围压下岩石的冲击力学行为及动态统计损伤本构模型研究

采用改进后具有主动围压加载装置的f100mm 分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,研究了斜长角闪岩在不同围压等级(0MPa~6MPa)和不同应变率(50s^-1~170s^-1)下的冲击压缩力学性能。试验结果表明：在相同围压下,斜长角闪岩的动态抗压强度随应变率的增加而近似线性增加,动态增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,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,岩石的增强效果逐渐增强,显现出较强的围压效应。采用组合建模的方法,将统计损伤模型和粘弹性模型相结合,建立了基于Weibull 分布的动态损伤本构模型。验证发现,修正后的模型曲线和试验曲线吻合较好,表明所构建本构模型是合理的,可为进一步研究和工程应用提供一定的参考。     

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。     

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。     

地质聚合物混凝土的冲击力学性能研究

摘 要：以矿渣与粉煤灰为原材料,制备地质聚合物混凝土（geopolymeric concrete, GC）。采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）装置研究了不同强度等级的GC的冲击力学性能,包括抗压强度、变形及能量吸收特性的应变率效应问题。结果表明：GC的冲击力学性能呈现出显著的应变率相关性,强度的应变率敏感值为42.7 s-1;随着强度等级的提高,GC的变形能力反而降低。GC属于准脆性材料,相对于单一的强度或变形特性,GC的能量吸收特性更值得关注。     

被动围压下浇注PBX炸药的动态力学性能研究

为获取一种浇注PBX炸药在被动围压加载下的动态力学性能,采用基于分离式霍普金森杆系统的被动围压试验装置开展了不同应变率(200、600 s^-1)下该浇注PBX炸药的力学性能测试,并通过改变围压管壁厚（4、10 mm）分析了围压应力对试样轴向应力的影响。结果表明:随着应变率和围压管壁厚的增加,被动围压下浇注PBX炸药的轴向应力（给定轴向应变）和围压应力（给定轴向应力）均呈增大趋势;且轴向应力随围压应力的增加呈指数增加。拟合得到被动围压下屈服点轴向应力与约束比之间的函数关系,与试验结果吻合良好。     

冲击压缩载荷作用下杨木的力学性能研究

通过SHPB动态压缩实验,对杨木在高应变率条件下的力学特性进行了研究。基于一维应力波理论的分析表明,尽管杨木相比于金属压杆具有较低的波阻抗,其SHPB动态压缩实验中试样两端的应力均匀性条件仍可以得到满足,而不需要进行入射波整形。通过在透射杆上使用半导体应变片,可以获得具有较高信噪比的透射波信号。结合杨木的准静态实验结果发现,其应力-应变曲线具有多孔材料的典型特征。轴向试样具有Ⅱ型吸能结构特征,失效应力和平台应力都具有应变率敏感性,其平台应力的敏感性稍弱;弦向试样具有Ⅰ型吸能结构特征,没有明显的失效强度,其平台应力具有应变率敏感性,与通常的Ⅰ型吸能结构相比存在一定差异。通过对实验数据的拟合,发现应变率对杨木失效强度的影响符合对数率。     

Ф100mmSHPB应力均匀及恒应变率加载试验技术研究

大直径分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置被越来越多地应用于混凝土等脆性材料的高应变率力学性能研究,试件在破坏前,满足应力均匀分布要求,且保持恒应变率加载,是保证SHPB试验有效性及试验结果可靠性的关键。以提高试验结果准确性为研究目标,以C50素混凝土的SHPB试验为例,采用Ф100mmSHPB试验装置,对试验中的应力均匀及恒应变率加载技术进行研究,包括波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性检验。结果表明：厚度为1mm,直径分别为20mm、25mm、30mm、35mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果,可将入射脉冲上升沿的升时延长1～2倍,且波形呈半正弦状;应变率对于波形整形器的直径很敏感,随着整形器直径的增大,最佳近似恒应变率也在增加,一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率,且与整形器的直径之间满足线性函数关系。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究

为了研究在动载荷下岩石破裂的声发射特性,采用霍普金森(SHPB)实验系统对三种岩石进行不同应变率下的冲击载荷破坏实验,同步采集破坏过程的声发射参数,从应力—应变、幅值分布、振铃计数变化以及峰值频率分布等方面进行了分析与研究。实验结果表明:力学特性方面,随着应变率增大,三种岩石的动态强度随之增大,极限应变也随之增大,且岩石试样的破碎程度随之增大,表现为碎块的尺寸减小、块数增加、碎屑增多。在声发射特性方面,三种岩石的峰值频率主要在550 k Hz以下,且随着应变率的增加,三种岩石的振铃计数都随之增大,低幅值信号比例增加,峰值频率在100 k Hz以下的低频信号随之减少,100~200k Hz以及400~550 k Hz的中高频信号随之增多,说明峰值频率有向中高频移动的趋势。     

围压条件下砂岩循环冲击损伤的力学与超声分析

采用带围压装置的φ100mm霍普金森压杆系统,对砂岩试样进行了单轴冲击和4MPa、20MPa围压条件下的循环冲击试验,并对每次冲击前后的砂岩试样进行超声纵波检测,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的应力、应变特征,定义了砂岩试样的屈服-弹性比用以描述围压下试样应力应变曲线的弹塑性特征,采用纵波波速定义了砂岩试样的冲击损伤并分析了循环冲击试验中砂岩试样纵波波速和应力应变之间的关系。分析发现：在围压作用下,应力－应变曲线呈现典型的弹塑性特征。随着冲击荷载循环作用次数的增加,砂岩试样屈服应力、峰值应力降低,屈服应变、峰值应变增加。随着循环冲击作用次数的增加,砂岩试样的应力、应变特征与纵波波速之间存在良好的相关关系。较低围压状态下累计损伤度明显高于较高围压下砂岩的累积损伤,砂岩循环冲击损伤具有明显的围压效应。研究结果对地下工程的建设和防护有一定的指导意义。     

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。     

EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了多种EPS体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的力学行为。分析了平均应变率以及EPS体积掺量对EPS混凝土的冲击力学性能的影响。采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了EPS混凝土非线性粘弹性本构模型。结果表明：在高应变率条件下,EPS混凝土的动态抗压强度与极限应变随平均应变率的提高近似线性增长,呈现出显著的应变率相关性。随着EPS体积掺量的增加,混凝土的动态抗压强度和弹性模量降低,变形能力得到改善。本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,ZWT模型可以较为准确地描述EPS混凝土的高应变率力学行为。     

冲击荷载作用下EPS混凝土动态性能研究

配置聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,EPS)颗粒体积掺量分别为10%,20%,30%,40%,50%的EPS混凝土,采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,以动态抗压强度和临界应变为指标,研究EPS混凝土在冲击荷载作用下的动态性能,探索EPS颗粒对混凝土动态性能的改善机理。结果表明:由于应变率效应,相同体积掺量的EPS混凝土动态抗压强度与临界应变随应变率的增加而提高,具有显著的应变率相关性;以临界应变为变形性能指标,由于EPS颗粒的微结构效应,在EPS颗粒体积掺量0～40%范围内,其变形性能随EPS体积掺量的增加而提高,当EPS颗粒体积掺量达到50%时,其变形能力有所降低。EPS颗粒体积掺量为40%时对混凝土变形性能的改善效果最佳。     

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆 (SHPB) 试验装置研究了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击压缩力学性能 , 并对试验的有效性进行了分析。结果表明: 玄武岩纤维混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的对数近似呈线性关系 , 强度与变形能力随平均应变率的提高而线性增加 , 体现了很强的应变率相关性 ; 纤维体积掺量为 0. 1 %的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的动态抗压强度提高了 26 % , 变形能力提高了 14 %; 纤维体积掺量分别为 0. 2 %、 0. 3 %的玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度比素混凝土高出 25 %左右 , 而变形能力较素混凝土无明显优势 ; 在玄武岩纤维混凝土的 SHPB试验中 , 试件破坏时刻为 123. 3～239.μ45 s , 近似恒应变率加载时间比例约为 62 % , 且应变率曲线的波动范围控制在 23 %左右 , 能够较好地满足应力均匀分布及恒应变率加载要求 , 表明 SHPB试验结果可靠。