三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。     

主动围压作用下水泥粉质黏土SHPB试验与分析

为研究围压状态下水泥粉质黏土的冲击压缩特性,进行了不同围压和不同应变率条件下水泥粉质黏土的霍普金森压杆(SHPB)试验,分析了围压和应变率对水泥粉质黏土动态应力-应变曲线、冲击压缩强度以及破坏形态的影响。试验结果表明:围压和单轴状态下的水泥粉质黏土动态应力-应变曲线均经历弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,但是两种状态下水泥粉质黏土试样的破坏形态不同,单轴条件下水泥粉质黏土试样的破坏程度随应变率增加而逐渐变大,围压作用下水泥粉质黏土在冲击试验后保持较好的整体性。围压和应变率共同影响水泥粉质黏土的冲击压缩强度:相同应变率条件下,水泥粉质黏土冲击压缩强度随围压的增加而增大;相同围压条件下,水泥粉质黏土峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,表现出明显的应变率效应。     

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

为研究岩石在中低速冲击下的动力特性,利用MTS和落锤冲击试验系统进行了红砂岩准静态和动态单轴压缩试验,获得了10-2-101.7 s-1应变率范围砂岩全应力-应变曲线。结果表明,中低应变率加载条件下,砂岩经历典型压密、弹性变形、非稳定裂纹发展至脆性破裂后阶段。随着加载应变率的提高,砂岩峰值应力及其对应应变、残余应变均逐步增加,破坏模式则由X状共轭剪切破坏转变为劈裂破坏;动态强度增长遵循热活化和宏观黏性机制联合作用规律;中低应变率下岩石的吸收总能量和弹性应变能随变形演化规律基本一致,且弹性应变能和较耗散应变能的应变率效应更为显著。     

围压卸荷条件砂岩动静组合加载碎块分维特性

利用带轴向静压和主动围压加载装置的分离式霍普金森压杆试验设备,研究了砂岩试样在不同轴向静载等级(0MPa~72MPa)、不同冲击能量下的动态力学特性,结合分形理论和能量原理,分析高应力试样破裂块度分布规律及其能量的相关性。试验结果表明:在轴向静载一定的情况下,砂岩试样的动态压缩强度随冲击能量的增大而提高;试样发生临界破坏,冲击能量随轴向静载的增大出现先增加后减小,试样破坏形态由中心破裂向更为复杂的压剪破裂转变;在较高轴向静载下,碎块分维数与冲击能量之间呈现非线性递增关系,表明较小的冲击能量有助于诱发高轴向静载储能释放,提高砂岩试样破碎程度。     

大理岩三轴压缩变形破坏与能量特征研究

利用伺服试验机对大理岩进行了常规三轴压缩试验,基于试验结果,研究了岩样三轴压缩变形破坏及其能量特征。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石峰值应变与围压成正线性关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。岩石破坏应变能随着围压的增大而增大,且两者成正线性关系;岩石全部断裂能随着围压的增加亦成正线性增加。     

循环冲击作用下围压对斜长角闪岩动态特性的影响研究

利用带围压装置的直径为100mm的霍普金森压杆设备对围压条件下斜长角闪岩在循环冲击作用下动态力学性能进行试验研究,分析了斜长角闪岩的应力-应变曲线随冲击荷载循环作用次数的变化特性、动态杨氏模量与围压和应变率之间的关系,以及斜长角闪岩的能量吸收率与应变率和围压等参量之间的关系。研究结果表明,在围压和冲击荷载一定的情况下,随着冲击荷载循环作用次数的增加,岩石的杨氏模量变小。岩石破坏面上的正应力随围压的增加而增加,在裂隙摩擦滑移的作用下,围压状态下岩石的破裂面上会产生明显的粉末状岩粉。在吸收能量相同的情况下,围压越高,岩石破坏时形成的损伤面的面积越小,破碎程度越低。相同围压等级情况时,斜长角闪岩的能量吸收率随着应变率的增加而提高;当应变率相同时,斜长角闪岩的能量吸收率随围压的增加而减小。得到了能量吸收率随应变率和围压变化的关系式。     

单轴动态加载下冻土的力学性能实验研究

为研究冻土单轴加载下的冲击动态力学性质,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)在-28～-3℃不同负温下对人工冻土进行了应变率范围800～1500s-1的冲击实验.获得了人工冻土在不同温度与不同应变率下的应力应变关系,发现人工冻土具有显著的应变率效应和温度效应,即冻土动强度随应变率增大和温度的降低而增大.单轴高应变率加载下,冻土没有明显的屈服现象,加载后试样完全破坏.     

考虑岩石应变率效应的DDA程序

针对原经典DDA程序在研究岩石动力学问题时不考虑岩石的应变率效应,在DDA程序中引入与岩石应变率相关的动态强度表达式,将块体间接触弹簧破坏准则发展为动态破坏准则,进而完善DDA程序对岩石动力学破坏问题的处理能力。用原DDA程序和改进DDA程序对动载作用下岩石单轴拉、压破坏实验进行模拟,两者的模拟结果对比分析表明:在不同的加载速率作用下,原DDA程序得到的失效应力和破坏形式基本没有变化,这与实验结果不相符。但是,在不同的加载速率作用下,改进的DDA程序得到破坏形式能与实验结果相符,且能体现动载作用下岩石动态强度随加载速率的提高而增大的强度特性。     

主动围压下岩石的冲击力学性能试验研究

利用具有主动围压加载装置的直径为100 mm分离式Hopkinson压杆（SHPB）试验装置和薄圆形紫铜片作为波形整形器,研究了斜长角闪岩在不同围压等级（0~6 MPa）、不同应变速率（50~170 s-1）下的动态力学性能,并对试验有效性进行了分析。试验结果表明：斜长角闪岩的动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,强度与比能量吸收随应变率的增加而近似线性增加,体现了显著的应变率相关性;在同等级应变率范围内,随着围压的增加,岩石的增强效果与增韧效果逐渐增强;同时发现,在围压作用下,岩石的破坏由拉伸破坏向压剪破坏逐渐过渡和发展。SHPB试验中,近似恒应变率加载时间比例约为69.5 %,能够较好地满足应力均匀分布及近似恒应变率加载要求,表明SHPB试验的有效性和结果的可靠性     

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律,利用Ø50mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对45#钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中,岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强,试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1.2倍,破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍,且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势,试件破坏为压剪破坏模式,与无围压SHPB试验有所不同。