隧道围岩爆破冲击损伤防护的轻气炮试验及数值模拟

为减小爆破对隧道围岩的损伤破坏,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该装药结构爆破过程中对隧道围岩损伤防护的机理。为进一步验证PVC-U管的防护效果,利用57mm口径的一级轻气炮装置和LS-DYNA软件进行了岩石冲击损伤破坏分析。结果表明：保护层能够降低岩石试件冲击面上的应力波峰值和减小试件的损伤程度;在相同冲击速度下,岩石试件冲击面上的应力波峰值随保护层厚度的增加而不断下降。加有4mm保护层材料的岩石试件的损伤度较无保护层时降低了21.1%。对岩石试件的冲击过程进行的数值模拟验证了理论分析和试验结果的正确性。说明放置在炮孔内的PVC-U管能够对岩石的爆破损伤破坏起到一定的防护作用。     

喷层混凝土-围岩组合体波动特性及动力特性研究

针对早龄期喷层混凝土与围岩黏结面近区介质的动态冲击问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,分别对龄期为3 d,7 d,10 d喷层混凝土-围岩组合体试件进行SHPB试验,对其应力波传播规律及其动态力学特性进行了研究。试验结果表明:透射系数与冲击速度和混凝土龄期密切相关,随冲击速度的增大,不同龄期试件透射数均呈减小的变化趋势,相同冲击速度下,透射系数随试件龄期的增大而增大;随着应变率的增大,试件混凝土破坏模式由张应变破坏向压剪破坏转变,岩石呈现出张拉破坏特征;组合体动态抗压强度及动态强度增长因子随应变率的增大而增大;应变率大于80 s~(-1)时,3 d龄期试件表现出塑性特性,7 d和10 d龄期试件则表现出脆性特性。     

波阻抗对岩石动力学特性影响的模拟试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明:岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。波阻抗相同时,反射波和透射波信号幅值均随冲击速度增大呈线性增大,同时应变率效应明显,随着应变率的增大:峰值应力呈线性增大,动态弹性模量增大,应变软化阶段延长;破碎程度增大,破碎块度分形维数呈线性增大。应变率相同时,随着波阻抗的减小:反射波幅值增大、透射波幅值减小;峰值应力减小,应变软化阶段延长,塑性段趋于明显,且有塑性流动现象出现;破碎程度增大,破碎块度分形维数增大。同时随着波阻抗减小,应变率增大对动态抗压强度的增大以及对破碎程度的加剧效果减弱,应变率效应减弱,逐渐趋于不明显。     

喷层混凝土-围岩组合体的循环冲击压缩试验研究

针对巷(隧)道爆破开挖施工中,喷层混凝土和围岩黏结面近区双层介质动态力学问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,对龄期为3 d,7 d,10 d的混凝土-岩石组合体试件进行不同冲击气压的循环冲击试验。结果表明,早龄期混凝土对组合体试件的动力特性影响较大,在0.52 MPa冲击气压下,循环冲击2次后,组合体试件力学特性由塑性转变为脆性,峰值应变减小,弹性模量增大,随着循环冲击次数的增加,组合体试件力学性能被劣化,峰值应变增大,弹性模量降低;循环冲击后,混凝土与岩石端面均出现张拉损伤裂纹,混凝土损伤较岩石严重。对比0.54 MPa和0.56 MPa试验结果,发现试件耗散能与损伤值呈负相关关系,低入射能条件下组合体试件损伤更小,这对现场施工具有重要的指导意义。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT - 150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验.根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式.研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与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,且递增的程度随围压的增加而增加.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.     

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。     

充填材料对节理岩石动力学性能影响的模拟试验

采用相似材料模拟制作与真实节理岩石性质相同的节理模型试件,通过在大直径(50 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)装置上对人工制作的节理岩石试件进行冲击试验,探究节理充填材料对岩石动态力学性能的影响。试验结果表明:随着充填材料强度的降低,节理试件动态弹性模量降低,动态抗压强度呈指数形式衰减,软材料充填的试件呈现塑性破坏,试件整体破坏形态与充填材料性质相关。能量分析,反射能量比随充填材料强度降低呈增大趋势,透射能量比降低,耗散能量比与充填材料性质相关,由能量表征的损伤变量与冲击速度呈弱幂函数关系,满足d=-0.11v2+1.31v-3.01,试件破坏时的损伤d=0.458。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

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。