冲击荷载下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的力学性能及能耗特征

为了解中等应变速率下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的动载强度、应力-应变、能量演化及破坏形态特征,采用分离式霍普金森压杆系统对不同掺量碱化水稻秸秆(经NaOH溶液碱化处理)的尾砂胶结充填体进行了单轴单次冲击荷载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度与平均应变率呈正相关关系,碱化水稻秸秆的掺入可有效提高充填体的动态抗压强度,且随碱化水稻秸秆掺量的增加,充填体的动态抗压强度先增大后减小,最佳掺量为0.3%,动态抗压强度最大增幅为26.81%;单次冲击荷载下,掺碱化水稻秸秆的充填体相比于未掺碱化水稻秸秆的充填体应变更大,但破坏程度更小;同一应变率下,充填体的单位体积吸收能和单位质量破碎耗能均随平均应变率的增大呈现类似指数增长规律,掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的能量水平、吸能性能,且破碎时需要消耗更多的能量;单次冲击荷载下,充填体的破坏形态主要为宏观上的轴向主裂纹拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率超过临界应变率时,充填体破坏形态多为压碎破坏;碱化水稻秸秆在充填体基体内部起到桥连作用,从而减缓充填体裂纹的扩展与能量的释放,使掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的临界应变率,显著提高充填体的稳定性与完整...     

冲击加载下养护龄期对掺膨润土充填体力学破坏特征研究

深部开采中爆破、地震波等冲击对不同养护期的胶结充填体稳定性造成破坏,威胁采场安全.为此采用霍普金森杆试验系统对充填体试样进行单次冲击试验,分析爆破荷载下不同龄期掺膨润土全尾砂胶结充填体的动力学特性.结果表明:动态冲击曲线存在多个波峰,养护早期(3、7 d)表现为动态强度硬化(峰值应变0.005左右),后期(14、28 ...     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

不同纤维掺量磷石膏胶结体损伤特性及本构模型研究

为了提高磷石膏胶结体的强度及韧性,开展了掺纤维提高磷石膏胶结体力学强度特性的试验,对聚丙烯纤维含量 分别为0、0.5％、0.75％、1％、1.25％的磷石膏基复合胶结体损伤规律进行了研究.研究发现:(1)随着聚丙烯纤维掺量的增大,磷石膏胶结体的峰值应变与抗压强度均呈现一定程度的提升,抗压强度与弹性模量均呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺入量为0.75％;(2)不同纤维掺量的胶结体试件其应力应变曲线具有相似形态,而掺纤维胶结体与普通磷石膏胶结体在应力应变曲线上的差别表明,纤维的掺入能提高胶结体的峰后残余强度以及韧性,可明显改善磷石膏胶结体的抗压强度特性;(3)基于应变等价理论、统计损伤理论,引入了5种损伤修正系数,推导出了掺纤维磷石膏胶结体单轴受压损伤本构模型,建立了不同纤维掺量下磷石膏胶结体的单轴受压损伤本构方程及损伤演化方程;(4)将理论曲线与试验曲线对比,发现各曲线具有相似形态,且二者在峰值处吻合度较好,表明所建立的理论本构模型对不同纤维掺量磷石膏胶结体的分析和研究具有一定的参考价值.研究成果可为磷石膏基复合材料在固废胶结充填现场的应用提供一定的理论支撑.     

循环冲击下胶结充填体动载力学特性试验研究

矿山开采过程中,充填体将频繁受到开挖和爆破等动载的循环扰动,使充填体损伤与破坏具有显著的累积特性。因此,研究充填体循环冲击下的动载力学行为及特征对维持矿山结构及采场稳定具有重要的指导意义。论文采用SHPB对6组30个胶结充填体试件进行了单轴单次冲击及多次循环冲击试验,探索了充填体在不致使发生较大宏观破坏的冲击速度下多次循环冲击的应力应变、动载强度及变形破坏特征。研究发现:多次循环冲击下,充填体试件的应力应变曲线在到达动态峰值应力前后分别出现了1～2个低应力波峰,且相较于单次冲击下低应力波峰更为明显;多次循环冲击更有利于充填体内部微裂隙及孔隙在到达峰值应力前进行充分的压实及闭合,并可提高充填体最终破坏时的动载强度及承载能力,试件发生破坏时的最终动载强度及承载能力为单次冲击条件下的2倍左右;多次循环冲击下充填体的最终破坏形式为压裂破坏,其破碎程度较相近动载强度下单次冲击时低。     

聚丙烯纤维磷石膏胶结体早期力学强度特性及增韧机理研究

在传统水泥基复合材料的研究领域,纤维增强了材料的强度、韧性、延展性和抗裂性。为了提高磷石膏胶结体的早期强度,掺入聚丙烯纤维作为增强剂,开展了掺纤维磷石膏胶结体制备试验以及单轴抗压强度试验,分析了纤维对磷石膏胶结体破坏规律的影响,并通过SEM探究了纤维对磷石膏胶结体的增韧机理。研究结果表明:随纤维掺量增加磷石膏胶结体单轴抗压强度呈先增加后降低的趋势,且纤维最优掺量为1%;掺入纤维的磷石膏胶结体能延缓峰值抗压强度达到时间且破坏时的峰值应力更大,未掺入纤维的磷石膏胶结体在荷载超过应力峰值后快速失稳,掺入聚丙烯纤维的磷石膏胶结体则呈缓慢降低趋势;随着纤维的掺入,磷石膏胶结体的裂纹数量逐渐减少,且裂而不断,磷石膏胶结体的延性变形明显;微观下聚丙烯纤维表面附着有絮团状水化产物,且在磷石膏胶结体固结过程中相互缠结形成稳定的网状结构。研究成果可为磷石膏基复合材料在固废胶结充填现场的应用提供一定参考。     

基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究

基于泰波理论,获得充填矸石的最佳级配,并掺入不同质量比的水泥,在不同的养护龄期条件下对矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,研究其压缩过程中的强度和变形特性以及充填体的最终破坏形态。结果表明:泰波系数n=0.4的级配为粒径不大于40 mm矸石的最佳级配;水泥掺量越多,养护龄期越长,试件的抗压强度数值越大;矸石胶结充填体单轴压缩试验应力应变全过程分为4个阶段,即孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段;矸石胶结充填体达到峰值强度后呈现出不同程度的应变软化特性,其最终破坏形态主要有3种,即劈裂破坏、剪切破坏和锥形破坏,劈裂破坏为最主要的破坏形态。     

养护龄期对掺膨润土胶结充填体能量耗散的影响分析

为获取不同龄期掺膨润土胶结充填体的稳定状态、二步骤回采时间,确保采场安全,采用RMT-150C岩石力学试验系统进行单轴压缩试验,结合能量耗散原理对数据进行处理,对不同养护龄期掺膨润土胶结充填体的能量耗散规律进行了研究。结果表明:各膨润土掺量的充填体强度与养护龄期表现正相关性,随膨润土掺量增大,强度呈先减小后增大趋势,各掺量充填体的强度均能满足采场充填要求;充填体储能极限与养护龄期遵循二次函数关系式y=a+bx+cx~2,掺入膨润土会降低储能极限;充填体峰前能量消耗主要以弹性应变能为主,且随着养护龄期延长而增大,但峰前能耗占比下降;充填体能耗速率与养护龄期呈正相关,而与膨润土掺量呈负相关,膨润土掺量大小对峰前能耗速率影响较小,充填体峰前变形破坏阶段能耗速率略高于峰后能耗速率。     

废石掺量对胶结充填体强度及变形破坏的影响

用一定量的粗骨料替代部分全尾砂进行胶结充填,不仅能够提高充填体的强度,还能减小充填体在载荷 作用下的变形,满足了部分矿山较高的充填要求。胶结充填体的强度主要取决于充填料浆的配比,即骨料、胶凝材料、 水的配比。本研究拟采用控制变量的试验方法,基于SEM电镜扫描和XRD试验,探究在废石—全尾砂混合骨料下胶 结充填体强度及变形特性,探究废石掺量（≥40%）因素对胶结充填体强度以及变形破坏的影响规律和机理。研究表 明：随着粗骨料的增加,充填体试样的单轴抗压强度逐渐减小。由于粗骨料含量太多,所形成的骨架太大,水化产物相 对较少未能充分填满产生较多孔隙,对提高充填体强度产生了不利的影响。此外,随着废石掺量的增加,其强度有所 下降,其破坏时的总应变量基本相同;其应力—应变曲线在初期基本重合,主要在端部裂隙闭合阶段之后逐渐分开。     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力—应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

锚杆侧向冲击载荷下动力响应及抗冲击机理

为了研究冲击载荷作用下锚杆的动态力学性能,测试了5种不同材质的锚杆杆体力学参数。采用自由落锤冲击实验装置对不同锚杆进行了侧向抗冲击性能实验,分析了侧向冲击载荷下锚杆的动力响应。进行了5种不同冲击高度的侧向抗冲击实验,得到不同冲击高度下不同锚杆的冲击动态响应曲线,锚杆表面轴向的应变时程曲线,冲击作用点的力-位移时程曲线。研究发现,在相同冲击能量下,锚杆冲击吸收功越高冲击峰值载荷越小,冲击作用时间随着冲击高度增大逐渐减小;冲击吸收功越高,锚杆应变峰值及残余应变越大;不同锚杆冲击力峰值和最大位移明显不同,峰值强度和最大位移越大,破断能越大。对锚杆抗冲击机理进行了研究,发现控制材质中有益及有害元素含量,可提高锚杆的抗冲击性能。测试了断口组织和金相组织,得到锚杆冲击吸收功越高,晶粒度级别越高的结论。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

全尾砂胶结充填体弹塑性本构模型实验研究

针对4种灰砂比、5种料浆浓度的全尾砂胶结充填体进行了单轴压缩实验,得出了其在单轴压缩条 件下的物理力学特性。根据充填体单轴抗压强度分别选取灰砂比1∶6、1∶8,料浆浓度65%、70%的充填试块进行了4组不同围压下的三轴压缩实验,得到了 充填体全应力-应变曲线及其物理力学参数。根据实验结果建立了充填体线弹-弹塑-塑性软化-理 想塑性的本构模型,将充填体峰后应变软化阶段分为2种情况：在围压较小时,表现出明显应变 软化,应力脆性跌落;在围压较高时,应变软化不明显,峰后直接进入塑性流动状态,残余强度 与峰值强度差值减小。研究结果为充填体强度设计提供了理论依据。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

块石胶结充填体循环加卸载损伤特性研究

在RMT-150C岩石力学试验系统上对四种不同块石含量胶结充填体试件进行单轴压缩和逐级循环加卸载试验,得到其损伤破坏全过程应力—应变曲线;通过分析各组循环过程应变与动弹性模量变化,发现块石胶结充填体卸载点应力水平由低到高的每个循环过程中,试件呈现先强化后劣化的规律,且适量块石的加入可提升充填体强化过程。采用改进的混凝土分段损伤本构模型对循环加卸载下的块石胶结充填体受压破坏应力—应变曲线外包络线进行拟合,理论曲线与试验曲线吻合度较高,此模型对块石胶结充填体循环加卸载损伤破坏过程描述较为准确。     

一维动静组合加载下多角度耦合充填体力学特性研究

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性,以尾砂胶结充填体为研究对象,选取3个轴压水平,开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验.研究表明:①相同轴压下,充填体动态抗压强度随应变率增大而增大,相近应变率下,充填体动态抗压强度随所施轴压梯度的增大呈现出先增大后减小趋势,当轴压为静载强度40％时达到最大动态...     

胶结充填体动力强度的细观分析

多数情况下,胶结充填矿山的充填体经常承受着邻区开采大爆破产生的重复冲击荷载的作用。本文从胶结充填体的材料构成特点出发,运用微小单元下的波动能量理论,对在应力波作用下的充填体能流变化情况及其动力响应规律进行了分析,提出了胶结充填体动力强度的一般准则。