中低应变率范围内花岗岩单轴压缩特性的尺寸效应研究

 利用变频动态加载岩石力学试验系统对直径为50 mm,长度分别为50,75,100,125 mm的花岗岩试样进行中低应变率范围内的加载试验。研究结果表明：(1) 试样强度具有显著的应变率依赖性,随着应变率增大,压缩强度近似以乘幂关系增大。(2) 静载和准动态加载条件下,岩石强度基本上随试样长度的增加而减小。(3) 不同应变率加载条件下,直径为50 mm的试样,长径比不小于2时,方能取得基本稳定的试验结果。(4) 峰值应变随试样尺寸的增大逐渐减小。(5) 割线模量E50和线性段弹性模量Et随试样尺寸的增大而增大,且Et＞E50。(6) 破裂形式具有显著的应变率效应,随着应变率的增高,破碎程度加大;其尺寸效应则表现为：应变率 ＜10－3 s－1时,随着尺寸的增大,破裂形式表现为劈裂–锥形破裂–剪切破裂的过程;应变率 ＞10－2 s－1时,破裂形式则直接由锥形破裂变为剪切破裂。     

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。     

不同加载率下水饱和砂岩的力学特性研究

为揭示水和加载率对岩石力学性质的共同作用效应,利用分离式霍普金森压杆试验系统对干燥和饱水砂岩进行一系列动态压缩、劈裂及断裂试验。试验结果表明,在静态加载条件下,岩石饱水后其强度和断裂韧度均会发生不同程度的降低;在动态加载条件下,岩石的强度和断裂韧度随着加载率的增加而升高,且相较于干燥试样,饱和岩石表现出更高的率相关性。在较高加载率下,岩石内部的自由水可产生惯性效应、弯液面效应以及黏性作用,阻碍裂纹的产生和扩张。特别地,当加载率超过1 290 GPa/s后,饱和试样的压缩强度甚至可以超过干燥试样。     

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。     

岩石静态和准动态加载应变率的界限值研究

 为研究岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,以若干硬岩试件在不同应变率加载条件下的试验数据为基础,借助统计学理论与方法,定量分析岩石动态抗压强度与静态抗压强度之比值 与应变率的相关性大小,得到硬岩试件的强度参数与应变率之间的规律性关系,进而得到岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,即加载应变率 ＜5×10－4 s－1时为静态试验,此时 均保持在1.00附近,近似为常数,岩石强度与应变率无相关性;5×10－4 s－1＜ ＜102 s－1时为准动态试验,此时 与应变率为幂函数关系,岩石强度与应变率表现出较强或显著相关的特性。     

花岗岩压剪联合冲击特性与细观力学机制研究

在MTS试验系统和Hopkinson压杆装置上添加不同倾角的垫块,对山东花岗岩进行3种应变率(3×10-5,50和100 s-1)下倾角为0°,15°,30°,45°和60°五种加载路径的压剪联合加载实验研究。结果表明:花岗岩的法向和切向模量都有一定的加载路径敏感性(即压剪耦合效应)和明显的应变率效应;其中花岗岩的法向模量对剪切应力很敏感;同时,花岗岩的破坏强度也具有明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用Drucker-Prager准则拟合了不同加载速率下的破坏面,拟合结果初步揭示了岩石的内摩擦角和黏聚力等强度参数有一定的加载速度效应。基于数字图像相关方法对上述加载过程进行系统的监测和分析,发现岩石动态压剪过程实际上由剪切应变主导,岩石从准静态加载到动态加载,试件内起主导作用的因素由拉应变逐渐过渡到剪应变,这是由岩石材料本身的不均匀性决定的。     

岩石动态力学性能试验研究

为了解花岗岩的动态力学性能,采用φ 50 mm Hopkinson压杆对岩石进行动态冲击压缩试验,应变率范围为25.4～193.4 s-1,采用波形整形技术获得平滑的脉冲荷载,得出岩石的动态应力-应变曲线.试验结果表明:岩石抗压强度具有明显的应变率效应,破坏强度随着应变率的增加而增大,相对于静态强度120 MPa,最高动态强度增大至365 MPa,约为静态强度的3倍;冲击荷载较低时,试样内部出现损伤及微小裂纹,荷载强度增大时,试样出现宏观裂纹及破碎成块,当荷载进一步增大时,试样呈粉碎性破坏. 研究结果可为国防工程结构设计提供参考.     

花岗岩动态压缩力学特性研究

由于岩石材料动态破坏的复杂性,理论分析和实验研究都还很不充分,岩石的动力特性越来越受到重视。本文采用霍普金森压杆对花岗岩圆柱试样进行了动态压缩试验,建立了加载速率与花岗岩冲击破坏时的弹性应变能、结构破坏能及岩石破坏形态之间的关系。试验结果表明:甘肃地区弹模在17~21 GPa的花岗岩在瞬时加载条件下,强度随着加载速率的增加而提高;动态压缩强度平均强度为240 MPa,动态模量为31.5 GPa;应变率的变化范围在81~210 s^-1,动态压缩强度随着应变率的增加有明显增大的趋势;当冲击速度增加时,岩石破坏后释放的能量显著增长,应变率越大,岩石破碎块越小。该试验结果能够评价动态荷载作用下花岗岩的强度参数,为类似区域的工程设计与施工提供依据。     

岩石颗粒流模型单轴压缩的加载速率效应研究

选用平直节理模型建立了岩石单轴压缩的颗粒流模型,分析加载速率、计算时步和加载方式对颗粒流模型力学特性的影响。结果表明:(1) 加载速率0.1 m/s为明显的分界点,加载速率小于0.1 m/s时,数值试样的轴向应力-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线和强度参数等差异较小;加载速率大于0.1 m/s时,随加载速率增大,数值试样的脆性特征越不明显,强度参数逐渐增大,试样破坏更为破碎。(2) 对比连续加载法与冻结加载法下的应力-应变曲线的相似度,并综合考虑加载速率效应和计算效率,建议取0.01 m/s作为模拟室内岩石静态加载试验的加载速率,并通过实例分析验证了该加载速率是可行的。(3) 计算时步控制着颗粒流模型中扰动的传播速度,颗粒流模型的加载速率效应是由一个计算时步内形成的扰动所控制的,一个计算时步内形成的扰动越小越接近准静态。颗粒流的计算理论是符合应力波传播理论的,也可以利用颗粒流模拟岩石的动力加载试验。     

水-岩耦合作用下红砂岩应变率效应研究

基于?100 mm SHPB试验平台,对吸水红砂岩试样进行不同应变率下冲击压缩试验,对比干燥试样试验结果,探究了水-岩耦合作用下动态抗压强度、变形及单元可释放弹性应变能W_e的应变率相关性,得出:在水-岩-动力的耦合中,岩石强度的应变率强化作用和水的劣化作用同时存在,但应变率强化作用占主导地位;裂隙水对岩石强度的应变率效应有强化作用,并且这种强化作用随着应变率的增大而增强;岩石的峰值应变在水的耦合作用下应变率效应更为显著;当应变率超过某一阈值时,吸水试样在弹性变形阶段更加容易变形,弹性模量降低,而在冲击作用下,裂隙水阻碍裂纹发展,试样抵抗变形的能力增强,变形模量线性增加;水-岩耦合作用下W_e对应变率更为敏感,与干燥试样的W^D_e相比,W^W_e随着应变率的增加而增长更为迅速。     

建筑钢筋动态试验及本构模型

利用MTS New 810电液伺服材料试验机,对不同强度的建筑钢筋在地震作用应变率范围(2.5×10-4/s～0.1/s)内的动态特性进行了试验研究。采用单调拉伸、常幅值循环和变幅值循环三种加载方式,加载过程由应变控制并保持应变率恒定。试验结果表明,钢筋的力学和变形性能在不同加载方式下均有应变率敏感性,应变率敏感性的大小与准静态屈服强度密切相关,相同应变率下循环加载的骨架曲线与单调加载的拉伸曲线基本重合。对试验数据进行回归分析,得到了钢筋的力学性能特征值和变形性能特征值随应变率变化的规律,进而结合Hoehler模型提出了一种钢筋动态循环本构模型,与试验结果对比表明该模型能很好地描述钢筋的动态行为,建议的钢筋动态本构模型可以应用在钢筋混凝土结构抗震分析中。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究

为了解西安黑河水利工程坝肩绿泥石片岩的力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,分别对干燥和饱水状态的绿泥石片岩进行三轴压缩试验.基于试验结果,比较试样在不同围压作用下的力学性质,详细讨论水对试样强度和变形特性的影响规律,重点研究峰值强度、残余强度、软化系数、峰残差、峰残强降率、弹性模量及变形模量等强度变形指标的围压效应,最后分析三轴压缩状态下岩石的破坏类型及机制.结果表明,绿泥石片岩属于水敏型岩石,水对各个强度和变形特性的影响是显著的,并随着围压呈一定规律的变化.     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

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。     

地震作用下岩石动态力学参数估算方法探讨

岩体在地震作用下的动态力学参数是对岩石工程准确地进行地震稳定性分析的基础。在探究地震作用下岩石材料合理应变速率基础上,利用动态力学试验与岩体力学参数的经验估算方法,讨论考虑地震作用的岩石动态力学参数估算问题。结果表明:(1)对于依托工程而言,相应的地震代表性应变速率为10~(-2)～5×10~(-2)/s。这一应变速率范围介于准静态和传统上的"中等应变速率"之间。(2)对动力学试验结果进行拟合时发现,强度包络线的形状并不随着应变率的增加而变化,仅有强度包络线截距变化。基于此提出考虑动态应变速率的地震动态强度参数估算经验公式,可在静态参数和应变速率的基础上估算考虑地震作用的动态强度参数。(3)基于HoekDiederichs经验公式,给出地震作用下岩体动态模量的估算方法。(4)最终,结合岩体的地震动态强度参数与模量参数的估算方法,提出考虑地震作用的岩石动态力学参数估算方法。并以白鹤滩水电站岩体为例,对这一方法进行了说明。     

各向异性岩石的静态模量与动态模量实验研究

页岩具有各向异性,是重要的源岩和盖层岩石,利用实验室测量获得页岩在不同条件下的应力–应变响应和超声波速度响应特性,研究各向异性岩石的静态弹性模量和动态弹性模量的特点。通过不同方向岩芯纵横波速度的测量获得岩石的动态模量,通过加载过程中应力–应变测量获得静态模量。分析各向异性岩石在准静态和动态条件下的波速和弹性模量特征,除了加载频率的差异外,静态测量和动态测量也包含不同的应变幅度差异,研究各向异性岩石的静态和动态地球物理响应特征具有重要的意义。     

加载速率对钢筋混凝土框架柱动态特性的影响

利用有限元软件ABAQUS,分别对钢筋混凝土框架柱在准静力和高应变率动态加载条件下的响应进行了数值模拟.探讨了加载速率对构件承载力、破坏形式的影响,并且对比了数值模拟结果和试验结果.通过比较高应变率与准静态加载下的分析结果,分析了应变率效应对钢筋混凝土柱的影响.研究结果表明,当考虑应变率效应时,钢筋混凝土柱的动态力学行...     

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.     

基于率效应的岩石材料次加载面动态模型在岩体工程中的初步应用

为较准确反映岩体工程在地震荷载下的响应,结合Drucker-Prager屈服准则和次加载面理论,初步构建基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型,在此基础上,除计算弹性模量的率效应之外,还在Drucker-Prager准则上考虑强度的率效应,提出岩石材料的动态模型,并把该模型运用到滇中引水香炉山隧洞中。计算结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,由于没有考虑率效应,表现出应力–应变曲线的斜率没有试验曲线大,且累计应变也比试验曲线大;在岩石循环加卸载过程中,动态模型得出的模量上比次加载面应力路径模型模拟的要大,同时变形量也较次加载面应力路径模型要小,因此该模型能较好地反映岩石的动态力学性质和变形性质;相比于Drucker-Prager准则下,采用动态模型得出隧洞的左侧监测点和右侧监测点的瞬时相对变形峰值增大了0.67 cm,同样底部和顶部以及左右两侧的永久相对变形也分别增大了0.19和0.77 cm,说明动态模型可以较好地反映围岩残余大变形;岩石动态模型相对于Drucker-Prager准则和线弹性本构,更具有滤掉高频的功能。说明该模型能很好地运用到岩石动力学中,同时也为准确分析岩体工程在地震作用下的响应奠定了一个很好的基础。