冲击压缩荷载下角闪岩的动态力学性能试验研究

 利用直径为f 100 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置和薄圆形紫铜片作为波形整形器,以不同速度轴向冲击角闪岩试样,测试角闪岩试样在应变率范围为40～150 s－1内的动态力学性能,并对试验的一致性进行讨论。考虑试样尺寸大小对试验结果的影响,分析冲击压缩荷载作用下试样的波形曲线,动态抗压强度,强度增强因子,比能量吸收与平均应变率之间的关系。研究结果表明：角闪岩的动态强度增强因子与平均应变率的对数呈近似线性关系,抗压强度与比能量吸收随平均应变率的增加而近似线性增加,同时发现岩石试样的破坏应变基本上随着应变率的增加而增大,体现了显著的应变率相关性,但其初始弹性模量对应变率不敏感。从3个方面对冲击加载下角闪岩的应变率硬化效应进行分析。试验一致性验证结果表明,SHPB试验结果具有较好的可靠性,该试验方法与结论对其他类型的脆性材料动态力学性能的研究具有一定的参考意义。     

动荷载与地应力对岩石响应特性的影响试验研究

地下岩体工程爆破开挖施工过程中,距爆源不同距离处地应力和动荷载大小不同,导致岩石具有不同的响应特性。为研究不同大小动荷载与地应力对岩石动态强度和变形特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置5个冲击速度和轴向静应力等级,分别模拟不同大小的动荷载和地应力,对红砂岩进行三维动态压缩试验。分别分析不同冲击速度和静应力工况下红砂岩平均应变率、动态峰值应力(或动态压缩强度)、极限应变、动态变形模量的变化规律,分别构建红砂岩动态响应参数的演化经验模型,表征岩石动态响应特性。研究结果表明:(1)红砂岩应变率受冲击速度和静应力的影响较大,平均应变率随轴向静应力的增加先减小后增大,随冲击速度的增加呈幂函数增长。(2)相同三维静应力下,随着冲击速度的增加,红砂岩峰值应力和极限应变都呈幂函数增加。(3)相同冲击速度下,随着轴向静应力的增加,红砂岩峰值应力先增大后减小,极限应变先减小后增大。(4)随着轴向静应力的增加,红砂岩临界冲击速度与动态压缩强度均先增大后减小。研究结果有益于岩石动力学理论的完善,也有助于根据工程爆破炸药类型和用量预测围岩体的响应特性及稳定性。     

低温下钢纤维混凝土 SHPB 试验研究

采用74mm 分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置对四种不同含量的钢纤维混凝土试件在-40℃下进行了冲击试验,分析了低温环境下应变率对钢纤维混凝土试件的影响,探讨了低温动力学试验中钢纤维含量对试件动强度的影响规律。试验结果表明,钢纤维的加入对混凝土的动态力学性能有较大的提高,较理想的钢纤维掺量为1.5%。     

冻融循环作用下花岗斑岩动载强度研究

 对冻融前后的花岗斑岩进行相关静态、动态力学试验,获得岩样不同冻融次数下的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度及冲击动载应力～应变曲线。在Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型参数分析的基础上,对经历不同冻融次数的花岗斑岩进行SHPB试验模拟。结合室内试验数据与数值模拟计算结果,分析花岗斑岩动载强度与应变率及冻融次数的关系。研究结果表明：岩样冻融前后动态应力～应变曲线形态有所区别,SHPB试验的反射波和透射波形态发生明显变化,相同入射波情况下试样产生不同的应变率;SHPB试验数值模拟结果与实测值吻合较好,得到的不同冻融次数下花岗斑岩HJC模型参数是可靠的,数值模拟与室内试验相结合是研究分析的有效方法,二者优势互补;花岗斑岩动态强度受冻融次数与应变率共同影响,其影响效应相反,相互耦合。岩石冻融循环作用下的动载强度研究是一项重要课题,是冻融损伤条件下岩石动态本构关系研究的基础,对解决寒区露天边坡稳定性问题具有重要意义。     

高应变率下预制单节理岩石SHPB劈裂试验能量耗散分析

应用SHPB试验装置研究预制单节理岩石的能量耗散关系。使用SHPB试验系统,对高径比为0.5的完整花岗岩试样及预制单节理花岗岩试样进行高应变率下的冲击劈裂试验。在相同驱动气压下,改变加载方向与节理间的夹角,完成高应变率相同入射能下的冲击劈裂试验。对SHPB系统中的入射能、反射能、透射能及试样吸收能的时程变化规律进行了分析;从能量角度出发,分析冲击荷载作用下单节理岩石的能量耗散规律及其各向异性特征。结果表明:高应变率下,完整花岗岩试样在冲击劈裂试验中的吸收能随平均应变率增加而增加,表现出显著的应变率相关性;预制单节理岩石与加载方向之间夹角对破坏模式的影响明显,节理试样产生3种破坏模式:(1)穿越节理面的劈裂破坏;(2)沿节理岩石层面的滑移破坏;(3)劈裂与滑移破坏共同作用下的破坏。在入射能基本相同,入射时间较长时节理岩石试样吸收能较入射时间较短时的吸收能大。动态劈裂试验中,节理试样的吸收能随节理角度变化(0°~90°)近似呈U型。研究成果可为节理岩石动态力学性能研究提供参考。     

一种确定岩石类材料真实应变率效应的数值方法

研究表明,分离式霍普金森压杆(SHPB)试验获得的岩石类材料动态压缩强度随着应变率的增加而提高实际上是由材料本身的应变率效应(称为真实应变率效应)、横向惯性效应和端面摩擦效应共同作用的结果,且这3种效应互相耦合。为了确定岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应,需要消除横向惯性效应和端面摩擦效应作用引起的动态压缩强度增量。采用数值模拟的方法分析岩石类材料的SHPB试验,并假定材料的真实应变率效应、横向惯性效应和端面摩擦效应三者不相关。当不考虑材料的真实应变率效应和端面摩擦效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度随应变率的提高而增大便是仅由岩石试样的横向惯性效应引起的;同样的,当不考虑材料的真实应变率效应和横向惯性效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度增加便是仅由岩石试样的端面摩擦效应引起的。在此基础上,从SHPB试验中得到的动态压缩强度数据减去分别由横向惯性效应和端面摩擦效应引起的动态压缩强度增强量,即可获得岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应。通过与已有研究结果比较验证了本文假设的有效性。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

充填节理岩石累积损伤动力压缩特性试验研究

充填节理的动态力学特性及其对应力波传播规律的影响是岩体工程响应和安全性评价的重要依据。由于现有对充填节理岩石累积损伤及动力强度弱化特性研究较少,研究对人工充填节理岩石试样展开了系列试验,分析了岩样累积冲击作用下的损伤演化规律及其对动态力学性能的影响。首先,利用简易落锤冲击装置对岩样进行多次预冲击试验,通过波速变化分析了充填节理岩样的累积损伤变化规律。在此基础上,对不同次数预冲击作用后的充填节理岩石试样进行了SHPB动态冲击破坏试验。通过试验结果,分别从岩样的强度变形特征、波传播特性以及能量耗散等方面分析了累积预冲击作用对充填节理岩石动态力学性能的影响。     

Q345钢材动态力学性能研究

采用MTS材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对我国钢结构建筑中常用的Q345钢进行准静态压缩试验和不同应变率下的冲击性能试验。试验结果表明:Q345钢在动态冲击下的强度明显高于准静态压缩下的强度,具有显著的应变率强化效应;但在分别比较准静态和动态冲击各自区域的应力水平时,发现不同应变率下其值相差不大,表现出对应变率变化不敏感的性质。在试验基础上,拟合得到了可用于冲击荷载作用下进行结构分析的材料本构模型。     

酸腐蚀后灰岩动态抗拉强度试验研究

地下工程普遍面临着地下水的化学腐蚀及开挖扰动荷载的影响,目前,关于化学腐蚀损伤灰岩动力学性能的影响机理,国内外还没有实质性的研究。为研究酸性环境下化学腐蚀对岩石物理力学性能的影响机理,首先通过配置PH值为2、4、6的酸性溶液来研究灰岩孔隙率的变化,然后利用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对腐蚀后灰岩动态抗拉强度进行测定,在分析出试样比能量与酸腐蚀的关系后,进行试样动态抗拉强度与比能量的关系研究,最后通过改变SHPB冲击气压,进行灰岩应变率分析,得出酸腐蚀后灰岩物理力学性能随腐蚀时间和腐蚀强度的变化规律。为研究地下工程腐蚀和动荷载耦合作用对岩石力学性能的影响提供了理论依据。     

冲击荷载下AFRP约束混凝土的动态力学特性及其应用

为探究芳纶纤维增强复合材料(AFRP)约束混凝土的动态冲击力学性能,采用覫100mm SHPB试验系统对C30、C40、C50三种基体强度等级的AFRP约束混凝土进行了动态冲击试验,得到了动态试验下的应力-应变曲线。试验结果表明,高应变率冲击下,AFRP约束条件显著延长了混凝土试件的弹塑性阶段,其延性、强度都有明显提高,并表现出应力率强化效应;约束层数的增加和基体混凝土强度的增大也有助于提高AFRP约束混凝土的抗冲击性能。     

岩石动态强度及其应变率灵敏性的尺寸效应研究

采用波长与岩石试件长度成比例的半正弦应力波加载方式,对长径比为0.5、直径分别为22,36,75 mm的花岗岩、砂岩和石灰岩试件进行不同应变率条件下的SHPB试验.试验结果表明:岩石动态强度随着应变率的增高近似以乘幂关系增大,呈现较强的率依赖性;试件尺寸越大,岩石动态强度对应变率依赖的灵敏性越显著,所测得的岩石动态强度离散性越小;在相同的应变率加载条件下,岩石动态强度随试件尺寸的增大而增加,与静载条件下岩石强度的尺寸效应相反;岩石动态强度的尺寸效应随着应变率的降低而减弱,并由此推断存在一个临界应变率对应着岩石尺寸效应的消失.低于临界应变率时,静载的尺寸效应占主导地位;高于临界应变率时,动态的尺寸效应占主导地位.     

高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用φ50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温(25 ℃)、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃7个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。     

冲击荷载作用下岩石动态力学特性及破裂特征研究

采用分离式霍布金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对灰岩,白云岩和砂岩3类岩石进行动态冲击试验,得到岩石的动强度因子,耗散能密度及破碎尺寸与应变率的变化关系。在此基础上结合晶体离散元方法,采用高分辨率扫描和图像处理技术建立了晶体尺度试样模型,研究岩石材料高应变率力学特性和损伤特征。通过与室内SHPB试验对比,验证数值模拟的准确性。结果表明:岩石材料的动态屈服强度具有明显的率相关性,但弹性模量没有随应变率的增加而显著增加;在高应变率下,材料的动强度因子与应变率更符合Ханукаев公式;随着应变率的增加,岩石的破坏形态出现完整型→劈裂破坏→粉碎性破坏转化,这是由细观裂纹的激活数目以及裂纹间的相互作用关系所决定的。裂纹密度的变化和扩展路径的选择是材料动断裂机制,其宏观表现为材料的率效应和破碎成形。     

PVA-ECC动态压缩性能研究

用杆径为50mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验研究了不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积分数和不同基体强度的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在3种应变率下的动态压缩性能.结果表明:PVA纤维可有效改善PVA-ECC试件的冲击破坏程度,且体积分数越大,试件冲击破坏时的整体性越好;PVA-ECC的动态峰值应力、峰值应变和韧性均随应变率增加而明显提高,表现出较强的应变率效应;PVA纤维体积分数对PVA-ECC动态压缩性能影响明显,尤其对PVA-ECC峰后韧性的影响最为显著,但对PVA-ECC抗压强度应变率敏感性的影响较小;较高基体强度PVA-ECC具有较大的动态峰值应力,但动态峰值应变提高不明显,且其峰后韧性明显降低,不同基体强度对PVA-ECC抗压强度应变率敏感性的影响也不太显著.     

不同含水状态下煤矿砂岩SHPB试验与分析

为研究含水率对岩石动态力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对4种含水状态下长径比为0.5的两处煤矿砂岩实施单轴冲击压缩试验,获得相应状态下砂岩试件的动态应力–应变曲线。试验结果表明,在高应变率加载条件下,由于砂岩含水裂纹中自由水的表面张力作用和Stefan效应,产生了抑制裂纹动态扩展的阻力;且砂岩试件含水率越大,裂纹动态扩展阻力越大,砂岩的动态单轴抗压强度越高。拟合发现,砂岩动态单轴抗压强度随试件含水率呈幂函数增长。由于自由水充填了砂岩试件中的孔隙和微裂纹,砂岩试件纵波波速随含水率也呈幂函数增长。     

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能研究

为了研究玄武岩纤维混凝土(Basalt fiber reinforced concrete,BFRC)的动态力学性能,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆(Split hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对纤维体积掺量分别为0、0.1%、0.2%、和0.3%的BFRC进行了动态试验,得到材料的应力应变曲线和试验数据,对试验结果进行了研究。结果表明,BFRC具有良好的动态力学性能,应变率和纤维掺量是影响BFRC动态力学性能的重要因素;BFRC的动态压缩强度和韧性显示出应变率硬化效应,当纤维掺量为0.1%时,动态压缩强度的应变率敏感性相对较强,动态压缩强度和韧性相对较高;BFRC的动态强度增长因子与应变率对数之间具有近似线性函数关系,峰值应变与应变率对数之间具有近似二次多项式函数关系。     

饱水冻结花岗岩动态力学性状的应变率效应

从某场地钻取典型花岗岩岩芯试样,借助75 mm直径SHPB装置和低温冻结设备,分别对-15 ℃和25 ℃饱水花岗岩试件施加应变率大小近乎相等的4种冲击荷载,以探究饱水冻结花岗岩动力学特性的应变率效应。试验结果表明:同等应变率冲击加载下,饱水冻结花岗岩的峰值强度更高,抗剪切强度增加,动态弹性模量变为近似直线型增长;相比25 ℃饱水花岗岩,-15 ℃饱水冻结花岗岩破坏需要更高的冲击应变率,破坏时的峰值应变减小。饱水冻结花岗岩内部复合结构裂纹的形成与耗散能紧密相关,耗散能越大,裂纹越多,用耗散能表征的损伤变量值可以判断岩石的破碎程度,-15 ℃冻结饱水花岗岩破坏时的损伤变量值为0.22。研究方法为确定高寒地区冻结岩体的动力学参数提供依据。     

基于拉格朗日分析方法的冲击作用下砂浆层裂特性试验研究

对混凝土材料的动态力学特性,主要研究其应力波及应变率效应。分离式霍普金森压杆装置(SHPB)是研究冲击作用下混凝土力学特性的主要试验技术手段之一。基于SHPB装置,主要研究了冲击作用下砂浆的动态本构关系。以往的研究主要针对砂浆材料的应变率效应,通过连续介质守恒方程和试件实测应变波来求解方程,从而得到冲击荷载下砂浆的动态本构关系,与此同时还研究了砂浆材料两种加载模量的计算方法,并对两个计算结果进行了比较分析。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。