论文部分内容阅读
随着我国国力的不断强大,对于工程的建设逐渐扩展到地质条件较差的区域,在施工和设施运行期间,承载工程上覆荷载的岩土体会遭受到各种应力,通常情况下,除了建筑物的静荷载以外,设施还会承受循环荷载,循环荷载会深刻的影响岩土体的稳定性并造成工程建筑的损坏、威胁人身安全。因此,循环荷载对岩石的影响的研究就显得尤为重要。同时,岩石损伤的变化是渐进且缓慢的,很难在宏观上被人察觉,特别是在涉危工程上对于岩石循环荷载下的损伤以及寿命的研究具有重要意义。本文通过对广东某核电项目取得的中等风化砂岩进行相似材料研究,得出满足原岩相似材料配比,利用该配比相似材料制成的试样在MTS815刚性力学试验机上进行不同循环条件下的力学试验,研究试样随不同循环频率、应力幅值以及应力上限的循环寿命、力学特征和变形规律,分析岩石破坏形态和损伤发育特点,对损伤曲线进行拟合并建立岩石剩余寿命预测流程。具体研究如下:(1)通过数据统计,原始中等风化砂岩的平均密度为2.33g/cm~3,平均抗压强度为22.36MPa,平均峰值应变为0.0085,通过正交试验,研究了最优相似材料配比方式为石英砂:重晶石:水泥:早强剂:水胶比例为2:1.4:1:0.03:0.21。(2)通过改变频率、应力上限和应力幅值等不同条件,对试样进行循环荷载试验,研究发现频率的增加会显著减少试样循环寿命,根据拟合结果频率与试样寿命呈线性负相关。试样寿命随着应力幅值的增加而减少。当应力上限未达到试样应力的门槛值时,试样的循环次数可无限增大,反之,当应力超过门槛值时,试样循环次数会因为应力的增大而明显减少。(3)岩石由于内部有裂隙和缺陷,应力和动应变对动力荷载的响应时间不同,会产生动应力和动应变的响应时间差,在应力-应变曲线上表现为循环荷载下的滞回曲线,其滞回曲线形态与轴向应变曲线形态发育趋势一致,滞回曲线的形态可划分为四个阶段,分别为初始压密阶段、稳定发展阶段、破坏失稳阶段和完全破坏阶段,试样环向变形和轴向变形量在循环前中期稳定上升,其中环向变形对比轴向变形增加较多。在试样由稳定发展阶段向破坏失稳阶段过渡时,环向应变较轴向应变先行发生较大增长,随后试样破坏,环向以及轴向增长发生突变。试样体积在循环前中期不断缩小,随着循环过程进行,体应变会经历一个转折点,从试样体积从缩小变为膨胀,此转折点时试样是否破坏失稳的重要判断点。不同循环条件下试样寿命离散性较大,但其极限应变较为稳定,可以通过极限应变进行岩石损伤和寿命预测。(4)不同频率下试样动弹性模量随着循环次数增加都有下降的趋势,但是其减少量较为接近,频率对动弹性模量减少速率影响较弱。而试样动弹性模量减少与应力幅值增大有关。若应力上限小于门槛值其动弹性模量会不断增大,而应力上限大于门槛值时,动弹性模量表现为下降趋势。建立试样循环荷载的PFC数值模拟,确立了模拟中等风化砂岩的PFC细观参数,并总结了颗粒运动方向矢量不同以及颗粒运动强度的差异导致了细观裂隙发育规律和裂隙的产生。(5)试样在循环荷载下损伤的发育规律在低应力上限、频率以及应力幅值下呈现三段S型曲线形态,分别对应了初期压密、损伤初扩展、中期损伤平稳发育以及后期损伤加速扩展时期。随着应力、频率和应力幅值的增大损伤曲线形态逐渐变为二段式,中后期曲线分界线渐渐融合,说明损伤发育速率随循环条件程度增加而增加。不同循环荷载条件下损伤曲线符合幂函数加指数函数加常数项的曲线形态,拟合函数与数据的相关性基本大于0.9,拟合函数能够很好表明数据发展趋势。(6)复合循环荷载下,试样在不同循环条件转折处损伤具有一定继承性,且分段损伤拟合函数与单一条件循环荷载损伤拟合函数相似,利用此特性结合最大残余应变法求损伤可以对复合循环试样剩余寿命做出较好的预测。