低温–动荷载耦合作用下砂岩破坏断口的形貌分析

利用增加了低温补偿装置的大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行不同负温等级下的砂岩实时动态抗压试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察,分析断口形貌特征,并对提取出的微裂隙进行量化处理,得出红砂岩的动态破坏规律。试验结果表明:冻结岩石的动态抗压强度随应变率的增加而提高,随冻结温度的降低而提高,表现出显著的率强化效应与低温硬化效应;低应变率下,断面以胶结物质断裂、脆性断裂为主要断裂模式,耗能普遍偏低;高应变率下,在前2种断裂模式的基础上断面局部出现韧性破坏特征,耗能等级偏高;提取断面裂隙网络,用图像数字处理的方法对断口的孔隙特征进行分析,得出孔隙数量、平面孔隙度、孔隙形状因子的变化规律;将岩石宏观力学性质与断口微观形貌相结合,并立足于微观尺度分析裂纹扩展规律。研究成果对寒区岩体的理论研究与工程实践具有一定参考意义。     

砂岩动静态拉伸力学性能试验与对比分析

通过对皖北矿区3个煤矿砂岩岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用不同加载冲击气压驱动撞击杆高速运动,对圆盘试件实施不同加载速率下的动态劈裂拉伸试验,得到了3种砂岩试件的动态拉伸应力和应变率等力学参数,并与静态劈裂拉伸试验结果进行对比,分析了砂岩圆盘试件动静态劈裂破坏形态、动态拉伸应力与加载速率相关性规律;得到了试验冲击气压范围内砂岩动态拉伸应力强度与平均应变率之间近似为乘幂函数关系,比其静态拉伸应力强度提高2～3倍。对砂岩动静态拉伸力学性能研究做了一些有益的探索。     

预制与后浇混凝土粘结后的动态劈拉性能

为研究预制与后浇混凝土粘结后混凝土试件的动态劈拉性能,采用74变截面分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在不同应变率下,对粘结面粗糙度类型不同的试件进行了动态劈拉试验.结果表明:预制与后浇混凝土的动态劈拉强度和动态增大系数均表现出较强的应变率效应;预制与后浇混凝土的动态劈拉应力-应变曲线可分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;混凝土试块出现了径向劈裂、径向与粘结面均劈裂这2种主要破坏形态;试件粘结面粗糙度越大,其动态劈拉应力-应变曲线中屈服台阶越明显,其动态劈拉强度也越大,表现出明显的延性特征.     

高应变率下砂岩动态拉伸性能SHPB试验与分析

为研究高应变率下煤矿砂岩的动态拉伸性能,将岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用直锥变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用6种冲击气压对试件沿径向进行加载,实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验,测试试件的动态拉伸应力和应变率。试验结果表明:砂岩试件的动态劈裂破坏形态满足巴西圆盘试验有效性条件,试件内的径向应力分布达到应力均匀性要求;分析试验实测波形和应变率效应,得出高应变率下煤矿砂岩试件的拉伸应力和应变率特性。在试验采用冲击气压范围内,试件平均应变率由48 s-1增加至137 s-1,平均应变率与冲击气压近似为对数函数关系,动态拉伸强度与平均应变率近似为乘幂函数关系。     

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。     

岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究

由于岩石抗拉能力低，在很多情况下，岩体工程的破坏是从岩石局部受拉破坏开始。采用直接拉伸法和劈裂法，在INSTRON-1345液压伺服刚性材料试验机和CSS-44000电子万能试验机上，分别对花岗岩、砂岩和泥岩进行了抗拉强度试验。试验证实了直接拉伸法较劈裂法优越，直接拉伸试验试件中受拉裂缝的扩展是试件产生非弹性应变最直接的原因。     

掺铅锌尾矿砂混凝土动态劈拉性能试验研究

利用Ф100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),通过改变冲击气压实现了不同应变率条件加载,得到了掺铅锌尾矿砂混凝土的动态劈拉强度、动态增强因子(DIF)、应力-应变曲线和破坏形态,研究了不同铅锌尾矿砂掺量下,混凝土动态劈拉性能与应变率的关系。结果表明:试件的动态劈拉强度和DIF值均随着应变率的增大而增大,表现出明显的应变率相关性,但二者的增大速率呈现出差异性;随着应变率的增大,不同铅锌尾矿砂掺量混凝土试件与压杆接触处的破坏状况变差,试件的完整性变差,且试件沿加载方向的裂缝宽度逐渐变大,并在劈裂面处形成贯通裂缝。     

大骨料混凝土在动态三轴拉压压应力状态下的强度

采用大型混凝土静、动态三轴液压伺服试验系统,比较了大骨料混凝土试件和湿筛二级配混凝土试件在动态三轴拉压压应力状态下的强度特征.结果表明:2种试件的破坏均为典型的拉伸破坏,裂缝垂直于拉应力方向;动态抗拉强度随应变率的增大而增大,随压应力的增大而减小;抗拉强度增长系数与应变率比的对数呈线性关系;大骨料混凝土试件的动态抗拉强度及其对应变率的敏感性均比湿筛二级配混凝土试件的要小.在八面体应力空间中建立了破坏准则,为大体积结构的非线性分析和抗震设计提供了试验依据.     

岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对比研究

由于岩石抗拉能力低 ,在很多情况下 ,岩体工程的破坏是从岩石局部受拉破坏开始。采用直接拉伸法和劈裂法 ,在INSTRON - 1 345液压伺服刚性材料试验机和CSS - 44 0 0 0电子万能试验机上 ,分别对花岗岩、砂岩和泥岩进行了抗拉强度试验。试验证实了直接拉伸法较劈裂法优越 ,直接拉伸试验试件中受拉裂缝的扩展是试件产生非弹性应变最直接的原因     

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。     

高温后砂岩静、动态力学特性研究与比较

 通过在SHT4206电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统上对高温作用后砂岩分别进行静、动载荷加载试验,系统地分析比较了热作用后砂岩在静、动载荷加载下的破坏模式、峰值强度和峰值应变的差异,并从微观角度探讨温度对岩石力学性质的影响。研究结果表明：(1) 高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著,随着温度的升高,静载荷时岩石破坏模式表现为劈裂破坏并伴随着脆性断裂,而动载荷作用时岩石破坏模式表现拉伸破坏;(2) 静、动载荷作用下的峰值强度随着温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系,静载荷作用下,平均峰值强度从126.37 MPa降到64.76 MPa,降低幅度为48.8%,动载荷作用时,平均峰值强度从176.3 MPa降到83.1 MPa,降低幅度达到了52.9%;(3) 静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。温度引起的热应力和微结构的变化导致砂岩力学性质发生改变,以及不同加载方式引起试样内部孔隙扩展和微裂纹的生成方式不同,导致其抵抗外力变形的能力存在差异。     

Strain-rate dependency of the dynamic tensile strength of rock

Dynamic tension tests based on Hopkinson’s effect combined with the spalling phenomena were performed on Inada granite and Tage tuff to investigate the strain-rate dependency of the dynamic tensile strength of rock. The static tensile strengths were determined and compared with the dynamic tensile strengths. The fracture processes under various loading conditions were analyzed using a proposed finite element method to verify the differences between the dynamic and static tensile strengths and the strain-rate dependency. These analyses revealed that the differences were due to the stress concentrations and redistribution mechanisms in the rock. The rock inhomogeneity also contributed to the difference between the dynamic and static tensile strengths. An increase in the uniformity coefficient stimulated a reduction in the strain-rate dependency; i.e., the strain-rate dependency of the dynamic tensile strength was caused by the inhomogeneity of the rock. The fracture processes and principal stress fields in the specimens at high and low strain rates were analyzed to investigate fracture formations at various strain rates. Higher strain rates generated a large number of microcracks; the interaction of the microcracks interfered with the formation of the fracture plane. The observed dynamic tensile strength increase at a high strain rate was caused by crack arrests due to the generation of a large number of microcracks.     

Mechanical behavior of different sedimentary rocks in the Brazilian test

Mechanical behavior of the rock in tensile stress environment remains an unresolved problem in the underground mining, where surrounding rocks commonly experience tensile failure. In the present study, tensile failure behavior of three types of sedimentary rocks is investigated experimentally and numerically. The deformation response, fracture propagation, and splitting pattern as well as energy conversion of the rocks are examined in the Brazilian test with a testing machine, high-speed camera, and image scanning system. The tested rocks tend to show elastic-brittle-plastic deformation behavior in the biaxial stress state. Tensile strengths of the coal, mudstone, and sandstone are 1.2, 3.9, and 13.4 MPa, respectively. The coal and mudstone split in a static mode while the sandstone in dynamic mode. The splitting fracture initiates at the disk center in the coal and sandstone, and it emerges at the loading point in the mudstone. The fracture propagates more quickly in the rock with larger strength. It uses 1200.0, 5.8, and 0.4 ms, to break out sample surface of the coal, mudstone, and sandstone, respectively. The joint roughness coefficient (JRC) of the splitting fracture is largest (20.1) in the mudstone, followed by that in the coal (17.7), and it is smallest in the sandstone (15.3). A continuous-discontinuous coupling model, which is capable of analyzing the stress distribution and fracture propagation synergistically, is developed and calibrated against the experimental data. The numerical model accurately reproduces mechanical behavior of the tested rocks observed in the Brazilian test. The splitting fracture propagates along the maximum tensile stress plane in the sandstone. The propagation direction is locally influenced by the grain boundary with small tensile strength in the coal while, in the mudstone, the fracture is mainly formed along the grain boundary. Such differences in the fracture propagation path lead to the increasing trend from the JRC of the splitting surface in the sandstone to that in the coal and finally to that in the mudstone.

     

准脆材料动力强度的本质和侧向惯性约束作用

从材料内部结构层次的角度,就准脆材料动力强度的本质和侧向惯性效应的作用问题进行了研究。利用岩体的Maxwell型松弛模型,得到了试样的强度、应变率、试样尺度和松弛速度之间的关系。利用这一关系解释了实验得到的岩石试样的动力强度与应变率成正比、与试件的尺寸成正比的结果。利用这一关系和实验数据拟合,得到了断裂传播速度随试件尺寸的增大而减小的结论。利用这一关系,结合Bazant的静力强度尺寸律,确定了相应的区分动力尺寸效应与静力尺寸效应的特征应变率。进一步的研究表明,岩石试样的动力强度的本质是由于断裂传播速度的有限性,当加载速度足够大时,在试样完全宏观断裂之前所发生的超载。侧向惯性约束的作用可以归结为降低了断裂的传播速度,即降低了松弛速度,从而有更充足的时间保证超载的发生。     

冲击荷载作用下岩石动态力学特性及破裂特征研究

采用分离式霍布金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对灰岩,白云岩和砂岩3类岩石进行动态冲击试验,得到岩石的动强度因子,耗散能密度及破碎尺寸与应变率的变化关系。在此基础上结合晶体离散元方法,采用高分辨率扫描和图像处理技术建立了晶体尺度试样模型,研究岩石材料高应变率力学特性和损伤特征。通过与室内SHPB试验对比,验证数值模拟的准确性。结果表明:岩石材料的动态屈服强度具有明显的率相关性,但弹性模量没有随应变率的增加而显著增加;在高应变率下,材料的动强度因子与应变率更符合Ханукаев公式;随着应变率的增加,岩石的破坏形态出现完整型→劈裂破坏→粉碎性破坏转化,这是由细观裂纹的激活数目以及裂纹间的相互作用关系所决定的。裂纹密度的变化和扩展路径的选择是材料动断裂机制,其宏观表现为材料的率效应和破碎成形。     

砂岩黏性对抗拉强度加载率效应影响的试验研究

利用摆锤冲击加载SHPB试验装置,进行砂岩和人造岩心长杆冲击试验和动态巴西盘试验,测试砂岩和人造岩心的黏性系数,分析砂岩和人造岩心强度的加载率效应。利用试验和数值模拟相结合的方法得到绿砂岩、人造岩心A和B的黏性系数分别为100,10和5 k Pa·s。开展不同黏性岩石的动态巴西盘试验,测得砂岩和人造岩心试样的动态抗拉强度随着加载率的增大而增大,表现出一定的加载率相关性;证明了黏性对岩石强度加载率效应的影响,但两者并非正相关;在较小的加载速率下,岩石黏性导致试样中传播的应力波能量衰减,在巴西盘中心点起裂的裂纹沿加载直径方向扩展但是不足以使试样破坏成两半,从而验证了巴西盘裂纹起裂位置。     

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。