灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

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。     

单一试件确定岩石动态抗压强度的方法EI北大核心CSCD

通过从破裂形态、能量吸收和力学参数这三个方面对岩石在中、低应变率下的动态破坏机理的分析,提出了一种快速计算岩石动态抗压强度的方法。采用拟静力法结合虚功原理建立关系式,认为外力对岩石所作的功超过了岩石发生的内部能量损耗,岩石无法承受该外荷载而发生破坏。因此动态抗压强度σ_(cd)等于静态抗压强度σ_c与应变率效应导致的强度提高值之和。最后将动态抗压强度计算值与已有文献的实验解进行对比,吻合度良好。     

单一试件确定岩石动态抗压强度的方法

通过从破裂形态、能量吸收和力学参数这三个方面对岩石在中、低应变率下的动态破坏机理的分析,提出了一种快速计算岩石动态抗压强度的方法。采用拟静力法结合虚功原理建立关系式,认为外力对岩石所作的功超过了岩石发生的内部能量损耗,岩石无法承受该外荷载而发生破坏。因此动态抗压强度σ_(cd)等于静态抗压强度σ_c与应变率效应导致的强度提高值之和。最后将动态抗压强度计算值与已有文献的实验解进行对比,吻合度良好。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。     

不同内径圆环砂岩试件温水耦合动态劈裂力学试验研究EI北大核心CSCD

煤矿巷道围岩经常处于地下水和温度共同作用环境中。由于岩石动抗拉强度远小于其动抗压强度,当受到掘进爆破等动载作用时岩体破坏往往取决于动抗拉强度,温水耦合岩石在动荷载扰动下动态抗拉力学性能值得深入研究。对不同内径圆环砂岩试件(外径50 mm,内径0~25 mm)进行温水耦合作用,开展X射线衍射和扫描电子显微镜试验,并利用霍普金森压杆试验装置进行动态劈裂力学特性试验研究。结果表明:温水耦合作用使砂岩试件产生损伤劣化,基本物理参数发生变化,动力学性能呈现出弱化现象;相同加载条件下,圆环砂岩试件内径增大,试件更易发生张拉破坏;劈裂后的半圆环发生了挤压断裂;相同内径时,温水耦合作用砂岩试件碎块更加明显;从能量耗散角度对试件破碎形态进行分析。     

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。     

砂胶比对海水拌合全珊瑚骨料混凝土动态力学性能的影响

珊瑚岛礁工程建设对于保障国家海洋权益具有重大战略意义。随着海洋资源的开发和建设，利用珊瑚骨料制备混凝土已在岛礁工程中得到广泛应用。为探究砂胶比对海水拌合全珊瑚骨料混凝土动态力学性能的影响，基于霍普金森压杆试验分析不同应变率、不同砂胶比(0.8—1.2)下试件的破坏模式、动态压缩强度、动态弹性模量和韧性指标等的变化规律。研究结果表明：动态压缩强度随砂胶比增大小幅度提高，当应变率为120 s^-1时，动态压缩强度提高6.7%;动态弹性模量变化规律与动态压缩强度变化一致，当应变率大于80 s^-1时，提高幅度最高可达24.1%;韧性指标和相对韧性指标随砂胶比增大而增大，当砂胶比增加到1.2时两者分别增大13.4%和37.8%。此外，通过试件破坏形态分析，海水拌合全珊瑚骨料混凝土在承受相同冲击荷载时，低应变率时试样破坏差异性不大，高应变率下砂胶比越高的混凝土破坏程度越低。由此可见砂胶比的增加确实会提升海水拌合全珊瑚骨料混凝土的抗冲击性能，导致其抗冲击性能、延性和抗压强度提高。     

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     

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。     

Mechanical properties of ceramic fiber-reinforced concrete under quasi-static and dynamic compression

The research herein is made on the quasi-static and dynamic mechanical properties of ceramic fiber reinforced concrete (CRFRC for short) through the adoption of a hydraulically-driven testing system as well as a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) system. As test results have turned out, such quasi-static properties as compressive strength, splitting tensile strength and flexural strength of CRFRC increase with the rise in the volume fraction of fiber. Within the strain range of 20–120 s⁻¹, the effect of the axial strain acceleration on the dynamic strength of CRFRC could be ignored. Therefore, the dynamic increase ratio (DIF) derived from SHPB tests can truly reflect the dynamic enhancement of CRFRC. The dynamic strength, critical strain and specific energy absorption (SEA) of CRFRC are sensitive to the strain rate. The addition of ceramic fiber to plain concrete can significantly improve its properties—dynamic strength, critical strain and energy absorption. And also, an analysis is conducted of the mechanism for strengthening and toughening the concrete.     

高应变率加载下复合泡沫塑料的吸能特性及失效机理研究

通过SHPB冲击实验装置对空心玻璃微球填充聚氨酯复合泡沫塑料进行了动态压缩实验,获得了不同密度复合泡沫塑料在高应变率加载条件下的应力-应变曲线,研究了材料的动态力学性能。基于所获得的应力-应变曲线,进一步分析和讨论了复合泡沫塑料的能量吸收特性,发现材料最佳吸能点的包络线是同一直线。此外,通过动态变形试件的扫描电镜分析,还研究了这类新材料的动态失效问题。     

Effect of strain rate on the dynamic compressive mechanical behaviors of rock material subjected to high temperatures

Strain rate is not only an important measure to characterize the deformation property, but also an important parameter to analyze the dynamic mechanical properties of rock materials. In this paper, by using the SHPB test system improved with high temperature device, the dynamic compressive tests of sandstone at seven temperatures in the range of room temperature to 1000 °C and five impact velocities in the range of 11.0–15.0 m/s were conducted. Investigations were carried out on the influences of strain rate on dynamic compressive mechanical behaviors of sandstone. The results of the study indicate that the enhancement effects of strain rates on dynamic compressive strength, peak strain, energy absorption ratio of sandstone under high temperatures still exist. However, the increase ratios of dynamic compressive strength, peak strain, and energy absorption ratio of rock under high temperature compared to room temperature have no obvious strain rate effects. The temperatures at which the strain rates affect dynamic compressive strength and peak strain most, are 800, and 1000 °C, respectively. The temperatures at which the strain rates affect dynamic compressive strength and peak strain weakest, are 1000 °C, and room temperature, respectively. At 200 and 800 °C, the strain rate effect on energy absorption ratio are most significant, while at 1000 °C, it is weakest. There are no obvious strain rate effects on elastic modulus and increase ratio of elastic modulus under high temperatures. According to test results, the relationship formula of strain rate with high temperature and impact load was derived by internalizing fitting parameters. Compared with the strain rate effect at room temperature condition, essential differences have occurred in the strain rate effect of rock material under the influence of high temperature.     

短纤维对泡沫铝压缩力学性能与吸能特性的影响研究

为探索闭孔泡沫铝加入短纤维后的力学性能和吸能特性变化规律。利用熔体发泡法在铝熔体中加入短碳纤维后制作得到纤维增强泡沫铝,通过万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对泡沫铝、纤维增强泡沫铝进行准静态和中应变率下(0.001~100 s-1)的动态力学性能测试,分析了纤维长度、纤维含量对泡沫铝力学性能和吸能特性变化规律。研究结果表明,纤维在泡沫铝内部主要呈现三种不同的形态模式:穿透模式、贯穿模式和嵌入模式;在平均孔径为2 mm的泡沫铝中加入长度为1 mm的纤维后,大多数纤维呈现穿透模式,泡沫铝整体性能下降,加入等含量长度为3 mm的纤维后,大多数纤维呈现贯穿和嵌入模式,平台应力和吸能效率有所提升;加入纤维后,泡沫铝整体呈现更为明显的应变率效应。     

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。     

纤维早强混凝土不同龄期的动态力学性能

早强混凝土在抢修、抢建及特殊工况中应用较广,其早期动态力学性能对其正常使用、安全评估等具有重要意义。制备了纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%和0.3%的玄武岩纤维早强混凝土,利用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对其1d、7d和28d的动力学性能展开研究。结果表明:玄武岩纤维早强混凝土动态力学性能具有显著的应变率强化效应,动态压缩强度和比能量吸收均随着应变的升高而显著增强;随着龄期的增加,早强混凝土的动态抗压强度和比能量吸收均增大,且均表现出前期增长迅速,后期增长缓慢的规律,在对比欧洲混凝土协会(CEB)等给出的应变率增长因子(DIF)计算公式后,提出了基于龄期增长的DIF计算模型;掺入玄武岩纤维对早强混凝土不同龄期的动态抗压强度和吸能性能均有不同程度的提升,纤维掺量越大,性能改善越明显。     

Impact energy absorption characteristics of composite structures

The tensile and compressive tests of glass–epoxy composites with 1–200 s⁻¹ strain rates which are typical strain rate range during automobile crash accidents were performed in order to measure the strength variation with respect to strain rate. The tests were performed using both a horizontal type pneumatic impact tester and a conventional dynamic universal test machine with strain-rate-increase mechanisms. Also, the impact energy absorption characteristics of glass fiber reinforced composites were estimated using the newly proposed progressive impact fracture model. From the experiments and predictions, it was found that the proposed method predicted relatively well the experimental results.