多次冲击荷载对千枚岩性质影响研究

为研究千枚岩在不同形式循环冲击荷载作用下的性质变化,利用SHPB装置对千枚岩试件进行多次冲击,分别以单一恒定0.4,0.06,0.08,0.10 MPa气压以及0.04 MPa与0.08MPa气压交替、0.06 MPa与0.10 MPa气压交替循环作用试件。相比单一气压冲击,不同气压交替冲击作用对试件的应力-应变曲线的影响更为突出,曲线切线斜率变化更明显;在不同气压交替冲击作用下,岩石承受较大强度荷载的能力变弱,试件在最终破坏时产生的应变较单一冲击气压循环作用时要小;在一定冲击气压范围内不同气压交替对岩石进行冲击作用时,试件更容易失稳;对比试件的宏观破碎程度,交替气压冲击作用比单一气压冲击更为突出。     

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。     

冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征,采用?50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars, SHPB)试验系统,以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm,长径比分别为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验,定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ,发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系,分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明：不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致,均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,随长径比增加,曲线塑性阶段增大;根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6,低于临界长径比的试件易达到应力平衡,超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡;煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为：随长径比增加分2个阶段,且其分界点接近临界长径比,各阶段内呈线性增加关系,阶段间呈台阶式下降;试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强,超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能...     

不同长径比石灰岩动态压缩SHPB试验研究

为了研究不同长径比石灰岩应力-应变曲线、动态单轴抗压强度、动态弹性模量、峰值应变随应变率增大的变化规律,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对2组不同长径比石灰岩试样,进行7种不同应变率等级下的冲击加载试验。结果表明:随着应变率的增大,应力-应变曲线在峰值点后表现出不同的变化规律,呈现明显的率相关性;2组试样动态单轴抗压强度均随应变率的增大呈幂指增大,且长径比为1.0的试样强度的应变率敏感性强于长径比为0.5的试样,有明显的尺寸效应;动态弹性模量和峰值应变均随应变率的增大而增大,相同应变率下,长径比为1.0的试样动态弹性模量大于长径比为0.5的试样;试样的动态压缩破坏形态在相同应变率下,长径比为0.5的试样破坏程度比长径比为1.0的大,应变率较低时呈轴向劈裂破坏,应变率较高时呈颗粒状粉碎破坏。     

方形岩石试件冲击载荷下的动力响应分析

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟研究了方形岩石试件单轴冲击下的动力响应。研究了不同长径比方形试件的应力均匀性并以此确定试件的最佳长径比, 分析了试件在不同冲击速度下的应力应变关系、应变率变化以及动态破坏模式等。结果表明, 脉冲经“切削式圆-方”变截面杆传播后, 平均衰减百分比为10.0%; 采用定义的轴向应力不均匀系数和横向应力不均匀系数分析不同长径比方形试件的应力均匀性, 确定最佳长径比为0.4; 不同冲击速度下的反射波与应变率时程曲线均有一定的平台期, 表明冲击试验可实现恒应变率加载, 试件内应力能够均匀分布; 应变率较低时, 试件基本没有破坏, 且表现出一定的弹性特性; 应变率较高时, 试件以拉伸劈裂破坏为主, 且往往沿水平和垂直两对称轴碎裂, 以4个角为核形成碎块; 在试件未破坏或破坏前, 有明显的弹性阶段和塑性阶段。随应变率增加, 试件杨氏模量增大, 动态强度增强, 应变范围也明显扩大。     

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。     

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。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

轴向动荷载作用下煤系石灰岩损伤特性研究

为降低在巷道支护、掘进的过程中，工程扰动、爆破等活动对围岩稳定性的影响，开展煤系石灰岩在不同冲击荷载下的损伤特性研究；使用霍普金森压杆进行不同冲击荷载下的冲击试验，利用LS-DYNA有限元软件模拟石灰岩破碎过程，对破碎后各粒度质量分数、应力-应变曲线、峰值应力-平均应变率曲线及石灰岩破碎过程分析。结果表明：随着冲击荷载增大，峰值应力、平均应变率逐渐增大，试件破碎程度愈发严重，且峰值应力与平均应变率呈近似线性关系；不同冲击荷载下，试件破碎遵循由边缘向中心扩展、由内部裂隙间挤压破碎向外部发育的规律，其破坏过程分为裂隙闭合阶段、近似弹性阶段、裂隙急速发育阶段和快速卸载阶段；峰值应力、试件破碎程度以及试样破碎能量耗散受应变率影响显著。     

岩石冲击破碎块度分形与能量耗散特征研究

为研究冲击荷载作用下岩石能量吸收与破碎分形特征,应用霍普金森试验系统对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4长径比花岗岩进行动态冲击试验,分析了应变率效应和尺寸效应对花岗岩试件的破碎能耗和破坏形态的影响;在考虑时间因素的基础上,提出一种新的能时密度指标来评价能量耗散,结合分形维数计算与能时密度分析,研究岩石在冲击过程中的能时密度与分形特征。结果表明：0.6 ~ 1.4长径比花岗岩试件的应变率和能时密度均符合乘幂关系,同种长径比试件的能时密度随应变率增大呈递增趋势;在48.8 ~124.2 s_^-1应变率区间内,分形维数随应变率增加显著增大;花岗岩试件在动荷载下的能时密度和分形维数符合乘幂关系,单位时间内岩石吸收能量越多,分形特征就越明显;引用能时密度结合岩石破碎块度的分形维数计算,能够定量研究岩石单位时间内的能量吸收规律。