不同应变率下砂岩的动态力学特性研究(增刊)

矿山等地下硐室施工通常采用工程爆破的方式进行开挖,在工程爆破等动力荷载作用下岩石存在动力硬化现象。利用分离式霍普金森压杆装置对砂岩岩样进行了5组不同应变率下的冲击试验,在此基础上系统分析了入射波、反射波和透射波等试验数据,绘制出动态抗压强度与应变率的散点关系图、峰值应变与应变率的散点关系图、动态应力-应变曲线图,并得到砂岩在不同应变率下的动力硬化因数,分析了砂岩在不同应变率下的动态力学特性及动态抗压强度与应变率的关系,并对不同应变率下岩石样本的破坏形态进行了归纳分析。     

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。     

动载荷和含水率对红砂岩动态强度和变形的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中，动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为揭示动荷载和含水率对岩石的影响特性，采用改进的霍普金森压杆试验装置，用4种不同的冲击速度，在6种含水率工况下对红砂岩进行冲击压缩试验，根据试验中采集到的3组应力波信号，利用三波法将其转化为岩石的动态应力-应变曲线，得到了岩石的动态峰值应力、极值应变和平均应变率等参数。试验结果表明：相同动荷载作用下，随着含水率增加，动态峰值应力逐渐减小，且二者具有良好的指数函数关系；随着含水率增加，岩石动态极值应变线性增加；随着含水率增加，岩石的平均应变率呈指数型增长。随着冲击速度的增大，动态峰值应力、动态极值应变和岩石的平均应变率均增大。研究结果有助于对深部岩石的稳定性进行监测，为工程中的突水突泥等灾害的发生机理及影响因素的研究提供一定参考。     

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。     

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。     

基于能量原理砂岩应变软化模型研究

为了建立基于能量原理的分段砂岩非线性损伤方程,对砂岩进行不同围压条件下三轴试验,并分析其峰后力学特性,得出以下主要结论:围压增大提高了砂岩扩容起始点对应的应力水平,延缓了砂岩的非线性扩张,围压在一定程度上提升岩石承载力;同时,减弱岩石的脆性破坏程度,增强延性,使得试样趋于形成单一剪切面,破坏后试样较为完整。考虑不同围压条件下,岩石峰后阶段主要沿着断裂面移动、滑动,仍然具有一定承载力,岩石形变率逐渐非线性减小。假定应力-应变关系变化规律满足三次多项式,通过能量原理建立非线性损伤模型,可以更好地反映岩石应力-应变关系与破坏情况,最终通过对比发现试验曲线与拟合曲线拟合度较高。     

不同负温和含水率模拟月壤SHPB试验与分析

为了解月球永久阴影区月壤的动态力学性能,以玄武质模拟月壤进行动态冲击试验,研究不同负温、不同含水率及不同应变率加载下模拟月壤的动态应力-应变曲线特性、动态抗压强度和破坏特征,分析动态抗压强度、动弹性模量与模拟月壤负温、含水率、应变率的关系。试验结果表明:动态抗压强度与应变率呈正相关关系;破坏形态类型主要为锥形剪切破坏和颗粒状粉碎破坏;破碎块度分布具有良好的分形特征。研究结果能为未来月球资源研究提供参考。     

动载下节理岩体强度及破坏特征的Hopkionson实验研究

节理岩体在高应变率下的破坏模式及动态强度特征是工程爆破中的重要问题。以往对岩体的研究主要停留在静载作用下,且主要是完整岩石,其强度理论也大多运用静载的强度理论,而对节理岩体的动荷载特性认识不够。作者运用SHPB装置对几种典型几何特征的节理岩体进行了大量实验,从几何特征、长径比效应、应变率等不同方面分析了节理岩体力学特性的影响规律,得出了应力一应变关系曲线,对认识工程岩体的动态力学性质,改善工程爆破质量有一定意义。     

数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系

针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法。根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型(DP-UCS模型),并对其进行了验证,结果表明:DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10%,证明了该模型的有效性。     

不同高温循环作用后砂岩动力特性试验研究

煤炭地下气化过程中围岩将经历高温作用,且爆破等扰动荷载进一步加剧了深部工程灾害的频发可能和预测难度.为研究温度效应对高温循环作用后岩石动力特性的影响规律,对常温(25℃)和经历200～1000℃高温循环作用后的砂岩试件进行基本物理参数测试,利用SHPB试验装置开展冲击压缩试验,并借助高速摄像机观察试件变形破坏过程.结果表明:常温砂岩为灰白色,随循环作用温度升高颜色逐渐变为青灰色;不同高温循环作用后试件质量、密度和纵波波速等变化率均与循环作用次数呈二次函数关系.随循环作用温度升高,试件动抗压强度、动弹性模量呈二次函数关系降低,动应变呈线性关系增大,且动抗压强度和动应变均在400℃前后变化幅度有所不同.试件变形破坏主要是沿加载方向率先萌生裂纹,周边碎块逐渐脱落飞出,呈剥落式破坏模式;试件受冲击荷载作用的破碎程度随循环温度升高而加剧,碎块平均粒径与循环作用温度呈二次函数关系减小趋势.     

不同围压荷载和含水状态下砂岩SHPB试验研究

为研究围压荷载和含水率对砂岩动态力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术和自主开发的围压加载装置,对不同围压荷载和含水状态下砂岩的动态力学性能进行研究。试验结果表明,砂岩的峰值应力和峰值应变随应变率的增大而增大,并表现出一定的脆-延转化特点;随着围压荷载的增加,砂岩的强度和韧性得到提升,并呈现出明显的塑性变形特征;相同围压荷载条件下,砂岩强度随含水率的增加而增大。在高应变率加载条件下,砂岩动态强度具有典型的冲击强化、围压增强和含水硬化特性。研究结果对地下工程动态开挖具有指导作用。     

侏罗系冻结砂岩单轴抗压强度与孔隙度的关联性分析

为研究冻结条件下岩石的孔隙度与单轴抗压强度之间的关系,对人工冻结条件下的侏罗系饱和含水砂岩进行了核磁共振测试和单轴压缩试验;分析了不同温度条件下,温度与单轴抗压强度和孔隙度之间的关系,并将孔隙度和单轴抗压强度进行了关联分析。研究结果表明:砂岩单轴抗压强度和温度满足二次曲线变化关系;-5～-15℃等温度区间,单轴抗压强度增长值从4.54 MPa降至0.54 MPa,单轴抗压强度增长率从14.22%降至1.33%;饱和冻结砂岩孔隙度随着温度的下降,其孔隙度亦减小,且孔隙度和温度的关系符合幂指函数变化规律;冻结砂岩孔隙度和其单轴抗压强度满足幂指函数关系。     

深部坚硬细砂岩长期强度试验

从单向抗压强度试验得到深部细砂岩的强度极限为83.698 2 MPa,残余强度为0.单轴8级加卸载蠕变试验得到深部细砂岩的蠕变下限为27 MPa,各级蠕变加载水平下的初期衰减蠕变阶段相似;破坏前的细砂岩不包含应变率ε0的稳态蠕变阶段,达到破坏级加载水平时,岩石直接呈现以瞬间急速破坏为主要特征的包含3阶段的蠕变全过程.细砂岩长期强度与瞬时强度之比达94.39%,其强度与时间的相关性很弱.综合单向抗压强度及蠕变试验成果,该层细砂岩可作为深部岩石工程整体稳定性的重要依托岩层,且主要依据的力学指标为单向抗压强度.     

冻结砂岩单轴抗压应力应变复合幂指数模型

为研究冻结砂岩应力应变关系,以内蒙古原状砂岩为试验对象,采用WDT-100冻土单轴试验压缩机开展了不同温度状态下冻结砂岩单轴抗压强度试验,得到应力应变曲线并分析试验结果。基于复合幂指数非线性理论进行曲线拟合,得出不同冻结温度下模型的参数方程。考虑温度因素的影响,改进复合幂指数非线性模型,提出一个与冻结温度有关的新型复合幂指数应力应变模型,将理论曲线与试验结果进行对比,发现拟合情况较好,显示了所建模型的合理性。     

不同应变率下岩石破裂与声发射响应特征研究

为揭示冲击倾向性砂岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,基于MTS岩石力学试验系统与PAC声发射信号采集系统,试验研究了不同单轴应变率作用下岩石损伤演化与声发射参量响应特征。研究表明,随着加载应变率增加,岩样极限强度明显提升,峰值强度对应应变值整体降低,达到峰值强度所需时间随应变率呈幂函数减少。应变率与AE累计撞击数、事件数、振铃数之间具有显著的负幂函数关系;相反,应变率越高,微裂隙在发育、扩展过程中所释放的AE平均能量越高。     

初始损伤下砂岩的破坏与声发射特性研究

为研究隧道爆破开挖过程中,围岩在循环冲击荷载作用下产生的损伤对隧道稳定性的影响,利用受损伤后的砂岩进行单轴压缩试验,并辅以声发射设备进行全程监控,研究不同损伤因子下砂岩的强度特征、声发射特性以及破坏模式。研究结果表明:岩石损伤因子大小与抗压强度呈现负相关特征,在已知未受损伤岩石的抗压强度下,通过损伤因子能预测损伤岩石的抗压强度的大小;损伤因子在0～0.3时,声发射事件数在应力峰值附近产生;损伤因子在0.3～0.7时,声发射事件数峰值提前于应力峰值产生;无初始损伤的砂岩在受压时内部新形成的损伤分布较均匀,而带有初始损伤的砂岩则主要沿已有的裂纹继续发育;随着损伤的加大,岩石破坏由劈裂破坏向剪切破坏转变。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

冻融循环作用下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征试验研究

为了探究冻融循环条件下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征,采用分离式霍普金森(SHPB)系统对冻融循环0次、10次、20次、40次的黄砂岩试件进行动态压缩试验,得到黄砂岩在冲击荷载下的动态压缩强度、能量耗散及破坏形态的变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加,受冲击后的黄砂岩破碎程度提高;相同冻融循环次数的黄砂岩试件,动态抗压强度随应变率的增大而增大,拟合系数接近1,二者近似成线性正相关关系;相同冲击气压的黄砂岩试件,随着冻融循环次数的增加,其动态抗压强度先增大后减小,具有较为明显的冻融循环效应;试件的耗散能量随着应变率的增大而增大,同时耗能提升的速度也加快,两者近似成幂函数关系;随着黄砂岩所经受冻融循环次数的增多,耗散能量出现了先增后减的趋势,整体上呈减少的趋势,两者表现出负相关性。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。