冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理

为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明：不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。     

冻融循环和含水率对砂岩单轴抗压强度的影响

为研究冻融循环条件下含水率对深部砂岩强度的影响,采用WDT-100试验机进行了在不同含水率下砂岩经历0,3,6,10,20,40次冻融循环后的单轴抗压试验。试验结果表明:相同冻融循环次数下,随着含水率的增大,砂岩单轴抗压强度近似成线性减小的趋势,经历20次冻融循环后单轴强度减幅高达42%;相同含水率下,随着冻融循环次数的增多,砂岩单轴抗压强度呈幂函数减小的趋势,最后趋于稳定;通过定义单轴强度影响系数得出冻融循环次数是影响砂岩单轴抗压强度的主要因素,含水率为次要因素。     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积吸收能随冲击次数增加呈先缓慢增加后突然增加的趋势;在循环冲击荷载作用下,砂岩试样吸收能量的能力增强,随着冲击次数的不断增加,试样内部微裂纹分布增多且扩展速度加快,主要发生受拉破坏,沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性

通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验,探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果,首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律;其次进行能量分析,揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响;最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程,探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明,含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样,降低幅度与孔洞直径密切相关,随着孔洞直径的增加,含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势;在相同入射能量的条件下,随着孔径的增大,反射能量比增大,透射能量比减小,能量耗散率线性增大;随着孔径的增大,承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多,试件的破碎块数也增多,且碎块尺寸减小。     

不同应变率下冻融损伤大理岩的动态压缩特性研究

为研究不同自然条件下边坡岩石的动态力学性质受冻融循环的影响,对冻融处理后的寒区边坡大理岩在干燥、饱水和冻结条件下进行了一系列动态压缩试验.试验结果表明,相同的冻融循环次数和相同的冲击气压下,常温水对岩石有软化作用,低温冻结对岩石有强化作用,随着冻融循环次数增加,岩样状态对岩石强度的影响逐渐减弱,两种应力因子逐渐接近１;冻融循环对岩样动态强度的劣化作用集中在冻融前期,冻融循环后期岩样动态强度变化不大;随着冻融循环次数增加,岩样动态强度的应变率效应逐渐减弱,且冻融循环对应变率效应的弱化作用也集中在冻融前期.     

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

冻融作用对黄砂岩声发射特征影响的试验研究

为研究冻融作用对岩石孔隙率、抗压强度与声发射特征的影响规律,对在-20℃～20℃的温度区间经历40次冻融循环的黄砂岩开展冻融损伤后的单轴压缩力学和声发射试验。结果表明:黄砂岩在经历0～15次冻融循环过程中,孔隙率与冻融周期呈正相关,单次冻融使砂岩孔隙率增加0.07%～0.08%,超过15次冻融循环后,试件的孔隙率的增加速率逐渐降低并趋于0。黄砂岩抗压强度与冻融周期基本呈负相关,单次冻融使其抗压强度降低0.8%左右;声发射振铃累积数随冻融周期的增加而降低,但其降低速率与冻融周期数呈非线性关系,经历20次、40次冻融循环后,声发射振铃累积数分别较未经历冻融循环的岩石降低约50%和70%。研究成果可为寒区边坡岩体强度参数计算与稳定性分析提供参考。     

冻融循环作用下砂岩劣化试验研究

为从宏观与微观两方面研究砂岩在冻融循环作用下的劣化特征,选取内蒙古新乌苏矿区的青砂岩作为试验材料,并对３组试件分别进行１０次、３０次、４０次冻融循环试验,采用图像二值化和核磁共振的方法对试件的外观、质量变化率、孔隙变化率、核磁共振 T２谱进行分析.试验结果表明:随着冻融循环次数从１０次增加到４０次,试件外观劣化程度也随之加深;冻融循环次数越多,试件吸水量、质量变化率和孔隙变化率也随之增大,孔隙变化率最终趋于稳定;青砂岩孔隙是一种大小孔隙并存的状态,且随着冻融循环次数增加,青砂岩小孔隙数量减少,大孔隙数量显著增加.     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

含裂隙煤体能量耗散特征与冲击倾向性研究

冲击倾向性是煤岩体能否发生冲击地压的自然属性，裂隙的分布对其有重要影响。为研究煤体原始裂隙对能量耗散特征和冲击倾向性的影响机制，采用PFC2D数值模拟方法，对不同裂隙类型的煤体试件进行了单轴压缩测试。研究表明：(1)随着裂隙倾角的增大，宏观力学参数抗压强度和弹性模量均表现为先减小后增大的趋势；当裂隙倾角为30°时，两者都取得最小值。不同裂隙类型宏观力学参数大小关系为：非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。(2)弹性应变能和总应变能的变化规律与宏观力学参数相似。平行非共面的裂隙试件在裂隙之间形成了能量耗散结构，共面断续双裂隙试件裂隙之间形成了能量集中区，揭示了不同裂隙类型弹性能量大小关系的内在原因。(3)从煤岩体储存弹性能的能力和破坏后释放弹性能的能力2个角度对冲击倾向性进行分析，提出了弹性能储存率和弹性能释放率2个冲击倾向性指标。(4)随着裂隙倾角的增大，弹性能储存率和弹性能释放率均表现为先减小后增大的趋势；当裂隙倾角为30°时，两冲击倾向性指标都取得最小值。不同裂隙类型冲击倾向性大小关系为：非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。...     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

砂岩变形率与水理效应的力学特性研究

通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验,研究了砂岩抗压强度、 弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应,定义力学参数的强化和弱化 因子,建立考虑砂岩变形率和水理效应的一维本构模型并进行验证。 结果表明:① 干燥砂 岩的应力-应变曲线包括弹性、弱塑性和破裂三个阶段,饱水砂岩则出现较长压实阶段,同 时弹性阶段缩短,塑性阶段增长。 ② 加载速率对干燥和饱水砂岩的抗压强度均具有强化作 用,抗压强度的率效应强化因子随加载速率的增大而增大;水对砂岩抗压强度具有弱化作 用,且水理效应弱化因子随加载速率的增大而增大;随着加载速率的增大,干燥和饱水砂岩 抗压强度的差值逐渐减小。 ③ 加载速率对干燥和饱水砂岩的弹性模量均具有强化作用,且 随加载速率呈线性增大趋势;水对砂岩弹性模量具有弱化作用,不同加载速率下砂岩弹模 的弱化因子变化不大。 ④ 加载速率对砂岩峰后应变的影响较小,饱水砂岩的峰后应变远大 于干燥砂岩,峰后应变的水理强化因子对加载速率不敏感。 ⑤ 砂岩的声发射信号随着加载 速率的增大而增多;相对于干燥砂岩,饱水砂岩的声发射能量累积速度明显推迟,但能量累 积的总量增大3~5 倍。     

冻融循环作用下岩石能量演化及损伤本构研究

针对冻融循环作用对岩石变形及强度影响等问题,研究冻融循环作用下岩石能量演化机制与本构模型,主要研究内容包括:冻融循环作用下岩石强度损伤特征,随着循环次数的增加,岩石抗压强度及弹性模量呈现指数函数降低,抗压强度、弹性模量的最大降低幅度分别为53.31%、36.33%;冻融循环作用下岩石能量演化机制,随着循环次数的增加,岩石总能量逐渐降低,岩石能量耗散速率整体呈现增大趋势,意味着冻融循环对岩石内部结构产生损伤;基于损伤等效原理与Weibull分布理论,建立岩石损伤本构模型,对比试验曲线得到损伤本构模型能够较好地描述岩石变形特征,为类似本构模型的建立提供了有益思路。     

冻融循环和围压对岩石物理力学性质影响的试验研究

对饱和红砂岩进行开放系统下的冻融循环试验,记录红砂岩的冻融劣化过程及破坏特征;当试样经历0,5,10,20,40次冻融循环后,分别进行4种设定围压下的力学特性试验,分析了冻融循环和围压对岩石物理力学性质的影响规律。研究表明:红砂岩的冻融劣化模式主要为颗粒剥落、龟裂、脱落及断裂模式。随着冻融循环的进行,岩样的质量和密度呈现先增后减的趋势,而纵波波速持续减小;随着冻融循环次数和围压的增加,岩石的压缩性不断增强,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显,残余强度降低速率减慢,破坏形式由脆性转化为延性;而弹性模量、抗压强度及残余强度随着围压的增大不断增大,随着冻融循环次数的增大明显减小。岩石的细观结构经历损伤的非线性演化,显现出宏观力学特性的变化。     

冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。     

加载速率对岩石材料力学性质与能量演化特征的影响

为研究加载应变率对硬岩的力学性质与能量吸收、储存和耗散的影 响,本文对砂岩试样开展了不同应 变率下的单轴压缩试验,试验结果表明砂岩试样的峰值应力、峰值应变和弹 性模量均随着加载应变率的增大而增大, 但加载应变率对砂岩试样的单轴抗压强度影响显著。 研究了砂岩试验在不 同阶段变形过程中的能量吸收与耗散规 律,得到了砂岩试样在变形前期以弹性应变能的形式储存能量,同时又以损 伤演化等耗散能量,在变形后期以剧烈地 释放能量为主,且加载应变率越大,能量释放率越快。 研究结果表明能量耗 散是导致砂岩试样强度降低的本质原因, 基于能量耗散与裂纹损伤之间的内在联系,得到了加载应变率越大砂岩试样 的损伤应力比、损伤应变与损伤应力也 越大。 从能量吸收与耗散的角度研究硬岩损伤破裂规律,可从本质上揭示 硬岩在外荷载作用下的变形破坏机制,可 为实际工程提供参考。     

循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,本文采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律。研究结果表明,以90MPa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则先减小后增大,第一次冲击有助于提高红砂岩的抗压强度;随着入射幅值的增大,当以100MPa、110MPa、120MPa入射应力冲击时,动态强度、变形模量和循环次数逐渐减小,最大应变和平均应变率逐渐增大。基于Weibull分布的损伤模型可以反映此材料的损伤演化特性,累积损伤随着冲击次数的增加而增大,累积单位体积吸收能与累积损伤规律具有较好的一致性,岩样出现失稳破坏为大块时的累积损伤值在0.8左右,没有明显的变化。研究结果为矿山岩体安全防护及正确评价岩石稳定性提供理论依据。     

考虑细观特征的红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散

从细观角度深入探讨岩石动态力学特性,是理解岩石爆破破碎机理的方式之一。采用分离式霍普金森压杆对围压作用下的红砂岩试件进行动态加载,以孔隙率变化表征细观特征,基于能量耗散指标研究了红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散。结果表明：冲击次数总体趋势是随着气压的增加逐渐减少,试件破碎前能量耗散增加,并没有明显的回弹;在第3次冲击或第4次冲击时,动态特性存在差异;在初始冲击中,孔隙度由中孔、大孔闭合到微孔,随着冲击载荷的增加,微孔孔隙度差值的峰值向后移动。