岩石变形破坏过程中的能量传递和耗散研究

岩石变形破坏的过程是和外界产生能量交换的过程。从理论上分析了用能量方法研究岩石破坏问题的合理性,以及岩石在变形过程中弹性能、塑性能、表面能、辐射能、动能之间相互转化的过程、计算原理、以及对岩石破坏所起的不同作用。并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中岩石能量耗散与释放问题。在宏观上,岩石变形前期以弹性应变能的方式存储外界提供的能量,同时又通过损伤演化等向外界耗散能量;变形的后期以剧烈的能量释放为主。微观上,存在多种引起岩石应变硬化和应变软化的机制,岩石存储能量还是向外界释放能量取决于这些微观机制竞争的最后结果,基于此推导了岩石变形中能量的传递方程,用试验研究了能量的转化和平衡,以及耗散能和释放能之间的比例关系。结果表明能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放是造成岩石灾变破坏的真正原因。从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以从本质上把握岩石变形和破坏的物理机理,寻找岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考。     

典型浇注PBX炸药的准静态压缩力学行为

采用定应变压缩试验研究了准静态压缩条件下浇注PBX炸药(浇注型高聚物黏结炸药)的力学行为,测试了典型浇注炸药PBX-1在损伤前、后的性能,获得了炸药的真应力-应变曲线。试验结果表明,浇注PBX炸药在准静态压缩条件下的力学行为分为接触压缩、弹性变形、损伤破坏和应变软化4个阶段。在压缩应变不超过损伤应变时,PBX-1炸药主要以弹性变形为主,屈服强度和屈服应变没有发生明显改变;在压缩应变超过损伤应变后,炸药中黏结剂断裂,颗粒脱黏,发生塑性变形。压缩应变增加至8%后,PBX-1炸药密度降低,残余应变增大;PBX-1炸药的屈服强度为0.6 MPa,屈服应变为10.6%,损伤应变为8%,炸药的损伤应变可以作为强度校核的依据。     

高地应力下硬岩爆破破岩特性及能量分布研究

为研究高地应力下爆破荷载和动态卸载效应对破岩效果和损伤破坏范围的影响,在理论上分析了在爆破荷载和动态卸载作用下裂隙区和弹性区岩石应力分布和破裂特征。基于断裂力学和可释放应变能的岩石损伤破坏准则计算了岩石破碎块度d和岩石损伤破坏范围Rd。计算结果表明,当初始地应力达到50 MPa以上,炮孔半径为42 mm,2号岩石改性铵油炸药耦合装药起爆后原岩中积聚的弹性应变能释放后可以达到裂隙区破碎能的16%以上。高地应力卸载后在爆腔腔壁将产生一个径向拉应力,在裂隙区边缘拉应力为2 MPa,最大拉伸位移为0.24 mm,在弹性区由于卸载径向拉伸应力的作用促使其聚积的应变能沿径向释放,使弹性区形成新的损伤破坏,损伤破坏区厚度为0.03 m。随着爆腔半径和裂隙区半径的增大,动态卸载释放的能量和损伤破坏区的厚度也将随之增大。     

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

为研究岩石在中低速冲击下的动力特性,利用MTS和落锤冲击试验系统进行了红砂岩准静态和动态单轴压缩试验,获得了10-2-101.7 s-1应变率范围砂岩全应力-应变曲线。结果表明,中低应变率加载条件下,砂岩经历典型压密、弹性变形、非稳定裂纹发展至脆性破裂后阶段。随着加载应变率的提高,砂岩峰值应力及其对应应变、残余应变均逐步增加,破坏模式则由X状共轭剪切破坏转变为劈裂破坏;动态强度增长遵循热活化和宏观黏性机制联合作用规律;中低应变率下岩石的吸收总能量和弹性应变能随变形演化规律基本一致,且弹性应变能和较耗散应变能的应变率效应更为显著。     

不同应力路径下辉绿岩能量演化与破坏机制研究EI北大核心CSCD

以灵宝矿区辉绿岩为研究对象,开展了单轴及三轴循环加卸载试验和恒轴压卸围压试验,分析了应力-应变曲线及破坏形态,研究了辉绿岩在不同应力路径下的能量演化过程与破坏机制。研究表明:在三轴循环加卸载变形破坏过程中,随着循环次数的增加,滞回环的面积逐渐增大,岩样耗散能与弹性能均增大,耗散能的增长速率逐渐变大,弹性能的增长速率逐渐变小,且围压越大耗能比越大,岩样内部的裂隙扩展和汇合现象显著增加;在恒轴压卸围压变形破坏过程中,围压对辉绿岩的抗压强度和横向变形影响较大;在相同初始围压下,相比较循环加卸载应力路径,卸围压应力路径下试件破坏时弹性能密度更大。     

饱水石灰岩冲击过程中能量耗散特性

喀斯特地貌地区地下空间的建设普遍受地下水影响,岩石的含水情况严重影响岩石的力学特性,与地下工程建设及爆破的安全性息息相关。利用Φ50 mm分离式霍普金森杆装置(SHPB)分别对含水处理后的饱水石灰岩和自然状态下的自然石灰岩(50 mm×30 mm的圆柱岩样)采取动态加载试验。研究结果表明：动态冲击中,自然条件岩样的应力集中破坏以原生裂纹端部为主,饱水岩样内部自由水将原生裂纹端部充填,阻碍岩样裂纹扩展,导致饱水岩样的应力集中现象弱化,损伤破坏需耗散更多的能量;不同环境下的两种岩样耗散能随时间均呈稳定的“S”形发育,其耗散能随冲击气压增大而增大,轴压增加时,相同冲击气压能量耗散相对较少;岩样吸收入射能与破碎耗能密度呈线性关系,岩样吸收水后虽体积增大,但其能量利用率亦远高于自然条件下的岩样;自然岩裂纹扩展系数增长速率大于饱水岩,随应变率增大,自然岩裂纹扩展系数加大,破坏更明显。     

分级循环加卸载下砂岩损伤力学特性研究

通过选取陕西省略阳市某滑坡表层的中风化砂岩进行静态单轴压缩试验与三轴循环加卸载试验,研究低围压循环加卸载条件下岩石的损伤力学特性,得到力学参数、损伤参数、滞回环面积等随循环过程的演化规律及循环荷载作用下砂岩的变形破坏机制。结果表明：循环加卸载试验过程中,围压增强砂岩抵抗变形破坏能力,随着围压增大,动弹性模量明显增大而动泊松比逐渐降低,砂岩试样内凹现象逐渐“模糊”;滞回环面积受围压与轴向载荷影响明显,与围压变化呈负相关,与轴向载荷变化呈正相关,轴向载荷增大时,不可逆应变逐渐累积,砂岩损伤加剧;砂岩内部原始裂隙在初始较低循环荷载作用下压密,后过渡到弹性变形与裂纹稳定扩展阶段,随着试验进行,裂纹加速演化不稳定扩张,岩样逐渐变形失稳破坏。     

二维C/SiC复合材料在冲击拉伸下的损伤过程

利用分离式霍普金森拉杆实验装置(SHTB)和超高速照相机,对二维C/SiC复合材料进行了冲击拉伸力学性能实验研究,同时结合其宏观力学行为,分析了在冲击拉伸载荷作用下的损伤破坏过程。结果表明:材料的应力-应变曲线呈明显的非线性特征,其内部损伤破坏和裂纹扩展过程分为四个阶段:损伤积累于第一阶段,裂纹起源于第二阶段,屈服失效于第三个阶段,快速扩展于第四个阶段。     

冲击载荷下不同尺寸煤岩动力学分析及损伤特性研究

为探究冲击载荷作用下不同尺寸煤岩的动态力学及损伤特性，利用分离式霍普金森压杆系统对直径50 mm长度分别为15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm和50 mm的煤岩开展了冲击压缩试验，通过分析应力-应变曲线特征得出应变率、峰值应力和动态弹模随尺寸变化的关系，并基于能量耗散规律提出煤岩受载全过程动态损伤指标K,同时与Weibull分布结合D-P准则得出的损伤变量D_w进行对比，探究不同尺寸煤岩的动态损伤特性。结果表明：不同尺寸煤岩的动态应力-应变曲线包含弹性、塑性和塑性软化3个阶段。随煤岩尺寸的增加，应变率和峰值应力呈减小趋势，动态模量为线性增加；动态损伤指标K是煤岩弹性阶段结束后的瞬时破碎耗能与完全破坏时对应总破碎耗能的比值；动态损伤指标与损伤变量的曲线形态具有相似性，变化趋势具有一致性，表明了K的合理性。指标K的最大损伤值更稳定、更符合破坏状态假设，说明了其具有一定的适用性。     

冲击作用下含水煤样能量吸收和耗散规律及本构关系研究

煤层注水是综放开采回采巷道预防冲击地压的主要措施之一。为了研究含水煤样动态力学性质和力学参数,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水率的圆柱形煤样进行单轴冲击压缩试验,研究含水率和冲击速度对煤样动态应力-应变曲线、动态力学参数以及耗散能变化规律的影响。研究结果表明：(1)煤样动态力学参数与冲击速度和含水率有关。当煤样含水率一定时煤样动态抗压强度、动态弹性模量与冲击速度成正相关;而冲击速度一定时煤样动态抗压强度、动态弹性模量与含水率成负相关;(2)在冲击过程中煤样的损伤耗散能直接反映煤样中微裂隙发育程度,随着冲击时间的增加,煤样损伤耗散能增大,煤样坍塌破坏时损伤耗散能达到最大值。当含水率一定时煤样破坏耗散能与冲击速度成正相关;而冲击速度一定时煤样破坏耗散能与含水率成负相关;(3)损伤因子定义为煤样损伤耗散能与破坏耗散能的比率。基于煤样单轴冲击压缩试验结果,建立了煤样损伤体-黏弹性本构模型和本构关系,对不同含水率煤样动态应力-应变试验曲线进行理论拟合,理论拟合曲线与试验曲线拟合度高,因此理论曲线可用来表示单轴冲击压缩煤样的应力-应变关系。研究结论为冲击地压矿井深孔煤层注水预防冲击...     

基于纤维解离水曲柳压缩解离特征与能量耗散机制研究

目的 以水曲柳为研究对象,研究高应变率压缩载荷作用下水曲柳试件的解离特征和能量耗散机制。方法 利用压缩加载试验分析应变率、加载方向对受载水曲柳的形态特征影响和动力学特性,并利用弹塑性基本原理分析其受压解离的能量耗散机制。结果 解离后径向加载试件主要呈火柴棍状,弦向加载试件主要呈片状,轴向加载试件主要呈不规则块状,试件的解离程度随应变率的增大而增大;当应变率在400~1 000 s⁻¹时,水曲柳试件的应力-应变曲线由弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段两部分组成;水曲柳试件的屈服强度随应变率的增大而增大,当应变率从400 s⁻¹增加到1 000 s⁻¹时,径向、弦向和轴向加载试件的屈服强度分别增加了0.45倍、1.34倍和0.71倍;木材原料沿径、弦向解离时主要依靠木材细胞的压缩变形来耗散能量,沿轴向解离时主要依靠木材细胞纵向结构的弯曲来耗散能量。结论 弦向最易解离,轴向最难解离;水曲柳是一种应变率敏感材料;木材原料径、弦向解离主要依靠压缩变形来耗散能量,轴向解离主要依靠弯曲变形来耗散能量,木材原料解离能够耗散能量的多少主要受加载方向、木材细胞的结构尺寸和力学性能的影响。     

基于弹塑性耗能差率的地震损伤评估模型及分析方法

针对现有地震损伤模型的不足,从能量耗散角度认为损伤的形式和程度与结构理想弹性变形能和实际弹塑性变形能之间的差异相关,可以用该差值的变化率表征损伤演变。从静力和动力耗能角度分别阐述地震损伤模型的力学机理和计算方法,提出了利用多次弹塑性动力时程分析方法计算理想弹性变形能、整体屈服初始时刻,进而获得结构损伤演变过程的方法。通过对比各种损伤模型特性和不足,论证该模型的优越性,并进而定义结构不同破坏等级的损伤性能目标。最后,通过钢筋混凝土剪力墙及框架结构静动力弹塑性分析验证了该能量损伤模型的准确性、全面性和实用性。     

冲击载荷作用下砂岩破坏及能量耗变率效应的数值模拟研究

基于HJC动态本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA对砂岩SHPB试验进行了数值模拟研究,通过砂岩基本力学参量确定了HJC模型中各参数。数值模拟结果表明:不同应变率下,数值模拟所得到的砂岩破坏程度与破坏方式与实验情况基本一致,随着应变率的增加,砂岩破坏程度逐渐增加,破坏方式主要以拉破坏为主;不同应变率下,砂岩破坏都是从边缘向内部扩展,破坏初期在试样中心都出现完整的柱芯,但是高应变率下砂岩破坏速度更快;对砂岩破坏过程中的能量耗散特征进行了分析,随着应变率的增加,试样破坏过程中耗散能量呈线性增长。数值模拟结果与现有试验结果有较好的吻合,能够作为高应变率下岩石力学特性及能量耗散等研究的方式。     

基于能量转化原理的地铁板式轨道自密实混凝土本构行为

为了掌握地铁板式轨道充填层自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC)在车辆荷载作用下的本构行为,通过对SCC进行单轴抗压试验,研究了不同应变率、橡胶掺量和尺寸对力学性能和能量演化规律的影响,建立了SCC的本构模型。结果表明：峰值应力的应变率敏感系数绝对值最大,弹性模量次之,峰值应变最小;橡胶延缓了能量的早期增长,而在峰值应力之后,橡胶则阻碍了弹性应变能的耗散,延长了总应变能和耗散能的快速增长;应变率越大,总应变能和耗散能增长越快,弹性应变能在峰值应力前的积累速率越快,峰值应力后的释放速率越快;建立的本构模型可以用于描述SCC在不同应变率条件下的应力-应变关系。     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

加载速率对单晶γ-TiAl裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究微观尺度下单晶γ-TiAl裂纹的扩展过程,运用嵌入原子势进行模拟,得到裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,比较分析不同加载速率对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示对裂纹扩展的影响。研究表明:随着加载速率的增大,体系的原子运动加剧,总能量上升到峰值的剧烈程度增加,试件断裂的时间缩短,所需的应变越小,而裂纹扩展的形态没有变化;总能量随时间的演化曲线只出现一个峰值。应力-应变曲线中只有弹性阶段,没有塑性阶段,加载速率对拉升过程的弹性变形机理没有影响。     

水泥砂浆固化粉质黏土分离式Hopkinson压杆试验与分析

为研究掺砂量（与干土的质量比）对水泥粉质黏土冲击压缩强度及能量吸收特征的影响,采用Φ 50 mm分离式Hopkinson压杆（Split Hopkinson pressure bar,SHPB）试验装置对不同掺砂量的水泥粉质黏土进行了0.4 MPa冲击气压下的冲击压缩试验。结果表明：普通水泥粉质黏土（未掺砂）动态应力-应变曲线大致分为弹性阶段、屈服硬化阶段及破坏阶段,而随着掺砂量的逐渐增加,水泥砂浆固化粉质黏土动态应力-应变曲线中屈服阶段愈加不明显,出现了理想的塑性阶段;水泥砂浆固化粉质黏土的冲击压缩强度随掺砂量的增大而先增大后减小,在掺砂量为10%时达到最大平均动强度9.56 MPa,较普通水泥土强度提高9.79%;水泥砂浆固化粉质黏土的吸收能随冲击压缩强度的增大而增大,两者具有较好的指数关系。     

刚玉空心球混凝土动态特性实验研究

采用100 mm分离式Hopkinson压杆试验装置研究了刚玉空心球混凝土(HCBC)和素混凝土(PC)在不同应变率下的冲击压缩性能,动态抗压强度和临界应变与应变率之间的关系;以材料本构能的耗散定义损伤变量,分析了HCBC和PC的动态损伤演化规律。结果表明,应力-应变曲线表现出明显的三个阶段:弹性区,平台区和致密区,HCBC的三阶段效应比PC更加明显,表明HCBC脆性小,韧性大;这两种混凝土的动态抗压强度和临界应变与应变率成线性关系,并给出了经验公式,表明HCBC是一种率相关的增强增韧材料;HCBC和PC的损伤发展可以归纳为三个阶段:损伤未发展,损伤稳定发展和损伤不稳地发展;损伤应力槛值和损伤槛值与应变率变化关系不大,损伤应力最大阀值和损伤最大阀值随应变率增大而增大,而且HCBC的损伤应力槛值低于PC的,表明HCBC的韧性较好。这为HCBC作为军事防护工程分配层的填充材料提供了理论指导。     

再生混凝土与钢筋粘结滑移性能的试验研究及力学分析

良好的粘结性能是确保再生混凝土与钢筋能够共同工作的前提条件。通过120个试件的拉拔试验,并结合非平衡态热力学与损伤力学的相关理论分析再生混凝土与钢筋间的粘结滑移性能。提出三段式的粘结滑移本构模型,对比表明该模型对实测粘结滑移曲线具有较好的模拟效果。分析了粘结破坏过程中的能量守恒与能量耗散特性,给出了耗散能与弹性变形能代表值的计算公式,探讨了初始弹性变形能与极限弹性变形能的关系,并基于本构破坏能,对影响粘结性能的因素进行了分析。提出相对损伤变量的概念,定义了界面相对损伤变量,推导出相对损伤滑移方程,分析了界面初始损伤、界面损伤发展阶段以及界面损伤的发展速度。研究结果可为推广应用钢筋再生混凝土结构提供基础研究资料。     

动载下磁铁矿石的动力学特性及破坏模式分析

针对磁铁矿石在采选和破碎过程中耗能巨大的问题，借助分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，对磁铁矿石进行不同应变率条件下的冲击压缩试验，分析磁铁矿石的动态力学特性及其破坏过程中的能量耗散特征，并借助ANSYS/LS-DYNA软件模拟试样完整动态破坏过程。研究结果表明：磁铁矿石试样的动态抗压强度具有显著的应变率相关性，应变率从43.94～147.75 s^-1,其动态抗压强度从126.77 MPa提高到220.62 MPa。能量传递规律分析表明，随着入射能的增大，反射能增长趋势增大，最大占比约占总入射能的22%;而透射能增长趋势减小，且透射能占比从低入射能下的78%降低至高入射能下的38%,用于试件破碎的耗散能量逐步增多，与入射能呈线性关系。其破坏模式从中低应变率下的劈裂破坏转为高应变率下的压碎破坏，从破碎尺度来看，中低应变率下碎块多为大块状，而高应变率下碎块尺度较小且多呈细粒状及针状。数值仿真计算表明试件最开始发生破坏是由试件入射杆端面的“十字”反射拉伸波引起的。研究结果可为判断磁铁矿石动力破碎的难易程度以及提高冲击破岩效率提供参考。