全应力-应变过程（共3篇）
全应力-应变过程 篇1
岩体工程许多破坏直接与岩体中地下水的作用有关, 而地下水对工程岩体稳定性的影响是通过地下水对岩体介质的化学和力学两方面的作用, 前者使岩体性质恶化, 后者在岩体中产生附加荷载, 而这两类作用的特征和规律无不与岩体的渗透性有关。因此, 工程岩体渗透性研究愈来愈受到国内外工程地质、水文地质和岩体力学工作者的重视[1,2]。
全应力—应变过程渗透试验是目前研究变形岩体渗透性应用较多的试验方法, 对于处于一定应力状态的工程岩体, 其变形过程的渗透性变化比较复杂。工程岩体的结构和应力状态与其变形程度相关联, 岩体渗透性亦随岩体的变形而变化。很多学者从不同角度就变形岩体的渗透性与应力或应变的关系进行了实验研究或模拟分析[3]。研究岩体渗透性随其变形变化的规律, 对于探索岩体渗流问题具有十分重要的意义。
1 渗透试验
全应力—应变过程的瞬态渗透实验是在MTS815-02电伺服岩石试验机上进行的。该试验机是一台以模拟信号控制方式的大吨位材料试验机系统, 主要用于岩石和混凝土等非金属脆性材料的动、静态力学性能测试。
试验中的轴向加载采用位移控制模式, 先施加一定的轴压p1、围压p2和孔隙压p3 (注意保持p 3
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式中:A为数据采集行数;m= 526×10-6, 为试验参数;Δpw (i-1) 和Δpw (i) 为第i-1行和第i行渗透压差值。
煤系泥岩的全应力—应变的渗透试验, 其试验样品采用直径小于50 mm的标准试样, 用聚四氟乙烯热缩塑料薄膜密封, 防止渗透过程中油、水混合, 试样两端是多孔的透水板。实验条件:围压取3.0 MPa;渗透压差控制在1 500 kPa;孔隙压力3.8 MPa。试验获得共计8个试样的测试结果 (对每个试样测点取8~10个, 且以获得试样破坏前渗透性特征为重点, 并在渗透峰值后测取3个以上的渗透率值) 。试验结果见表1和图1。
2 岩石变形过程的渗透性特征
2.1 全应力—应变的渗透率特征
分析全应力—应变过程的渗透率曲线, 渗透率随着应力、应变的变化可以分为3个阶段:
1) 压密下降阶段。在这一阶段曲线上, 应变初始时, 岩样的渗透率维持在较低的水平;当应变开始增加时, 岩石渗透率出现略微下降[8,9]。这时岩样变形以压密为主, 其原始孔隙率会由于压密作用而降低, 有的裂隙甚至出现闭合, 从而导致渗透率略低于变形前, 出现岩样全应力—应变过程渗透率最低点。
2) 峰前增加阶段。在这一阶段曲线上, 随着轴向应力的逐渐增加, 岩石的渗透率也随之增加, 在岩石受到外荷载的作用下, 其内部结构在第一阶段之后出现了原孔隙的扩展。之后, 随着应力的慢慢增加, 岩石内部结构的孔隙扩展到一定程度, 孔隙连通, 在岩石内部出现破裂[10]。岩石的渗透率开始快速上升, 达到一定的压力, 渗透率达到峰值。破裂岩块沿断裂面产生错动和凹凸体的爬坡效应, 使宏观裂隙法向间距加大, 岩石的渗透率也达到峰值。
3) 峰后下降至稳定阶段。在岩石的渗透率达到峰值之后, 继续施加轴向应力, 随着破裂岩块变形的进一步发展, 凹凸体被剪断或磨损, 裂隙间距减小, 同时剪切与磨损产生的岩屑部分充填到裂隙间, 破裂岩石的渗透性下降。
2.2 应力—渗透率关系
目前进行工程岩体渗流问题评价多是将岩体的渗透率作为应力的函数描述。全应力—应变过程岩石的渗透性和应力随应变都不是单调变化的, 全应力—应变过程的应力—渗透率耦合关系是相当复杂的。然而, 由于渗透率、应力与应变表现出明显的函数关系, 在应力峰前阶段, 应力与渗透率是单值对应的。可以分别对峰值应力前后的渗透率与应力关系分段进行耦合, 从而降低耦合的难度, 并且保证二者耦合的连续性。
样品峰前应力—渗透率拟合曲线结果见图2。从峰前应力—渗透率拟合曲线的方程中归纳出渗透率 (y) 与应力 (x) 的函数关系式:
y=Ax4+Bx3+Cx2+Dx+E (2)
式中A, B, C, D, E是多项式中的参数。图2中2条拟合曲线参数及相关系数R2见表2。
从泥岩的拟合曲线可以看出, 在岩样屈服阶段以前, 裂隙由压密到原有的裂隙扩展以及产生新的裂隙, 随着应力开始增大, 岩样的渗透率先减小, 到最低点之后开始缓慢增加。岩样屈服阶段以后, 其内部的裂隙进一步扩展、连通, 开始出现裂缝, 渗透率开始急剧增大。在应力峰值时泥岩的渗透率并未达到最大值, 多数泥岩样品都是稍滞后于应力的峰值。说明煤系软岩的渗透率的峰值一般是在应力峰值之后。只有岩石破坏后变形进一步发展, 才会达到渗透率峰值。
应力峰值前拟合的曲线与实测曲线相关系数R2均接近于1, 说明两者的相关性好。通过应力—渗透率的拟合, 可以更深刻地描述岩石破裂的渗透规律。在应力峰前阶段, 归纳出渗透率 (y) 与应力 (x) 的函数关系式 (2) , 可以计算出在一定的压力下所对应的渗透率。
3 结论
1) 通过渗透试验得出应力—应变与渗透率—应变之间的关系, 反映岩石在破坏前后不同变形阶段的渗透性。该试验可以作为煤系软岩变形过程中渗透性特征研究的试验方法。
2) 随着轴向应力的逐渐增加, 所对应的渗透率变化可以分为压密下降、峰前增加、峰后下降至稳定3个阶段。
3) 根据应力和渗透率在应力峰值前的关系, 归纳出应力与渗透率回归方程。煤系软岩拟合效果较好, 可以更明显地看出渗透率随应力的变化过程, 并可根据在峰前阶段的应力, 通过回归方程估算出相应的渗透率。
参考文献
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全应力-应变过程 篇2
关键词：灰砂蒸压加气混凝土,应力—应变全曲线,试验研究
蒸压加气混凝土作为一种新型的绿色建筑材料, 具有质量轻、保温及隔热效果好, 易于加工处理等诸多优点, 一般用于非承重的结构。将其用于承重的结构体系, 使其良好的物理特性和承重能力合二为一, 可取得良好的经济效益。
蒸压加气混凝土轴心受压时的应力—应变关系反映了不同受力阶段内部结构的变化及破坏机理, 对进一步研究蒸压加气混凝土砌体的强度和变形提供重要的分析及试验依据, 对研究和改善加气混凝土的材性以及对设计施工都十分必要。本文以灰砂蒸压加气混凝土为研究对象, 通过试验对其进行了应力—应变全曲线的测定, 给出了上升段的曲线方程, 为研究蒸压加气混凝土承重砌体的变形性能提供了试验依据。
1 应力—应变全曲线的试验方法
为了进行应力应变关系的试验研究, 设计3组 (100×100×300) mm3的棱柱体试件。两组试件所采用的材料如表1所示。
试验前将试件表面打磨平整, 在每个试件的两个相对侧面的中间区段, 安装标距为100 mm的应变计, 以量测试件的纵向变形。在试件顶部布置量程为10 t的BHR-4型荷重传感器, 纵向应变和应力的信号分别通过一台YJR-5A型静态电阻应变仪进行读数, 试验过程中分级读数记录荷载值及变形值。试件安装时采用天津大学结构试验室特制的弹性元件与试件共同受力, 以量测应力—应变全曲线的下降段。试验在500 t液压式压力试验机上完成。
2 试验现象及结果分析
试验实测的应力—应变关系如图1, 图2所示[1]。
由图1, 图2的应力—应变全曲线对加气混凝土在不同应力阶段的变形性能进行分析。
1) 上升段——应力由0上升至最大应力。
在受力的初始阶段, 即应力较小 (σ≤ (0.5～0.8) σmax) 时, 应力应变关系接近直线变化。应力加大后, 应变增长略快, 应力应变曲线微凸, 但相比前一阶段, 斜率变化不大。当接近破坏 (σ=0.9σmax) 时, 塑性变形显著增大, 大部分试件出现竖向的劈裂裂缝, 也有斜向裂缝等, 曲线出现较大转折而后渐趋水平。达到最大应力 (σmax) 时, 试件开始破坏, 此时的应变称峰值应变。
2) 下降段——应力由最大值下降至残余强度值。
下降段曲线形状与试件的破坏过程及破坏形态密切相关, 实测中发现有以下两种破坏类型:
a.台阶式下降——多次劈裂破坏或局部剪切破坏 (如C3所示) 。
试件在最大应力下的劈裂裂缝相对较短且细, 试件的变形和荷载下降较小, 在曲线上形成一个台阶, 随后劈裂裂缝又不断发展, 曲线再次下降, 形成第二个台阶。另一种情形是试件端部发生局部剪坏, 由于斜剪切面较小, 可能导致试件发生几次集中的错动变形, 从而形成台阶式下降段。在矿渣砂加气混凝土砌块的变形试验中也出现了类似情况。
b.后平段——应力在残余强度上下波动。
下降段后试件的主要破裂面已经形成, 试件上的荷载由剪切面上的摩阻力, 或者由劈裂后形成的小柱继续支持着试件。变形不断发展, 而试件能够继续承载, 具有一定的残余强度。试件受力过程中摩擦变形不稳定, 会导致试件的荷载值随着变形发展而有所波动。有些试件甚至发生掉角, 小柱折断等局部破坏后, 仍然有相当大的残余强度, 如图2所示, 其值可达 (0.3～0.5) σmax。
加气混凝土后平段的变形量很大, 试验中所测得的最大应变超过了30×10-3, 变形仍然可以继续发展, 由于试验设备的限制, 没有能够继续获取下一阶段的变形。加气混凝土砌块之所以有这么大的后期变形主要是由于内部气孔的可压缩性和斜面摩擦变形都较大的缘故。清华大学所做的矿渣砂加气混凝土砌块的最大应变可达 (50～100) ×10-3。
虽然采用了弹性元件一起受力, 大部分试件在试验中仍然只测得了上升段, 这些试件在上升段都表现出了非常好的弹性性能, 加载过程中依稀能听到试件开裂的声音, 在接近最大应力时可以听到“砰”的一声, 在试件的中部, 产生一条竖向主裂缝, 很快即贯通试件全长。裂缝产生前试件基本上处于弹性阶段, 产生应力—应变曲线非常接近一条直线, 逐渐的当试件达到其最大应力值后, 试件所能承受的荷载不断降低, 此时变形不再增长反而减小。
另外需说明的是由于材料本身的差别较大, 导致试验结果的离散性也较大。
3 加气混凝土应力—应变上升段曲线方程
试验表明, 加气混凝土应力—应变上升段曲线宜用高次抛物线或指数方程来表示, 本文给出的曲线方程如下:
其中, σ为与应变ε相对应的应力;σmax为试件的最大应力值;ε1为峰值应变, 即相应最大应力 (σmax) 时的应变。
由图3可以看出计算值与试验值吻合程度较高, 计算应力值与试验值的最大偏差为0.016 1, 均方误差为0.027。
试验中所得到的加气混凝土的峰值应变的变化范围为:
ε1=1 748 με～2 983 με (2)
4 结语
1) 灰砂蒸压加气混凝土上升段表现出了良好的弹性, 塑性发展不明显且时间较短 (σ=0.9σmax才有比较明显的塑性变形) , 应力—应变曲线接近直线。外观微凸, 试验结果与公式吻合较好。2) 试验中所有砌块的峰值应变的变化在ε1=1 700 με～3 000 με范围内, 略大于矿渣砂加气混凝土ε1=1 400 με～2 100 με的峰值应变, 残余变形较大。3) 灰砂蒸压加气混凝土破坏呈明显的脆性, 虽然使用了特殊的仪器测量但是多数砌块仍然没有测到下降段的曲线, 破坏时裂缝的发展不充分, 多数砌块破坏时只有一条贯通裂缝。如果在使用中能够对其进行有效的侧向约束, 限制砌体破裂后小柱体的失稳, 使砌体处于三向应力状态, 则能够充分利用其强度大幅度改善其变形性能[2]。4) 部分砌块的破坏呈现出明显的分阶段破坏特点, 在应力—应变曲线上出现几个台阶, 每个台阶维持一定时间后出现集中的破坏。在矿渣砂加气混凝土砌块的变形试验中也出现了类似情况。残余强度较高。
参考文献
[1]刘雪梅.蒸压加气混凝土承重砌体力学性能试验研究[D].天津:天津大学, 2005:13-17.
全应力-应变过程 篇3
混凝土的轴心抗压是最重要的力学指标。它不仅是决定混凝土轴心抗压强度的唯一依据, 还是确定其他力学特性 (例如弹性模量、峰值应变、延性指标、破坏形态、变形等) 的特征和数值的最主要因素。混凝土应力-应变全曲线 (包括上升段和下降段部分) 是混凝土受压性能和指标的综合性宏观反应。曲线的几何形状和特征点反映了混凝土受压后的变形, 裂缝发展, 损伤积累和破坏等全过程中各个阶段的特性。
1 试验方案
1.1 测试方法
到目前为止, 进行混凝土应力应变全曲线试验研究的方法可以分为以下两大类[1]:
第一类:闭环电液伺服控制系统。
这种方法采用目前最先进的闭环电液伺服控制系统进行应力应变全曲线的试验。闭环电液伺服控制系统可分别以荷载和变形为自变控制量, 通过一套闭环反馈控制系统自动地在试验中实现精确控制。在测定混凝土应力应变曲线时, 采用常应变增量作为控制标准。
第二类:附加刚性元件。
这类方法的基本原理:在普通试验机上进行试验时, 将具有一定刚度的元件和试件并联在一起, 共同受力、变形, 用以提高试验装置的整体刚度。这类方法的优点是通过制作一些简单的设备元件, 利用现有设备, 较方便的获得稳定的混凝上应力-应变全曲线。
1.2 试验方案
以不掺粉煤灰的混凝土为基准组, 以掺入30%, 40%, 50%, 60%粉煤灰混凝土和磨细粉煤灰混凝土为对比组。在混凝土拌和物工作性符合要求的基础上, 制作标准试件, 成型并养护, 分别测定56d的混凝土棱柱体抗压强度及立方体受压应力应变全曲线。此试验中用F表示未经粉磨的粉煤灰混凝土, MF表示粉磨45分钟的粉煤灰混凝土, 用J0表示未掺粉煤灰的基准混凝土。
1.3 试验配合比选取
通过掺入原状粉煤灰 (I级) 和I级粉磨45分钟的粉煤灰, 不同的粉煤灰掺量下混凝土力学性能的对比, 以确定合适的粉煤灰掺量。
①初选水胶比为0.4;②为使试验结果具有可比性, 保持相同的水胶比、胶凝材料及混凝土配方的水量的前提下, 只改变粉煤灰的用量, 粉煤灰等量取代水泥的比例分别为30%, 40%, 50%以及60%;③试验中, 减水剂的量可以根据需要适当调整, 使混凝土的和易性良好, 拌合物不离析, 初始塌落度应控制在适宜泵送施工的范围, 即160~220mm的范围;④在保证混凝土性能要求条件下, 尽可能地提高粉煤灰取代水泥率, 降低生产成本。
1.4 试验仪器
①DHDAS动态信号采集分析系统:该仪器有八个测试通道, 可以接多种传感器, 可以对多种频率的信号进行动态采集, 它与计算机连接使用, 采集荷载和应变数据。将采集的数据实时的保存在计算机的硬盘上。②压力传感器及压力机。
2 实验结果
为确定粉煤灰混凝土的立方体和棱柱体抗压强度之间的关系, 并探讨粉煤灰掺量和细度对立方体抗压强度、峰值应变、弹性模量的影响, 共进行9组100mm×100mm×100mm的立方体试块和9组100mm×100mm×300mm的棱柱体试块的抗压试验。各试件的抗压结果如表3所示。试验中未磨粉煤灰混凝土用F表示;磨细粉煤灰混凝土用MF表示;R2表示水胶比为0.35 (其它未说明的均为0.4) ;棱柱体抗压强度用fc表示, 立方体抗压强度用fcu表示。
本文就有限的数据对粉煤灰混凝土应力-应变全曲线的数值表达式进行探讨。将根据试验结果将粉煤灰混凝土立方体受压的应力应变曲线加以简化以便应用。经回归分析, 得到掺磨细粉煤灰混凝土的应力-应变本构关系为:
其中:A=0.3764+0.021fcu+0.611F,
fcu立方体抗压强度, F粉煤灰掺量百分数。
3 结论
随着粉煤灰掺量的提高, 尽管上升段和峰值应变的变化不很显著, 但是下降段的形状有较大的差异。当I级粉煤灰掺量为30%时粉煤灰混凝土强度最高, 下降段的坡度变缓, 即应力下降相同幅度时变形较小, 延性较差;粉煤灰掺量达到50%时, 下降段的坡度最缓, 即应力下降相同幅度时变形最大, 延性最好;当掺量为60%时粉煤灰混凝土强度最低, 下降段的坡度最陡, 即应力下降相同幅度时变形最小, 延性最差。因此从强度角度考虑选用掺量为30%最好, 从变形角度考虑选用掺量为50%最好。
当I级磨细粉煤灰掺量为40%时粉煤灰混凝土强度最高, 下降段的坡度最缓, 即应力下降相同幅度时变形最大, 延性最好。当掺量为60%时粉煤灰混凝土强度最低, 下降段的坡度最陡, 即应力下降相同幅度时变形最小, 延性最差。因此从强度和变形两方面考虑选用掺量为40%最好。
由上面分析可见粉煤灰的加入改善了试件的破坏过程, 提高了试件的变形性能。
摘要：普通混凝土和高强混凝土的应力应变曲线, 国内外已开展了大量的研究。但有关掺磨细粉煤灰混凝土应力应变全曲线资料却不多见, 本文配合粉煤灰混凝土的推广应用, 对其单轴受压性能及应力应变关系进行试验研究, 同时给出了适用于不同强度等级掺磨细粉煤灰混凝土受压应力应变全曲线的统一数学表达式, 与试验曲线吻合较好, 可供进一步研究参考。
关键词：磨细粉煤灰,混凝土,应力应变,曲线,试验研究
参考文献
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