粉砂岩高温后动态力学特性研究

利用大杆径SHPB实验系统,对100℃、200℃、300℃、400℃等不同高温处理后的粉砂岩试样进行了动态力学特性测试.得到了不同高温作用后粉砂岩的全应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变及弹性模量的变化规律,并对其微观机理进行了分析.研究表明,随着作用温度的升高,粉砂岩的峰值应力、峰值应变及弹性模量都相应降低,这与砂岩在温度的作用下的内部结构变化密切相关,也与高温作用后岩石内部应力重新分布有直接关系.相关研究结果有助于理解深井开挖岩石在原始温度场改变后的力学特性,可更好地指导工程施工.     

微波辐射辅助机械冲击破碎岩石动力学试验研究

微波辅助冲击式破岩是实现快速破碎硬岩的重要手段,开展微波辐射对岩石抗冲击性能的研究具有重要的理论和实际意义。采用工业微波炉对砂岩进行不同功率和不同时间的辐射试验,测试了砂岩在辐射前后的波速、孔隙率和动态力学强度。结果发现:在5 kW的辐射功率下砂岩升温速率达到1.29℃/s,3 kW的辐射功率下达到1.04℃/s;微波辐射后砂岩波速不断降低,孔隙率不断增大,5 kW辐射4 min后波速降低了34%,孔隙率增加了近70%;在5 kW和3 kW辐射4 min后,砂岩动态压缩强度分别降低了60.4 MPa和44 MPa。研究结果说明微波辐射能够使砂岩快速升温,在热应力的作用下试样内部产生裂纹并扩展,使得波速下降而孔隙度增大。辐射加热大幅地降低了砂岩动态压缩强度。     

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。     

实时高温下与热处理后砂岩动态拉伸特性研究

为了开展实时高温下及加热冷却后岩石动态力学性质的对比研究,利用自行设计的加热装置结合SHPB系统对两种温度状态砂岩的动态拉伸特性进行试验研究,处理温度为常温(25℃)～600℃共7组.结果表明:砂岩的率效应在两种温度状态下都存在,热处理后的砂岩拉伸强度除100℃外都比常温状态小,且随着热处理温度的增大,拉伸强度减小,温度会影响试样的破坏形态.高温下砂岩的拉伸强度除600℃外都比常温状态大,且拉伸强度随着温度的升高先增大后减小,加载率对破坏模式起主导作用.高温下的热膨胀作用会抑制裂纹相互连接,使得岩石结构更加密实,导致砂岩在实时高温下的拉伸强度相比加热冷却后有很大的区别.     

温度冲击对花岗岩动态拉伸力学性能的影响

在特定情况下,岩体工程中的岩石会经历温度快速变化（温度冲击）,因此研究温度冲击对岩石的影响对实际工程中岩体的稳定性分析有重要意义。通过将花岗岩试件加热至3种高温（200,400,600 ℃）,并采用3种方法冷却,研究了温度冲击对花岗岩物理性质的影响;使用分离式霍普金森压杆研究了温度冲击对花岗岩动态拉伸特性的影响,发现其动态拉伸强度随加热温度和冷却速率的增大而减小;使用高速摄影仪记录试件拉伸破坏时的裂纹形态,结合碎块形态,分析温度冲击对花岗岩的损伤程度,得出200 ℃加热条件下花岗岩不产生温度冲击,而在400 ℃和600 ℃加热条件下,花岗岩损伤程度随加热温度和冷却速率的增大而增大。     

不同热冲击过程花岗岩I型和Ⅱ型断裂特性研究

在岩石工程中发生的与高温相关的灾害中,快速降温的影响（热冲击）不可忽视,因此,研究在不同程度的热冲击作用下花岗岩的断裂特性可以对遭受高温灾害后岩石工程的稳定性分析提供理论依据和技术支撑。在本研究中,花岗岩被加热至目标温度（200 ℃、400 ℃、600 ℃）,利用制冷剂的不同温度（-20 ℃、20 ℃、60 ℃） 为高温试样提供不同速率的降温处理。热处理前后对试样干密度、孔隙率和纵波波速进行测定,并通过巴西劈裂试验测试试样Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度。试验结果表明：干密度、纵波波速以及Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度均随降温速率的增大而减小,孔隙率则随降温速率的增大而增大;快速冷却引发的拉应力是造成花岗岩损伤的主要原因,且与岩石试样和制冷剂之间的温差呈正相关。     

基于饱水岩石静动力学试验的水防治屈曲型岩爆分析

岩爆发生涉及岩石动力学与岩石静力学两方面的范畴,水防治岩爆动力学机制研究极少。在对开阳磷矿饱水砂岩静力学与动力学试验的基础上,基于饱水岩石的静态和动态破坏特征,从围岩结构效应、应力波边界效应和能量原理等角度,探讨了水防治层裂屈曲型岩爆的静力学与动力学机制。饱水砂岩的静态破坏表现为张拉与张剪等综合破坏形式,在一定程度上能抑制岩体劈裂成板的形成,从而破坏层裂屈曲型岩爆孕育的过程。水影响下的砂岩动态力学性能显著提高,遇水软化巷道的应力波边界效应影响围岩非主要承载结构,遇水围岩仍具有相当的承载能力,从而抑制层裂屈曲型岩爆的发生。饱水砂岩动态破坏块度要明显大于自然风干的岩样,同时饱水岩体积聚弹性能的能力下降,故能抑制洞室层裂屈曲岩爆的岩块弹射。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

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。     

轴向冲击下弹性杆中轴向静载对入射波的影响

针对动静组合加载试验装置和一维应力波理论的研究现状,研究了轴向静载荷的大小对弹性杆上入射波的影响。首先,以动静组合加载试验装置中具有轴压的入射杆和轴压端帽为研究对象,利用一维应力波理论,研究冲头以一定速度撞击轴压端帽时,入射杆上的入射波与轴压的关系。进而,通过分析自由弹性杆与具有一定轴压的弹性杆共轴撞击,研究轴向静载荷的大小对入射波峰值应力和波长的影响。最后,利用动静组合加载试验装置和激光测速仪进行试验研究,验证理论分析结果的正确性。结果表明:弹性杆中轴向静载荷的大小对其上入射波影响较大,轴向静载荷与入射波峰值应力具有线性关系;轴压越大,入射波峰值应力越小,入射波波长越小。加载应力波上升沿时间越长,轴向静载荷对入射波波长影响越大。