可服务于高速公路隧道围岩体稳定性评价,以及岩爆等动力灾害预警预报。     

钢绞线拉伸过程中的声发射特征及其损伤演化模型

针对常规的无损检测方法不能够动态跟踪钢绞线的损伤演化过程,提出了采用声发射技术来监测钢绞线的损伤演化。利用钢绞线的拉伸试验,对其损伤全过程进行了声发射监测,得到了钢绞线拉伸损伤全过程的声发射特征信号:钢绞线在断裂之前,声发射特征参数并不明显,在接近断裂时,声发射信号迅速增大,并在屈服点附近出现一个大的突发信号。通过声发射机理分析,发现声发射累积能量可作为钢绞线损伤的特征参量,能动态分析钢绞线损伤演化过程和规律,较容易判断断丝的根数和发生的时刻。利用声发射累积能量的相对变化来定义钢绞线损伤因子,推导了用声发射特征参数表示钢绞线损伤演化方程,此方程可用威布尔累积分布函数来描述,并对其正确性与合理性给予了验证与分析。     

岩石损伤破坏过程声发射试验及其能量特征分析

声发射是岩石变形破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个本构参量.通过三轴应力条件下大尺度岩石损伤破坏声发射试验,得到了3类岩石破坏全过程力学特征和声发射特征.试验中利用高速多通道声发射数字记录系统,获得了岩石试件破坏前微破裂活动的详细时空分布数据.基于试验结果,研究了3类岩石(花岗岩、砂岩、大理岩)压缩变...     

不同含水率砼单轴压缩下声发射与分形维数试验研究

为研究水对砼破裂过程中声发射及分形规律的影响,选取养护30 d的C35砼,对干燥、自然、饱水条件下试件进行单轴压缩声发射试验,得到不同含水率下单轴压缩应力-应变曲线及声发射参数。结果表明,含水率的增加会使砼的塑性提高、强度降低;声发射参数可较好地反映岩石孔裂隙的产生过程,与岩石破坏过程中的内部细观结构演化规律具有直接关系;声发射计数随着含水率的增加呈下降趋势,水对岩样有软化、润滑作用,在裂纹产生过程中,水会削减剪切破坏、裂纹张开的激烈程度;不同含水率下试件的声发射计数的分形特征具有良好的相似性,其分形维数D呈现上升→突降→最大值→下降的特征。     

高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验

为了研究温度对砂岩力学性质的影响规律，对25～500℃区间内5种温度水平下的红色砂岩开展巴西劈裂试验。结果表明：根据抗拉强度变化情况将温度划分为3个区间（25～200、200～400、400～500℃），高温处理后的红色砂岩抗拉强度受温度影响而发生劣化，抗拉强度随着温度升高先缓慢减小而后下降速度加快，200℃是砂岩阈值温度；砂岩的劈裂破坏模式也由单一主裂纹破坏变为主裂纹和伴生裂纹破坏；声发射特征表现出较为显著的阶段性特征，大致经历声发射活跃期、微弱期、平静期。温度导致岩石内部矿物成分、晶体间隔、晶间水状态和结合离子键发生改变，是导致岩石发生热损伤的重要因素。     

循环荷载下微波照射玄武岩的损伤变形与能量特征

为研究微波处理对循环加卸载条件下岩石的损伤变形及能量特征的影响，分别对未进行微波处理和微波处理后的玄武岩试样进行单轴压缩试验和循环加卸载试验(循环4次，应力上限分别为相应单轴压缩峰值强度的4个等分点)，分析微波作用对循环荷载下玄武岩应力-应变曲线、强度、变形、损伤和能量特性的影响。结果表明： 1) 微波照射后试样的强度、峰值变形与微波照射时间呈负相关关系； 2) 由于微波的作用，加载的损伤随着循环次数增加呈现先减小、后增大的趋势，其中最后一次循环对试样造成的损伤最大，且微波照射时间越长，每次循环的应力上限越低，其损伤变量越小； 3) 微波照射后，每个循环过程中耗散的能量和外力功均随照射时间的增加呈递减趋势，试样破坏需要的能量随微波照射时间的增加而减小，微波照射降低了试样破坏的能量门槛。     

川西非饱和混合土土水特征曲线研究

川西地区地质构造和气候条件复杂,交通荷载和降水入渗经常会引发处于非饱和状态的混合土公路路基变形过大或滑坡破坏,非饱和土的工程性质主要与其吸力值紧密相关。为掌握川西非饱和混合土矿物成分与初始干密度对其土水特征曲线的影响规律,针对川西山区3种崩坡积混合土,采用滤纸法和压力板仪法相结合的试验方案,缩短试验时间,测得各自在不同初始干密度下的土水特征曲线,并通过微观特征来分析宏观现象,探究混合土特征因素的影响机理。试验结果表明:矿物成分对土水特征曲线有显著影响,亲水矿物含量越高,基质吸力越大且曲线走势越平缓;反之,含有较多石英矿物和较少黏粒时,基质吸力通常较低;在相同基质吸力条件下,干密度越大,土体含水量也越大;同时,干密度对土水特征曲线的影响程度随着含水量的减小而增大。最后,采用Van Genuchten(VG)模型拟合川西混合土土水特征曲线,其拟合参数与颗粒级配、非饱和程度相关,拟合曲线与试验曲线吻合较好。     

炭质泥岩渐进破坏过程的变形特性及损伤演化研究

为研究软岩渐进破坏过程的变形特性和损伤演化规律,通过对炭质泥岩开展不同围压的三轴压缩试验,分析了围压对炭质泥岩宏观力学特性的影响;并将损伤岩石细观模型概化为岩石颗粒、裂隙损伤和孔隙3个部分;根据岩石细观结构损伤机制,结合应力-应变曲线特征,分段建立了炭质泥岩损伤演化方程:压密阶段,以孔隙率为损伤变量,建立了考虑孔隙压缩...     

冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性,将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环,在围压为4 MPa条件下,采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验,试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征,轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大;根据蠕变曲线特征,将蠕变曲线分为2个阶段,即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段;利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程,建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程;基于损伤力学和概率统计理论,采用Von-misses屈服准则,建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程;通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正,建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大,但损伤增加速率减小,最终趋于稳定;冻融和蠕变耦合作用下,冻融作用使得岩石损伤累积,会加快岩石的蠕变破坏;分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律;改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好,且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。     

沥青面层模量的检测与损伤分析

为了合理分析沥青面层在重复荷载作用下的损伤发展过程，针对沥青面层进行了模量检测，采用沥青面层模量衰变量与沥青面层无损状态下模量的比值来反映损伤程度，并对该损伤随荷载作用次数的演化过程进行了分析研究。研究通过足尺加速加载试验来模拟重复的车辆荷载作用；采用落锤式弯沉仪（FWD）、便携式地震波路面分析仪（PSPA）和单轴压缩动态模量试验来获取非加载区沥青面层无损状态下的模量；采用PSPA来获得加载区沥青面层不同损伤状态下的模量；计算得到模量衰变量与无损状态下模量的比值；分析沥青面层的损伤演化过程，建立起沥青面层非线性损伤演化模型，对沥青面层各深度处损伤发展的快慢进行分析。研究结果表明：可利用S形模量主曲线将各试验所得的无损模量进行统一，现场检测手段获得的模量分析结果符合室内动态主曲线的预测结果；同时，损伤演化模型中的寿命因子可用于判断沥青面层损伤发展的快慢；对该参数进行归一化处理发现，轮迹带外边缘和轮隙中心在垂直于行车方向上的损伤随深度的增加而减缓，而在轮迹带其他位置和方向上，沥青层层中的损伤发展最快。借助所建立的非线性损伤演化模型，可为沥青层的损伤发展提供判断依据，并为优化养护时机和养护策略打下基础。     

UHPC微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制

为了在蒸汽环境中快速修复超高性能混凝土（UHPC）浇筑过程中产生的收缩裂纹和结构服役过程中产生的裂纹，加速UHPC结构刚度和抗渗性能的恢复，需要确定不同损伤程度的微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制。因此，选取拉伸变形（应变为1 000×10^-6，1 500×10^-6，2 000×10^-6）作为损伤指标，将损伤开裂后的UHPC试件分别放置在蒸汽环境中1，3，5 d，研究微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制。通过直接拉伸试验、气体渗透试验和声发射分析不同拉伸变形的UHPC试件在蒸汽环境中的自愈合行为。拉伸试验结果表明：放置在蒸汽环境中，预裂试件的弹性模量的恢复程度随着拉伸变形的增大而减小，但依然大于预裂至相同拉伸应变的未愈合试件（放置在室内环境中）的弹性模量。刚度恢复程度随着放置在蒸汽环境时间的增长而增大，但愈合到一定程度后，延长放置时间对愈合的效果不明显。采用气体渗透试验表征了微裂纹的愈合程度，结果表明蒸汽环境中的微裂纹能快速愈合，但随着拉伸变形的增加，自愈合的程度减小，表明拉伸变形越大，微裂纹越多，自愈合产物填充所需时间越长。声发射分析表明：UHPC内部发生损伤时才会产生声发射源，在重新加载阶段，对于已经愈合的微裂纹，在微裂纹的2个界面之间新形成的晶体会再次开裂，此时会检测到声发射源。然而，对于未愈合的微裂纹重新张开时，则不会产生声发射源，直至旧裂纹发展和新裂纹的产生才会产生声发射源。     

石膏角砾岩强度特性试验研究

对石膏角砾岩进行了常规三轴压缩试验,得到了石膏角砾岩的应力~应变关系曲线,研究了石膏角砾岩的强度和变形特性。结果表明,石膏角砾岩常规三轴压缩过程表现为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和应变软化阶段;不同围压对石膏角砾岩变形和强度有一定的影响;石膏角砾岩常规三轴压缩试验的破坏特征符合Hoek-Brown强度准则,即在子午平面上符合抛物线的强度关系。     

闪长岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟研究

采用微机控制伺服岩石三轴剪切流变试验机对闪长岩进行单轴压缩试验,利用RFPA分析系统模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下闪长岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。研究结果表明:闪长岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的36.6%、55.5%、75.6%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立闪长岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了闪长岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;针对闪长岩应力～应变曲线出现"阶梯式下降"现象,结合试样破坏前后对比分析,发现是由于初始试样中存在一条富含石英颗粒的斜面所导致,提出闪长岩单轴压缩下破坏模式为竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA模拟得到闪长岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的54.1%时,闪长岩内部出现微裂纹,当加载应力达到峰值应力的75.4%时,闪长岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致闪长岩的宏观破坏;通过试验和模拟对闪长岩的破坏强度、裂隙随应力变化规律、破坏模式方面进行相互印证,分析了单轴压缩下闪长岩的单轴压缩破坏过程。     

云湛高速公路(新阳段)高路堤沉降变形规律研究

为研究高路堤沉降变形规律,采用水准测量及全站仪坐标测量的方法,对云湛高速公路（新阳段）高路堤顶沉降、坡脚水平位移及隆起量进行监测,绘制了总位移（累计沉降量）-时间曲线,结合项目概况、施工进度及控制标准,分析填土高度对累计沉降量-时间曲线的影响。结果表明:①坡脚水平位移及沉降量随着填土高度的升高,变形呈线性上升;间歇期变形速率放缓;填土完成后变形速率减小,逐渐趋于稳定;②路堤顶沉降变形过程分加速期、放缓期及基本稳定期三个阶段。     

单轴压缩下溶隙灰岩声发射RA-AF特征及破裂模式研究

灰岩溶隙随其发育阶段呈现不同形状,溶隙形状将影响受力作用下的灰岩裂纹演化机制。利用单轴压缩试验下声学特征(RA-AF)对"裂隙"、"椭圆孔"、"类蘑菇孔"和"类哑铃孔"等4类溶隙形状的灰岩微裂纹演化机制进行了研究。根据单轴压缩试验的声学特征、力学特征,将声发射演化过程分为初始非线性段(Ⅰ)、类线性段(Ⅱ)、非线性阶梯状幂律段(Ⅲ)和峰值活跃段(Ⅳ)等4个阶段,通过分析RA-AF演化特征,以及基于二维高斯混合模型(GMM)的RA-AF值聚类分析,获得不同阶段的演化规律。研究结果表明:完整灰岩和溶隙灰岩随着加载的进行,RA和AF值均表现出明显的原点集中性;完整灰岩和"椭圆孔"灰岩的破坏模式以拉裂为主,"裂隙"灰岩是以剪切为主的拉剪混合破坏,"类蘑菇孔"灰岩是以拉裂为主的拉剪混合破坏,"类哑铃孔"灰岩则是先剪后拉的拉剪混合破坏;溶隙形状对微裂纹的形成产生较大影响,"裂隙"灰岩表现出极强的剪切性质;"椭圆孔"的剪切性质减弱,拉裂性质增强;"类蘑菇孔"的破坏受溶隙上下部的"菌伞"和"菌柄"控制,控制次序是先下后上;"类哑铃孔"则先由"菌伞"控制,再由整个溶隙孔控制,并且第Ⅲ阶段"菌基"出现抑制效应,这种抑制效应能够明显延长岩样的寿命。     

泡沫沥青冷再生混合料MMLS3试验轮辙曲线特征及影响机理

对泡沫沥青冷再生混合料进行常温条件下的MMLS3加速加载试验，研究泡沫沥青冷再生混合料的长期使用性能，探讨泡沫沥青冷再生混合料的车辙变深度、变形速率及横断面轮辙曲线特征，给出泡沫沥青冷再生混合料车辙深度随加载次数的变化趋势，并对不同加载次数下轮迹处MMLS3试件进行X-ray无损扫描，分析不同加载次数下泡沫沥青冷再生混合料的空隙率分布特征及粗集料运动规律，揭示泡沫沥青冷再生混合料的疲劳损伤规律。研究结果表明：对于未掺加水泥的泡沫沥青冷再生混合料试件，轮迹处车辙沿横断面分布呈U形；掺加1%~2.5%水泥后，泡沫沥青冷再生混合料试件横断面车辙分布呈W形，可采用车辙深度R_DD=AN^B预估不同加载次数N下的车辙深度发展规律；MMLS3加载试验过程中泡沫沥青冷再生混合料车辙发展规律可分为3个阶段，即压密阶段、蠕变稳定阶段、剪切破坏阶段；重复疲劳荷载作用下轮辙变形主要来源于泡沫沥青砂浆压密变形和集料受荷载作用产生的竖向位移及粗集料自身由不稳定状态转变为"平躺"状态所发生的水平转动位移，粗集料取向角随加载次数增大呈指数函数关系减小。     

环向预应力钢绞线加固RC拱肋力学性能试验

通过RC方柱偏压试验和RC拱肋面内受力全过程试验,对环向预应力钢绞线（LPSW）加固拱桥方法进行研究。对相对偏心距分别为0,0.25,0.5的3类RC方柱进行偏心受压试验,偏心试验表明：RC方柱加固后,预应力钢绞线先于箍筋约束混凝土,有效抑制了混凝土裂缝的纵向开展,预应力钢绞线及箍筋之间具有良好的变形协调性;LPSW加固柱承载力提高了3%～34%,LPSW加固技术适合于小偏心受压结构,偏心距越小,增强效果越明显。在偏压试验基础上,拓展了LPSW加固RC拱肋的模型试验,对LPSW加固模型拱荷载-挠度曲线、截面应变和结构破坏模式等方面进行分析。拱肋试验表明：LPSW拱肋受力过程和破坏模式与RC拱肋相似,分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段,最终因出现5个塑性铰形成机构而呈塑性破坏。由于环向预应力钢绞线约束,使RC拱肋提前处于3向受压应力状态,横向膨胀受到约束,避免拱肋出现拉应力,加固拱肋的初裂荷载、钢筋屈服荷载和极限荷载为未加固拱的2倍、1.6倍和1.47倍。基于偏压柱及拱肋试验结果,利用弹塑性失稳理论的等效梁柱法,建立LPSW加固拱肋极限承载力的计算公式,计算值与试验值吻合较好,且偏于安全,可用于评估实际加固拱桥的承载能力。     

基于D-P准则千枚岩变形破坏统计损伤本构模型研究

在分析岩石变形机理基础上，选用Drucker-Prager准则和推广的Lemaitre应变等价性原理，在统计损伤变形理论基础上考虑岩石初始损伤阈值，建立能表达绢云母千枚岩变形破坏全过程的统计损伤本构模型，对岩石三轴围压条件下应力-应变曲线进行拟合。引入损伤修正参数q对完全破坏阶段的变形过程进行修正，利用公式法代替传统比较法所得到的参数；修正后模型能更好地反映绢云母千枚岩处于完全破坏阶段变形特征，常规物理力学试验即可得到相应模型参数。探讨不同围压下分布参数对本构模型影响，验证该模型的准确性和可行性。     

不同轴拉性能的超高性能混凝土圆环约束收缩性能

开展2种不同轴拉性能（高应变强化型和应变软化型）的超高性能混凝土（UHPC）的圆环约束收缩性能研究。首先对高应变强化型UHPC及应变软化型UHPC进行单轴拉伸试验及声发射实时损伤定位试验，得到不同龄期时（2，7，28，80 d） UHPC的轴拉应力-应变曲线及其拉伸损伤演化机制。随后对2种UHPC进行圆环约束试验，得到UHPC内钢环的压缩应变-龄期曲线。最后基于高应变强化型UHPC及应变软化型UHPC的轴拉性能（应变强化与否）、抗拉强度发展规律及拉伸损伤演化机制，分析2种UHPC的圆环约束收缩机理。研究结果表明：高应变强化型UHPC的内钢环压缩应变-龄期曲线出现大量幅值小于10×10^-6的锯齿形波动，对应产生的微裂纹宽度小于0.01 mm，与裂缝测宽仪（精度为0.01 mm）在UHPC圆环试件上始终未检测到微裂纹的结论相一致；应变软化型UHPC的内钢环压缩应变随着龄期出现了4次较明显的瞬时突变（28×10^-6，53×10^-6，41×10^-6，18×10^-6），且裂缝测宽仪在UHPC表面检测到了4条微裂缝（0.035，0.050，0.040，0.020 mm），由于拉伸软化特性，后续在其他荷载作用下会导致裂缝持续扩展；高应变强化型UHPC的应变强化特性使其在约束状态下产生的拉应力以多点分布微裂纹（宽度小于0.01 mm）的形式逐步小幅释放，应变软化型UHPC在约束作用下产生的拉应力通过多缝开裂（宽度小于0.05 mm）的方式瞬时部分释放。