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。     

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。     

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。     

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。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多,试件表面的脱落现象越明显,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。     

一维动静组合加载下多角度耦合充填体力学特性研究

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性，以尾砂胶结充填体为研究对象，选取3个轴压水平，开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验。研究表明：①相同轴压下，充填体动态抗压强度随应变率增大而增大，相近应变率下，充填体动态抗压强度随所施轴压梯度的增大呈现出先增大后减小趋势，当轴压为静载强度40%时达到最大动态抗压强度；②动静组合加载下充填体应力—应变曲线主要分为弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段，弹性模量随轴压的增大呈先增大后减小趋势；③轴压作用下，充填体破坏模式为剪切破坏，冲击波经不同传递路径或不同角度传递至充填体时，破坏模式仍为剪切破坏，无轴压作用时，充填体破坏模式为劈裂拉伸破坏。④利用ANSYS/LS-DYNA模拟动静组合加载下充填体冲击过程，得到冲击波直接或经花岗岩间接作用于充填体时，最大应力峰值出现时刻基本相同，应力大小差异较大，在充填体内应力波衰减量为20%，经花岗岩间接作用于充填体时应力波衰减量为29%。     

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。     

单向扰动加载触发煤体冲击破坏特性试验研究

运用MTS-C64. 106型压力机开展纯煤试件的单轴动静组合加载试验。结合PIC-2声发射卡和高速摄像机的监测结果,分析了单向扰动加载下煤体的力学、冲击性能、声发射特征、动态破坏特征、碎片分形特征。结果表明,扰动加载应变率增大,煤体强度呈对数增加;冲击性能增强;扰动能量输入速率、声发射振铃计数、撞击数呈现"缓增—急增—突增"的转变,试件破裂形式经历"剪切破裂—竖向劈裂—爆裂"的转变;碎片质量分维与动载应变率呈二次方关系,存在动载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示的应变率极值为2. 8×10~(-3)s~(-1)。     

不同应变率下干燥及饱水凝灰岩拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究

为研究饱水状态和应变率对凝灰岩拉伸力学特性的影响,采用电液伺服压力机及直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)对凝灰岩开展静态和动态巴西圆盘劈裂拉伸试验,利用高速摄像系统获取试件在高应变率下裂纹扩展过程及破碎形态,并结合放大1 000倍的电子数码显微镜观测岩石表面及断口处的细观结构。研究结果表明：试件拉伸强度存在明显的应变率效应,且应变率越大,试件到达峰值应力的时间越短;静载作用下饱水试件抗拉强度均值是干燥试件的88.12%,0.2,0.3,0.4 MPa气压作用下,饱水试件拉伸强度分别为干燥试件的99.89%,95.25%和90.52%,饱水作用对岩体造成劣化,降低其抗拉强度;0.2,0.3,0.4 MPa气压作用下,饱水试件动态增强因子(DIF)均值分别是干燥试件的1.14,1.08,1.05倍,由于黏聚力与“stefen”效应的存在,饱水试件DIF高于干燥试件;随着应变率的增大,试件裂纹扩展速度加快,且饱水试件裂纹扩展宽度和速度均高于干燥试件;静载作用下试件呈典型劈裂拉伸破坏形式,动载作用下试件拉伸与剪切破坏共存;凝灰岩自身存在大量原生节理、孔隙等结构薄弱面,在应力波作用下,...     

钻孔密封段异质结构变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-水泥-抽采管组成的异质结构体,为了研究钻孔密封段煤-水泥异质结构的变形破坏特征,采用Vallen AMSY-6声发射信号采集系统和TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机相结合的方法,对煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件进行了单轴载荷作用下的变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:煤-水泥组合试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间,煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的体应变突降点后伴随着声发射振铃计数的激增,而水泥单体试件的声发射指标增长较为平缓,且不同试件都在应力峰值处声发射指标达到最大值,煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的应力应变曲线表现出峰后的脆性变形特征,而水泥单体试件的应力应变曲线则表现出峰后的塑性变形特征,煤-水泥组合试件的破坏形态为剪切破坏,煤单体试件的破坏形态为"X"状共轭剪切破坏和拉伸破坏,水泥单体试件的破坏形态为拉伸破坏。现阶段我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料大多选取水泥基封孔材料,钻孔密封段煤-水泥异质结构的强度同时受到煤体和水泥材料性质的影响;井下水泥基封孔材料选取时,可优先选取凝固后与煤岩体强度差异较小的水泥基封孔材料。     

三种岩石的动态平台巴西圆盘试验分析

为研究应变率对岩石材料的动态拉伸特性影响,利用直径50 mm SHPB试验装置,以递增的子弹速度冲击花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩3种岩石试样,进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,分析不同应变率下,3种岩石的破坏时间、拉伸敏感系数、动态弹性模量和破坏形态的变化规律。试验结果表明:3种岩石的破坏时间、拉伸敏感系数和动态弹性模量随应变率变化的趋势基本一致;3种岩石均沿加载直径方向由中心起裂且加载端部的三角区出现粉碎区。     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈"线弹性"增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出"跃进"特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现"回弹"现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

冲击动载荷作用下软岩力学参数变化及破坏模式研究

对泥岩、砂质泥岩2种软弱岩石利用分离式霍普金森实验系统进行冲击动载实验。通过实验研究及理论分析发现,深井软弱岩石在冲击动载下动态抗压强度、动态弹性模量、泊松比随随应变率的增大而增加;破碎尺寸随应变率的增大而减小。破坏模式为拉伸破坏和剪切破坏。     

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。     

循环扰动荷载下花岗岩的力学性质与声发射特征参数研究

在工程实际中岩体常常受到循环荷载扰动作用,进而表现出与静态荷载作用下不同的力学性质和声发射现象。因此本文以花岗岩作为试验对象,研究了其在不同循环扰动次数下的力学特性和声发射特征参数,并结合RA、AF值进一步探讨了其在受压过程中裂纹的演化规律。试验表明:试件强度随着循环次数增加而提高,且当循环次数大于一定量时,强度增幅比例开始下降;试件经历的循环次数越多,其在塑性变形时表现出的声发射陡增现象越明显; RA、AF值进一步表明花岗岩在受力至破坏全过程中首先出现剪切破坏事件,在临近峰值强度时,开始出现张拉破坏事件,且主要集中在剪切带周围。     

煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。     

不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究

在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏,多表现为岩爆、板裂、塌方等形式,通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质,而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验,则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景,综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法,从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析,全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明:①数值模拟与室内试验所得的结果,无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近;随着围压的增大,岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变;随着试件长径比L/D增大,岩石峰值强度减小、弹性模量增大。②采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法,能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制;随着试件长径比L/D增大,岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏;当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大,当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③随着岩石试件长径比L/D的增大,其峰值强度有所减小且受围压影响明显,弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④通过分析裂隙数量与应变关系可知,在不同围压条件下,岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现"S"型曲线增长,当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长,且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤随着试件长径比L/D的增大,岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少,且减小速度增快。总的来说,岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响,因此,室内试验中应合理设计岩石试样的形状,以获取准确的岩石强度和力学参数。     

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：(1)在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。(2)揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地...     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。