混凝土恒定围压下冲击加载实验装置研制

研制可实现混凝土、岩石及土等非均匀材料恒定围压下轴向冲击压缩加载实验装置,研究复杂应力状态下高应变率力学性能。该装置通过围压油缸及轴向油缸对试件施加静水压,利用大直径分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行轴向冲击加载,测量恒定围压下材料动态应力-应变曲线。该装置具有冲击加载前试件处于静水压状态、轴向冲击加载过程中试件围压保持恒定不变等优点。结果表明,围压对混凝土材料动态力学性能影响明显。     

SHPB试验岩石试件应力平衡时间预估分析

运用一维应力波理论,对分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验中弹性应力波的传播过程进行了分析,得到了试件应力分布相关计算公式,讨论了试件应力平衡时间的影响因素和变化规律。以变截面杆SHPB试验装置对煤矿岩石试件加载为例,计算分析了3种岩石试件在光滑的试验入射波和与其升时相同的理论梯形入射波加载情况下试件应力均匀性和应力平衡时间。发现采用变截面入射杆进行加载,能够实现岩石试件在应力峰值之前达到应力平衡,满足应力均匀性假定要求的有效条件。结果表明,采用理论梯形入射波可以近似代替与其升时相同的试验入射波,预估岩石试件应力均匀性和应力平衡时间,对类似脆性材料的SHPB试验设计具有一定的参考价值。     

主动围压下岩石的冲击力学性能试验研究

利用具有主动围压加载装置的直径为100 mm分离式Hopkinson压杆（SHPB）试验装置和薄圆形紫铜片作为波形整形器,研究了斜长角闪岩在不同围压等级（0~6 MPa）、不同应变速率（50~170 s-1）下的动态力学性能,并对试验有效性进行了分析。试验结果表明：斜长角闪岩的动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,强度与比能量吸收随应变率的增加而近似线性增加,体现了显著的应变率相关性;在同等级应变率范围内,随着围压的增加,岩石的增强效果与增韧效果逐渐增强;同时发现,在围压作用下,岩石的破坏由拉伸破坏向压剪破坏逐渐过渡和发展。SHPB试验中,近似恒应变率加载时间比例约为69.5 %,能够较好地满足应力均匀分布及近似恒应变率加载要求,表明SHPB试验的有效性和结果的可靠性     

被动围压下浇注PBX炸药的动态力学性能研究

为获取一种浇注PBX炸药在被动围压加载下的动态力学性能,采用基于分离式霍普金森杆系统的被动围压试验装置开展了不同应变率(200、600 s^-1)下该浇注PBX炸药的力学性能测试,并通过改变围压管壁厚（4、10 mm）分析了围压应力对试样轴向应力的影响。结果表明:随着应变率和围压管壁厚的增加,被动围压下浇注PBX炸药的轴向应力（给定轴向应变）和围压应力（给定轴向应力）均呈增大趋势;且轴向应力随围压应力的增加呈指数增加。拟合得到被动围压下屈服点轴向应力与约束比之间的函数关系,与试验结果吻合良好。     

水泥砂浆在围压下的动态力学性能

水泥砂浆在不同应力状态、不同加载条件下,表现出截然不同的力学性能。利用分离式霍普金森压杆做了一维应力、被动围压和主动围压下水泥砂浆的冲击压缩实验,分别得到了这三种加载条件下的应力-应变曲线,讨论了应力状态、加载条件及应变率对水泥砂浆力学性能的影响,最后研究了用于描述水泥砂浆塑性的破坏准则。     

UHPC三轴受压力学性能研究

为了研究三轴受压下UHPC的受力性能,以围压大小和钢纤维掺量为试验参数,进行20组UHPC试件常规三轴试验,分析UHPC的破坏形态、应力-应变曲线、峰值应力和应变等力学性能。结果表明：围压和钢纤维掺量均为零的试件破坏时呈劈裂破坏,其他试件则呈剪切破坏;围压和钢纤维掺量对应力-应变曲线弹性模量和弹性段曲线形状影响较小;随着围压增大,峰值应力和应变呈不断增大趋势;随着钢纤维掺量增大,峰值应力和轴向峰值应变呈先增大后不变和先增大后减小趋势,环向峰值应变则呈增大趋势。通过对UHPC八面体正应力-体积应变和剪应力-剪应变关系进行分析,基于Drucker-Prager二参数准则,建立了UHPC八面体破坏准则计算方法。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT - 150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验.根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式.研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大.岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大.岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,且递增的程度随围压的增加而增加.三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式.     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

轻质泡沫混凝土SHPB试验与分析

为研究轻质泡沫混凝土的冲击动力学性能,结合半导体应变测试技术和入射脉冲整形技术对铝质分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置进行改进,解决了泡沫混凝土类低阻抗多孔介质材料透射信号难采集问题,满足了加载过程中试件内部应力均匀性要求。通过调整冲击气压对密度为220 kg/m3轻质泡沫混凝土实施了不同撞击杆速度下的单轴冲击压缩试验。试验结果表明,泡沫混凝土试件在冲击荷载作用下依次经历线弹性阶段、屈服阶段和孔壁破坏3个阶段,且泡沫混凝土试件平均应变率与撞击杆速度表现出较强的线性相关性。     

大理岩三轴压缩变形破坏与能量特征研究

利用伺服试验机对大理岩进行了常规三轴压缩试验,基于试验结果,研究了岩样三轴压缩变形破坏及其能量特征。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石峰值应变与围压成正线性关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。岩石破坏应变能随着围压的增大而增大,且两者成正线性关系;岩石全部断裂能随着围压的增加亦成正线性增加。     

软化与硬化特性转化的岩石损伤统计本构模型之研究

首先将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,通过引进岩石材料屈服或破坏的能量原理,建立岩石损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立能够反映岩石破裂全过程的统计损伤演化方程,进而建立特定围压下的岩石损伤统计本构模型;最后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立出反映不同围压条件下的岩石破裂全过程的统一三维损伤统计本构模型。该模型参数少,便于工程应用,尤其是它能够反映岩石软化与硬化特性随围压变化而相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

Micromechanics-based prediction of creep failure of hard rock for long-term safety of high-level radioactive waste disposal system

A high-level radioactive waste disposal project is under way in Japan. Isolation of the radioactive waste in a rock formation at great depth is considered as one of the promising disposal methods. Before proceeding with the disposal project, however, assessment of the long-term stability of rock mass surrounding waste packages is necessary. This paper presents a micromechanics-based model for predicting the creep failure of hard rock under compression. The subcritical crack growth due to stress corrosion cracking and interaction effects between cracks are considered as the main mechanisms of creep failure. An evolution problem of two interacting cracks is formulated and creep failure following tertiary creep is represented as unstable extension of the interacting cracks in the present model. The time to failure is calculated for different values of axial stress, confining pressure, and environmental conditions such as temperature and presence of water. The effects of water, temperature, and stress states on the long-term behavior are also included in the proposed model.     

轴向受压CFRP 管混凝土柱的膨胀模型及应力-应变关系

在实验基础上, 建立了CFRP 管混凝土柱的轴向压缩膨胀模型。利用膨胀模型计算的紧箍力变化规律和主动侧限混凝土柱的轴向压缩本构模型, 结合多轴应力下的混凝土破坏准则, 推导出被动侧限混凝土柱轴向压缩应力-应变关系理论表达式。根据各组份材料性能、含量、轴向压缩荷载作用下各组份的应力状态及变形协调条件, 建立了CFRP 管混凝土柱轴向压缩本构关系。实验结果证明, 理论预测结果与实验值吻合良好。      

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

围压作用下煤岩材料超声致裂规律研究

当超声波在煤岩固体材料中传播时,受其机械效应,煤岩基质固体颗粒间相互作用。从超声波的机械效应角度结合断裂力学,对围压影响的超声激励破岩机制进行探讨,利用 RFPA2D 岩石破裂过程分析系统对超声激励不同围压下煤岩致裂过程进行了数值试验验证。研究表明：围压降低了煤岩内部裂纹的断裂强度因子,改变裂纹尖端应力场;围压对煤岩破裂具有抑制作用,在相同功率超声作用下,围压越大,超声激励碎岩程度越低;数值实验表明,随着围压增加,超声致裂煤岩影响区域逐渐减小,煤岩破坏形式由低围压下的张拉和剪切破坏共同作用逐渐向高围压下单一剪切破坏过渡。相同有效声压作用下,煤岩破裂过程中主应力随煤岩围压升高而增大。     

Cracks in glass under triaxial conditions

This experimental work documents the mechanical evolution of synthetic glass (SON68) under compressive triaxial stresses (hydrostatic and deviatoric conditions). The experimental setup enabled to monitor and vary independently confining pressure (range: [0, 50] MPa) and axial stress (up to 680 MPa) at room temperature. An optimized set of sensors allowed us to perform measurements during the experiments of: (i) axial and radial deformation, (ii) P- and S-elastic wave velocities, and (iii) acoustic emissions. In addition, in some samples, initial crack densities up to a value of 0.24 were introduced by thermal cracking. We compare the original synthetic glass data set to results obtained in the same experimental conditions on thermally cracked glass and on a basaltic rock with similar petrophysical properties (porosity, chemistry).Stress-strain data depict original linear elastic glass properties even up to an axial stress of 680 MPa (under 15 MPa confining pressure). A strong strength decrease (370 MPa at 15 MPa confining pressure) is observed for thermally cracked samples. Elastic wave velocity data highlight that cracks are mostly closed at a confining pressure of ∼30 MPa. The basaltic rock seems to correspond to an intermediate state between an original and a thermally treated glass. In all samples, damage was accompanied by dynamic crack propagation, producing large magnitude acoustic emissions. Thanks to a continuous recorder, we could locate a number of acoustic emissions in order to image the microcracking pattern evolution prior to failure.     

含显著沉积弱面砂岩加卸荷破坏试验研究

层状岩体加卸荷条件下的各向异性规律对于指导工程设计、施工具有重要意义。对含显著沉积弱面的水平、垂直层理的宜昌砂岩加载、卸载破坏的试验研究表明:1) 水平、垂直层理砂岩回弹值、纵波波速与强度存在一定的相关性,其基本规律是回弹值或者纵波波速越大,岩体强度越大;2) 无论采用加载还是卸载破坏方式,相同围压下,垂直层理岩体的强度一般大于水平层理岩体;3) 无论是水平还是垂直层理岩体,卸荷破坏峰值强度在低围压下高于加载破坏强度,而高围压下低于加载破坏强度;4) 该文试验条件下,加卸载破坏形式主要是剪切破坏,根据Mohr-Coulomb准则预测的破坏角和实测值非常接近,水平和垂直层理岩体加卸载破坏的破裂面并未受到沉积弱面的影响。     

冲击荷载作用下花岗岩动力特性试验分析

利用SHPB试验设备,研究花岗岩在不同冲击气体压力下的压缩力学性能,讨论岩石类材料的应力-应变特性和破坏过程。结果表明,花岗岩的平均应变率与冲击气体压力有明显相关性,在不同冲击压力下,应变率时间历程曲线明显不同;岩石的应力-应变曲线可分成初始压密、稳定变形、非线性弹性与破坏4个阶段,且冲击气压存在一个使岩石破碎效果明显的合理值;其破坏形式大多以沿轴向的劈裂破坏为主,但在较高的冲击气压作用下,岩石则呈压碎破坏形式。