白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

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。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力—应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

不同加载方式下含预制裂隙岩石力学特性及破坏规律试验研究

为探究不同加载方式下含裂隙岩石的力学特性和破坏规律,加工制备了5组裂隙角度的圆柱形花岗岩试样,采用万能材料试验机和改进的SHPB装置,分别进行了静态单轴压缩试验、常规冲击试验和动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录分析了试样的变形破裂过程.试验结果表明,各加载方式下含裂隙试样的强度、峰值应变和弹性模量均随裂隙角度的增大而增大.试样的单位体积吸收能和能量吸收率均随裂隙角度的增大呈先上升后下降的趋势,但同一裂隙角度试样在常规冲击条件下其值总要大于动静组合加载.裂隙角度和加载方式均会对含裂隙试样的裂纹扩展特征与破坏模式产生影响.     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力-应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

循环冲击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,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90 MPa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正好相反,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100 MPa、110 MPa、120 MPa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均在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。     

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。     

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。     

不同轴向静压下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性研究

为了研究在不同轴向静压条件下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿深部(900m)的矽卡岩试样进行动力冲击试验。试验结果表明:轴向静压对岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静压呈二次函数下降关系。随着冲击次数的增加,弹模整体呈下降趋势,不同轴向静压下,弹模随冲击次数表现出不同的变化特征;随着冲击次数的增加,峰值应力整体呈降低趋势,轴向静压对峰值应力的影响显著。不同轴向静压下,试样随冲击次数表现出不同的能量耗散规律,当轴向静压为75MPa时,试样出现了吸收能量的现象;当轴向静压为85 MPa和100 MPa时,试样在冲击作用下始终为释放能量,说明在高应力作用下,储存在试样内部的弹性应变能已经能够完全提供试样发生破坏所需要的能量,此时,岩石在动力扰动的诱导作用下极易发生破坏。这一现象为揭示深井开采过程中的岩爆发生机制提供了依据。     

轴向静荷载下受频繁动力冲击时软/硬岩力学特性试验研究

为了对比研究软岩和硬岩在轴向静荷载受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿的矽卡岩(硬岩)和大理岩(软岩)开展了动力冲击试验。试验结果表明:轴向静荷载对两种岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静荷载呈二次函数下降关系。大理岩和矽卡岩动态峰值应力均随冲击次数的增加而降低,矽卡岩动态峰值应力与冲击次数呈指数函数关系,大理岩动态峰值应力与冲击次数呈线性函数关系。随着冲击次数的增加,动态弹模整体呈下降趋势,矽卡岩在轴向静荷载为75 MPa和90 MPa时动态弹性模量呈现阶段性特征,并出现冲击疲劳期。大理岩动态弹性模量与矽卡岩在轴向静荷载为110 MPa时的变化规律一致。矽卡岩在75 MPa时,在冲击后期出现了吸收能量的现象,但在90 MPa和110 MPa时,整个冲击过程均为释放能量状态,而大理岩在冲击作用下均为吸收能量状态。     

煤岩组合体峰后渐进破坏特征与非线性模型

利用煤岩组合体的单轴和三轴压缩试验结果,基于轴向裂纹应变,分析了其峰后渐进破坏特征。在此基础上,通过将峰后阶段的煤岩组合体概念化为裂纹体和基体两部分,建立了考虑自然应变的裂纹体在峰后裂纹贯通阶段的本构模型,然后考虑基体的弹性变形,最终得到煤岩组合体峰后阶段的非线性应力-应变关系。实例验证表明,该模型能较好地反映煤岩组合体峰后应变软化行为和残余强度。对模型的2个参数进行分析,结果表明:轴向裂纹扩展应变极值在单轴压缩时取得最大值,围压存在时远小于最大值;等效非弹性柔度与轴向裂纹扩展应变极值存在负相关关系,与能量跌落系数大致存在线性相关关系,表明等效非弹性柔度可间接评价煤岩组合体峰后破坏的脆性程度;等效非弹性柔度比轴向裂纹扩展应变极值对煤岩组合体峰后破坏行为的影响更明显。     

不同冲击速度下岩石破坏能量规律的实验研究

对砂岩试件进行了动态霍普金森杆冲击破坏实验和静态加压破坏实验。对于动态冲击实验,得到了不同冲击速度下岩石试件破坏时的总吸收能、总耗散能和相对应的损伤变量。对于静态加压实验,得到了破坏时的总吸收能。并对两种实验条件下的破坏总吸收能进行了对比分析。实验结果表明,对于砂岩试件,若在单轴压缩下和动态冲击下得到同等程度的破坏,前者会比后者消耗更多的能量。     

冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。