负温下白垩系岩石的物理力学性能试验研究

 摘要：通过对常温（20℃）和负温（5℃~-15℃）下内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层的物理力学性能试验,获得了不同负温条件下岩石的单轴抗压强度、弹性模量、应力-应变关系曲线等力学性能,分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系,为内蒙鄂尔多斯地区白垩系地层的冻结法施工和井壁结构设计提供参考数据。     

人工冻黏土单轴无侧限抗压强度试验研究

对祁南矿井3个不同层位的原状冻土样及同含水率下的重塑冻土样进行单轴无侧限抗压强度试验。试验分析表明:原状冻土试样破坏时均发生沿斜向下45°～55°方向的剪切破坏,而重塑冻土试样破坏时表面产生网状裂纹,呈塑性破坏;试验过程中原状冻土和重塑冻土试样的应力-应变曲线均呈现出软化现象,采用改进后的软化模型能够较好拟合试验曲线的发展趋势;同一土样在相同含水率下,负温对重塑土抗压强度的影响程度大于原状土,且负温越大,影响程度越大,当负温达到一定值后,重塑冻土的抗压强度接近原状冻土的抗压强度;试验建立了以温度为变量的指数函数强度模型以及幂函数峰值强度比模型。     

人工负温高强混凝土动态力学特性研究

为研究人工负温早龄高强混凝土的动态力学特性,采用SHPB试验系统对-7℃不同龄期高强混凝土进行单轴冲击压缩实验,得到多组不同应变率作用下的动态应力应变曲线。研究发现:高强混凝土的强度具有明显的温度效应;标准及-7℃养护环境下,混凝土试块3d强度分别为单轴抗压强度的77. 4%、46. 7%;在低应变率作用下,负温混凝土脆性比较明显,中高应变率(大于30s~(-1))作用下,负温混凝土韧性增加,脆性降低;动态抗压强度、峰值应变具有明显的应变率相关性,三个龄期的峰值应变均在0. 002~0. 004;同一应变率及龄期的混凝土,其强度及弹性模量均随着受冲击次数的增加而减小,相反,其峰值应变变大。     

冲击载荷下动压巷道坚硬顶板动态力学特性及其破坏机理研究

为研究冲击载荷作用下动压巷道坚硬顶板的动态力学特性及其破坏机理,利用SHPB冲击试验和数值模拟相结合的方法,分析了不同岩性顶板的动态力学特性和破坏模式,从应力波的角度揭示了其破坏机理。结果表明：试样的动态力学特性具有较强的应变率效应,动态抗压强度与应变率呈线性关系增长;随着冲击载荷增大,试样的动态抗压强度、动态弹性模量和极限应变在一定范围内均增大,破坏模式具有从张拉破坏向剪切破坏变化的趋势;应力波在试样内部反射形成的拉伸波在试样内部轴心叠加是导致内部裂纹扩展贯通破坏的主要原因。     

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。     

冲击载荷作用下煤的破坏特性试验研究

为研究煤的动态破坏特征,利用霍普金森压杆(SHPB)实验系统开展了不同应变率下的煤样冲击实验,分析了煤动态力学特性及其力学参数随应变率的变化规律,研究了煤样破坏形式,并利用分形理论定量描述了煤破坏后的自相似性。研究结果表明:煤的动态应力-应变曲线基本不存在下凹段,可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和塑性软化3个阶段;煤的平均应变率和最大应变率随冲击气压的增加符合指数增长规律,动态弹性模量和动态抗压强度随应变率遵循线性变化规律;冲击载荷作用下,煤的破坏主要以劈裂破坏和碎裂破坏2种形式出现,且破碎后的形态具有明显的自相似性,其分形维数随应变率线性增加;动态抗压强度、弹性模量与分形维数近似正相关关系。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

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。     

不同应变率下砂岩的动态力学特性研究

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。     

一维动静组合加载下岩石力学特性的数值模拟研究

为了探究一维动静组合加载下岩石的力学特性,采用数值模拟方法,对岩样进行模拟,以岩石单轴抗压强度的0%、20%、50%和80%作为轴压值,分别设置动荷载值进行加载。通过对模拟的应力-位移曲线、强度、应变、破坏特征进行分析,得出以下结论:在不同的轴压和动载下,峰后曲线出现应变回弹,应力跌落,峰后塑性3种变化;动态抗压强度随着应变率的增大而提高,随着轴压的增大,动态抗压强度呈现先增大后减小的趋势;轴压一定时,改变动载幅值,应变曲线出现先增大后减小、峰后曲线不随加载时间变化、一直增大3种变化趋势;无轴压下岩样的破坏模式为拉伸破坏,有轴压下岩样的破坏模式为压剪破坏。     

动静组合加载含水煤样的力学特征及细观力学分析

为分析含水煤样在动静组合加载下的力学性质,利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验。结果表明:静载加载,煤样的应力-应变关系形态与动静组合加载应力-应变关系形态明显不同,煤样的峰值强度、弹性模量随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d煤样抗压强度软化系数分别为0.66和0.52;动静组合加载,煤样动态峰值强度随饱水时间增加而降低,饱水3 d和7 d抗压强度软化系数分别为0.65和0.60,动态弹性模量却逐渐升高,提高系数分别为1.15和1.37,与饱水砂岩试验结果相比不同;动静组合加载煤样随饱水时间增加煤样破坏颗粒度逐渐减小,水对煤样动态破坏影响较显著;基于翼形裂纹受压扩展原理,推导出动静组合加载下饱水煤样动态强度计算公式;煤样动态强度比静态强度试验结果提高10%~30%,表明动静组合加载下煤样的变形、强度特征与煤样自身结构、含水状态和加载方式多重因素有关。     

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%。     

聚丙烯纤维加筋铁尾矿砂的宏/微观结构特性分析

为研究聚丙烯纤维对聚丙烯纤维加筋铁尾矿砂的抗剪性能、抗压性能和宏/微观结构特性的影响，使用抗剪强度确定其抗剪性能，用无侧限抗压强度确定其抗压性能，并采用宏观破坏和扫描电子显微镜（SEM）微观分析相结合的方法，评价纤维加筋尾矿砂的结构变化。试验研究了纤维掺量和含水率对尾矿砂试件的影响，结果表明：纤维是影响试件抗剪强度和单轴抗压强度的重要因素，且增强效果主要取决于筋/砂之间界面的摩擦和黏结。直剪和无侧限抗压强度试验最佳的纤维含量是0.3%，最佳的含水率为12%。此外，宏观结构破坏分析和SEM微结构试验表明：聚丙烯纤维的作用主要是桥接裂纹，通过筋/砂界面的摩擦和黏结抵消外力，以达到提高强度的目的。     

万福煤矿深厚表土层冻土力学性质试验研究

针对山东万福煤矿深厚表土采用冻结法施工的基础数据不足及工程经验欠缺等难题,采 集万福煤矿的深部土样,开展深厚表土层冻土力学性能参数的测试与研究。结果表明:在本试验 设计的冻结温度下,冻土试样的单轴抗压强度、三轴抗压强度、蠕变应力及冻胀力随着冻结温度 的降低均呈现增大的趋势,同时深部表土层的冻土蠕变性质表现尤为明显,含水率和采样深度对 冻结壁设计的影响不可忽略。通过对原状土单轴压缩试验、三轴抗压强度试验、单轴蠕变试验、 冻胀试验等数据进行多元回归分析,综合考虑冻结温度、含水率和采样深度对冻土试样力学性能 的影响,归纳得到的数学模型拟合程度高,相关性好,为深厚表土层冻结壁的设计和在不同地层 地质条件下力学参数的确定提供了技术支撑。     

白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

花岗岩冲击力学特性及损伤演化模型

使用分离式霍普金森压杆(SHPB)对花岗岩进行不同应力波波长(0.8~2.0 m)和不同应变率(20~120 s-1)组合下的冲击试验,对其动态力学特性和损伤演化规律进行了研究。试验得出:花岗岩的动态抗压强度与应变率呈线性正相关,动态抗压强度因子与应变率的自然对数呈线性正相关;峰值应变与应变率呈线性正相关,且波长的增加使峰值应变水平整体抬升。通过多次冲击试验得出:在同一波长下,花岗岩的累积损伤随着应变率的增长呈指数型递增形式;当保持应变率范围不变的情况下,增大应力波波长,花岗岩的损伤累积效应加剧,依然呈指数型递增形式;在多次冲击作用下,花岗岩损伤整体发展趋势相似,但增长速率加快;并由此建立以指数函数为基础的损伤演化模型,确定出模型中参数物理意义,该模型能够同时能反映应力波参数和冲击次数影响。通过验证表明模型的合理性及参数物理意义的正确性。     

不同长径比煤样动力学特征及本构模型

为研究冲击荷载下不同长径比煤样的动力学性能,借助改进的霍普金森压杆实验装置(?75 mm),开展6个冲击等级(4.18~8.03 m/s)、4种长径比(0.33~1.33)下的冲击压缩实验,并结合灰色关联理论分析动力学参数与长径比之间的关联性,建立基于力学机制、Weibull分布、D-P准则的4参数单轴煤岩强度型统计损伤模型。研究表明:①煤样长径比与应变率、动抗压强度、耗散能均呈二次函数关系,且耗散能随长径比增加而降低; 与电磁能呈一次函数关系,且保持正相关。②煤样长径比对动力学参数的影响排序为:电磁能(0.88)>动抗压强度(0.84)>耗散能(0.81)>应变率(0.78)。③基于Weibull分布、D-P准则构建初始本构模型,并借助动抗压强度σ_max与应变率、长径比n的关系修正,进而对比实验应力-应变曲线,验证模型可靠性(R2>0.91)。     

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。