动载作用下铁矿石能量耗散规律及破坏特征试验研究

为研究攀枝花铁矿开采境界内铁矿石的动力学性能,利用动静组合分离式霍普金森杆实验系统,开展 4 种典型铁矿石的动态单轴压缩试验。 以动态强度、能量耗散、碎屑分布为切入点,分析 4 种矿石的动力学响应特征。 试验结果表明:4 种铁矿石的动态强度均具有明显的率效应,随冲击速率的增加而增大;所研究冲击速率范围内,中低 品位铁矿石的动态强度显著大于高品位铁矿石和表外矿的强度;随着冲击速率的增加,单位体积耗散能随之增大,且 单位体积耗散能的增加幅度与铁矿石的品位相关;基于分形理论分析 4 种铁矿石破坏后碎屑块度的分形维数,发现碎 屑块度的分形维数随冲击速率增大而增加;最后,分析了单位体积耗散能与分形维数的关系,发现二者呈现非线性正 相关关系。     

层状复合岩体冲击动力学特性试验研究

为探究岩石工程中较为常见的层状复合岩体的动态力学性能,采用波阻抗差别较大的红砂岩和灰砂岩"拼接"成层状复合岩体试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,分别对灰砂岩靠近入射杆和红砂岩靠近入射杆2种情况进行不同冲击速度下的冲击压缩试验,对比研究应力波由硬入软和由软如硬2种情况下复合岩体应力波传播特征、动态应力–应变关系以及能量耗散规律。理论分析复合岩体的受力特征和强度条件,同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对复合岩体的破坏特征进行研究。研究结果表明:(1)复合岩体的动态力学特性及能量耗散规律均具有明显的应变率效应。(2)相同冲击速度下,受波阻抗匹配关系影响,应力波由硬入软和由软入硬时复合岩体动力学特性差异性明显。但是随着冲击速度的增大,两者之间的差异逐渐减小,趋于一致。(3)复合岩体两部分岩石破坏程度和破坏形式明显不同。波阻抗小的红砂岩破坏程度较波阻抗大的灰砂岩更为剧烈。红砂岩以剪切破坏为主,且交界层面处红砂岩后于其他区域红砂岩发生破坏;灰砂岩以张拉破坏为主,高速下产生局部剪切破坏,且交界层面处灰砂岩先于其他区域灰砂岩发生破坏。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。     

低温条件下红砂岩动态力学性能试验研究

应用SHPB试验和分形方法研究饱水冻结红砂岩的动态力学性能和破碎分形特性,分析负温变化对红砂岩动态强度性能和变形破坏规律的影响,结合SEM扫描实验,探究应力波作用下饱水冻结红砂岩的微观破裂机制。研究结果表明,负温变化显著影响红砂岩的动态力学性能和分形特性,其中动态强度随温度降低(25~-40℃)呈先增大后减小的趋势,形似"几"字形,峰值应变则是先减小后增大,这与冻岩的静载试验结果迥然不同。经引入分形维数D,建立冻结红砂岩块度分形计算模型,经模型计算得到红砂岩在25,-5,-10,-20,-30,-40℃时的分形维数分别是2.37,2.12,2.29,2.35,2.41,2.44,这与试验筛分结果基本吻合。通过对红砂岩断口形貌的观察和分析,发现低温条件下红砂岩最终断口多发生于黏土胶结物上或其与矿物颗粒的交界处,常温条件下红砂岩断口形貌较为复杂,很难看出规律性,但在引入低温梯度后,由黏土胶结物和矿物颗粒组成的断口形貌会逐渐呈现出规律性,在对相应规律分析总结后推断,负温条件下胶结物的性质和断裂性能对红砂岩力学性能有着更为显著的影响。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

几种典型变质岩的冲击断裂焦散线实验探讨

采用落锤冲击加载反射式焦散线实验系统,对经过镜面移植工艺加工的几种典型的天然变质岩(汉白玉、大理岩和板岩)和类岩石(人造石和水泥石)试件进行冲击断裂实验,得到类岩石材料的裂纹尖端焦散斑,但没有得到天然岩石材料的焦散斑。进而对未经镜面移植工艺加工的试件进行落锤冲击断裂的高速摄影实验,发现天然变质岩试件冲击断裂过程中,试件表面首先出现"白带纹",与类岩石试件存在明显差异。通过对2种实验中裂纹出现时间和传播速度的对比分析,发现采用反射式焦散线实验无法记录下经镜面移植工艺处理的天然变质岩试件中微裂纹的发育和部分扩展过程,移植的镜面掩盖了天然岩石试件断裂过程中微裂纹的发育和扩展现象,导致天然变质岩石的焦散线实验难以成功。     

霍普金森撞击杆对入射波形影响的数值模拟

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术是研究材料在中、高应变率下力学性能的主要实验方法。大量的实验研究发现,不同的材料对入射波形的要求是不同的,因此利用霍普金森撞击杆几何参量的研究来分析撞击杆对入射波形的影响,从而根据需要设计形状不同的撞击杆。通过SHPB实验数据验证有限元模型的准确性,并将数值计算的方法应用于几何参量研究中。研究发现,撞击杆在轴向的直径变化、端面直径的大小、锥段比例等均会对入射波形产生影响,合理的撞击杆几何形状可以消除波形曲线中的P-C振荡。     

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。     

圆孔缺陷对爆生裂纹扩展行为影响的试验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸荷载作用下空孔缺陷对裂纹扩展行为的作用关系,以及裂纹扩展行为的规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,空孔缺陷能够促使预制裂纹起裂并扩展,且空孔对爆生裂纹扩展方向有明显的导向作用;当爆生裂纹向空孔扩展时,空孔对爆生裂纹扩展行为有促进作用,使爆生裂纹与空孔贯通时速度和应力强度因子值增大;次生裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子值都小于爆生裂纹相应值,且次生裂纹扩展初始阶段速度最大,裂纹的起裂韧度在0.8~1.1 MN/m~(3/2);随着空孔直径的增大,次生裂纹扩展长度先增大后减小,说明存在一个最优的空孔尺寸,使次生裂纹扩展距离最大,对裂纹扩展的促进作用最为显著。