基于平面黏结接触模型模拟平台巴西圆盘的动态响应和破坏机制

应变率对岩石破坏机理的影响是岩石领域最重要的方面之一,借助颗粒流程序及其内置的平面黏结 接触模型,构建平台角度是 20°和直径是 50 mm 的花岗岩平台巴西圆盘数值模型,从细观力学角度深入探究不同应 变率条件下花岗岩平台巴西圆盘的破裂模式和破坏机制。研究表明：花岗岩平台巴西圆盘的破裂模式主要分为 2 种破裂模式：微破裂裂纹由中心起裂的破裂模式和伴生压碎区的复合微破裂裂纹共同作用的破裂模式,其中,在中 低应变率条件下满足劈裂拉伸试验要求,高应变率条件下已不满足劈裂拉伸试验要求,但对于高应变率的工程问 题具有一定指导意义;随着应变率的递增,试样的损伤程度、诱发微破裂裂纹数量和失效机制均发生了变化,剪切 型微破裂裂纹数目的增量趋势明显大于拉伸型微破裂裂纹数目的增加,即剪切微破裂裂纹数目的增加是导致试件 动态强度增加的主要原因之一;应力与计算时步曲线展示了 3 种模式,即峰后强化、峰后弱化和单峰值,拉伸型微 破裂优先于剪切微破裂生成,在低应变率情况时,剪切型微破裂裂纹产生在第一应力峰值的下降阶段处,拉伸型微 破裂裂纹数目呈现的突变现象,在中高应变率情况时,随着应变率的提高,剪切型微破裂裂纹的产生在由应力达到 应力峰值之后转变为产生在应力达到应力峰值之前,存在拉伸型微破裂和剪切型微破裂呈现共生现象,且具有剪 切型微破裂裂纹数目高于拉伸型微破裂裂纹数目的时刻。     

3种岩石动态拉伸力学性能试验与对比分析

为研究不同岩性岩石动态拉伸力学性能的差异,选用岩石工程中较为常见且波阻抗差别较大的3种岩石:红砂岩、灰砂岩和花岗岩,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统分别对3种岩石巴西圆盘试件进行不同冲击速度下的动态劈裂拉伸试验,同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对试样表面应变场变化过程及其动态拉伸破坏过程进行了观测。对比研究分析了3种岩石的拉伸应变场和剪切应变场的动态演化规律,不同冲击速度和不同加载率下3种岩石的动态拉伸强度、拉伸敏感系数和破坏形态的变化规律,以及波阻抗对岩石动态拉伸力学性能的影响。研究结果表明:(1) 3种岩石破坏形态的差异主要体现在圆盘试件两端的楔形局部剪切破碎区,且局部剪切破碎区面积受冲击速度的影响。(2) 3种岩石动态拉伸强度随冲击速度和加载率的增大均表现出良好的线性增大的关系,且相同冲击速度下,花岗岩加载率和动态拉伸强度>灰砂岩>红砂岩。(3)红砂岩拉伸强度对加载率最敏感,花岗岩次之,灰砂岩敏感性最弱,且随冲击速度和加载率的增大,3种岩石拉伸敏感系数均呈线性增大关系。(4)相同应力波作用下,岩石的应力波传播过程、加载历史以及动态拉伸力学性能受岩...     

霍普金森杆冲击加载煤样巴西圆盘劈裂试验研究

为研究煤样动态拉伸变形破坏特征,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度和煤样中层理倾角对煤样动态抗拉强度、破坏应变及应变率的影响;并通过高速相机和数字散斑图像分析方法,对样品的动态劈裂及表面应变场变化过程进行了初步分析。研究表明:冲击速度和层理倾角对煤样动态拉伸破坏特征有明显影响。冲击速度越大,煤样动态抗拉强度则越大,但其随冲击速度增加的幅度逐渐减小;样品破坏应变在冲击速度为3.5 m/s时出现最大值。在冲击速度相近的情况下,层理与加载方向夹角相垂直时,样品的破坏应变相对较大,而应变率则最小。抗拉强度随层理倾角波动变化。在层理倾角与加载方向平行或非垂直时,煤样主要表现为拉伸破坏;在层理与加载方向非平行或非垂直时,样品表现出基质的拉伸和层理的剪切破坏相伴生。     

圆盘试样巴西劈裂试验的空间应力分布及破坏过程

利用离散元数值计算方法,研究了圆盘试样径向加载时的空间应力分布及劈裂过程的裂隙扩展情况。结果表明:1)径向加载圆盘试样横截面上的应力分布规律与二维解析计算的结果相同,中轴线上的拉应力并不是常数,而是呈两端高、中间低分布,具有明显空间效应;2)不同高径比对拉应力的分布具有重要影响,试样两端最大拉应力随高径比增加而增大,中间拉应力随高径比增加而减小,当高径比大于1以后,最大和最小拉应力数值不再变化,因空间效应引起的拉应力增高程度最大为25%左右;3)由于拉应力分布不均,圆盘试样破坏裂隙首先在试样轴向两端产生,然后向试样内部延伸,试样宏观裂隙在中轴线贯通并不代表试样失去径向承载能力;4)由于空间效应影响,试样的最大径向承载应力随高径比增加而减少,由二维圆盘计算公式得到的巴西劈裂强度明显偏小,对于试验中常用的高径比为0.5的试样,建议使用系数k=1.25~1.30进行修正。     

巴西劈裂试验对岩石抗拉强度影响因素研究

在巴西劈裂试验中选用最基本的垫条加载的加载方式条件下,对不同厚径比的茅口灰岩岩石试件采用不同的加载速率进行巴西圆盘劈裂试验.通过试验数据分析发现,在相同的厚径比下,随加载速率的提高,岩石的抗拉强度小幅增加;当采用相同的加载速率时,茅口灰岩抗拉强度均随厚径比的增加而减小,存在一定的尺寸效应.运用FLAC3D数值分析软件,针对垫条加载进行了不同厚径比及加载速率的巴西劈裂数值模拟试验,结果表明水平拉应力最大值位于圆盘轴线上端面中心点,即圆盘开始起裂的位置位于端面中心点附近.随着加载速率增加,圆盘端面中心点等效应力增大;随着厚径比增加,圆盘端面中心点等效应力减小.最后提出了在垫条加载下抗拉强度的修正公式,消除厚径比及加载速率对岩石抗拉强度的影响,并验证了修正公式的有效性.     

圆盘切齿破碎岩石的动力参数的确定

<正> 目前许多科学研究所和设计院正研究设计煤炭工业用的、装备圆盘切齿的掘进机。圆盘切齿破碎岩石时的作用力,由于缺乏统一的计算办法,因此难于设计破碎岩石的切齿和使用这些切齿的机器。在进行确定圆盘切齿破碎岩石动力参数的科研工作时,所得到的结果很难用于实际,因为这些结果都具有假定近似的性质,且互不一致,只能在进行实验的具体条件下采用。取下列原则作为提出研究方法的根据:     

岩石动态损伤块度分布的试验研究

利用一级轻气炮对岩石试件进行冲击损伤实验，采用软回收装置回收样品，并用筛分法确定冲击试验后矿岩破碎块度组成，分析不同动荷载下岩石的不同块度分布，建立动荷载下岩石破碎块度的分布规律，对爆破设计有一定的指导作用。     

高温状态下岩石动态断裂的试验研究

利用分离式霍普金松压缩试验装置和自制的加热炉，对辉长岩和大理岩短棒圆柱试件进行了（１００￣３００℃）状态下的动态（冲击）断裂试验，同时，为了帮助确定加热条件下岩石失稳断裂时间，还借助于动态云纹方法进行了室温条件下岩石动态断裂失稳时间的判定。上述试验研究表明，两种岩石在冲击加载条件下的断裂韧度均随加载率增加而增加，而断裂韧度随加热温度的变化并不明显。     

岩石流变扰动效应三轴试验系统

深井软岩巷道围岩易发生流变变形,且对外界扰动极为敏感,为研究岩石在不同流变状态下受外加扰动影响变形规律,在以往两种型号流变仪的基础上,研发出了RRTS-III型岩石流变扰动效应三轴试验系统,流变仪主机提供了长期稳定的轴向压力,采用齿轮和液压两级扩力结构,扩力比达1∶100;注油式三轴压力室提供了长期稳定的围压,结构采用油气隔离的设计原理,液压泵能够最大提供50 MPa压力,精度为0.1 MPa;改进后的冲击扰动加载装置可操作性高,依据冲击作用原理设计出了IEPE动态力传感器,量程0～10 000 N,灵敏度0.497 mV/N,能够精确测量单次实际冲击扰动荷载大小;配备自动监测系统包括荷载、位移、应变和振动4种数据采集仪及处理软件。运用岩石流变扰动效应三轴试验系统初步进行了单轴流变扰动试验及三轴流变试验,其试验过程操作简便,数据结果可靠性较高。     

岩石及混凝土三向压缩试验研究

岩石,从物理力学性质上讲,是属于一种非均质各向异性的固体介质。岩石力学性质主要有两个方面,即岩石的的力学强度和岩石的变形特征。有关一些参数均由实验室或现场岩体试验来求算。在实验室内,把现场取回的岩石样品加工成各种形状的岩石试件,应用材料试验机或其他设备进行加载试验,从而求出岩石的各类强度指标(抗压、抗拉、抗剪等等)和变形参数(弹性模量、泊桑比等等)。在这些试验中,岩石试件都是处于单向拉伸或压缩的简单应力状态,     

不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.     

圆盘厚度对岩石抗拉强度公式的影响性研究

为了考察平台巴西圆盘破坏的起裂点位置,保证其测试岩石抗拉强度的有效性,探讨了厚度对平台巴西圆盘测试抗拉强度的影响.基于Griffith强度准则,采用三维有限元软件,分析了不同厚度平台巴西圆盘中心轴线上等效应力σG的分布规律,并提出了2个能够消除厚度影响的平台巴西圆盘测试岩石抗拉强度的公式.结果表明,最先起裂位置发生在圆盘的端面中心点,而不是内部中心点,采用1倍直径厚度的试样时,圆盘端面中心点的等效应力σG是其内部中心点的1.62倍.如果使用常用公式确定岩石抗拉强度,建议采用小于0.3倍圆盘直径厚度的试样,其理论相对误差能控制在5.91%以下.     

基于大直径SHPB的岩石动态响应特征试验

为研究巷道围岩在高应变率作用下的破坏特征,利用大直径分离式霍普金森杆(SHPB)加载系统,对岩样进行冲击压缩试验,探究岩石试样在大直径SHPB冲击作用下的动态响应特征和规律,研究结果表明:波形整形器采用橡胶垫片可以有效改善波形形状,减少波形弥散;岩石试样的动力增强系数与应变率提高系数呈正相关关系,具有显著的应变率敏感性特点;随着应变率的增加,破碎块度平均尺寸和能量利用率均降低;大直径SHPB冲击作用下,岩石试样的能量利用率较低,最高仅为10.10%。     

含张开/闭合裂隙的巴西圆盘裂纹扩展过程

大量的岩体失稳与节理、裂隙的起裂、扩展和贯通密切相关,裂纹扩展机理及分析方法研究具有重要的科学和工程意义。数值模拟作为一种有效的岩石破裂分析方法备受研究者青睐,但目前的模拟方法在分析压剪闭合等复杂裂隙的力学行为时,还存在诸如扩展路径锯齿化、网格依赖、扩展步长受限等问题。基于此,以巴西圆盘为基本研究对象,开展了不同初始裂隙类型(张开、闭合、填充)、接触摩擦、裂隙倾角等物理力学参数对裂纹扩展特性的影响及破裂机理的研究。首先,基于岩石断裂力学理论和裂纹尖端应力场,运用最大周向应力准则(MTS)研究了张开、闭合等初始裂纹扩展过程,分析了产生锯齿状扩展路径的内在原因,以及传统方法在快速、有效的裂纹扩展路径模拟方面存在的问题。在此基础上,建立了准脆性材料破裂局部化理论的岩体断裂模拟方法,避免了断裂参数计算不准的难题,显著提高了计算的易操作性和精度。此外,通过裂纹尖端区域的局部网格自动重划分,单步的扩展长度并不受网格大小的限制,解决了裂纹扩展的网格依赖问题。最后,通过对裂纹扩展过程力学特性以及起裂角度、扩展路径等分析,获得了整个破裂过程中裂隙面的接触、分离及再闭合等状态以及裂纹扩展的力学机理。该研究...     

岩石抗拉强度特性的劈裂试验分析

采用钢丝垫条、直接加压、弧形模具的加载方式,对砂岩、泥岩进行了大量的劈裂试验。结果表明：采用不同的加载方式,测定的岩石抗拉强度差别很大。其中,弧形模具加载测得的抗拉强度最大,其次是直接加压的方式,钢丝垫条加载方式测得的抗拉强度最小。通过对劈裂试验试件内应力场的分析,用MATLAB程序绘制出试件内应力场解析解的分布图,结合FLAC^20的模拟结果,认为对于不同的岩石,试件的破坏方式不同,硬岩不一定是从试件中心首先破坏,而是试件轴线上的某个部位;软岩和层状岩石则因不同的加载方式有不同的破坏方式。不同加载方式测试结果产生差别主要是因为加载板和试件间存在摩擦力等因素影响,随后给出了硬岩不同加载方式时抗拉强度的计算公式。     

岩石脆性断裂试验的声发射分析

对不同岩石进行单轴受压试验,并采集岩石受压全过程的力学特征和声发射特征.通过对不同岩石声发射信号和力学参数的对比分析证实,不同岩石的声发射特征是有区别的,岩石变形损伤的声发射特征曲线与应力-应变曲线存在关联特征,岩石声发射的kaiser效应是存在的.     

岩石劈裂法试验的有限元分析

本文使用有限元通用程序ANSYS,对采用立方形试件进行岩石劈裂法试验时试件内的拉应力进行了二维和三维分析。并与圆形试件的计算结果作了比较。计算了在试件宽度1/10范围内施加有均布荷载(相当于放置垫条的情形)时的应力分布,以及试件高宽比变化对拉应力的影响。在此基础上,提出了用圆盘理论解时应加的修正系数。     

岩石三种破碎功指数相关性的研究

本文设计了一套压碎功指数测定系统,对10种岩石的Bond球磨功、压碎功和捣碎功三个指数的测定,并对其进行相关性分析,认为简单的Bond压碎功指数可替代烦琐的球磨功指数而广泛用到设计生产中。同时也指出静载破碎较动载破碎省功,为粉碎节能指明了方向。     

平台CCNBD-SHPB动态断裂韧性试验方法研究

根据CCNBD(Cracked Chevron Notched Brazilian Disc)试件断裂韧性测试方法和分离式Hopkinson压杆(SHPB)的基本原理,研究了平台CCNBD-SHPB系统进行动态断裂韧性测试的方法。探讨了动态力平衡对满足SHPB的应力均匀化以及试验数据处理的重要性;推广了准静态的应力强度因子计算公式,将试件在动态力平衡状态下的最大载荷代入公式,从而得到动态断裂韧性。通过试验对理论进行了验证,结果显示基于平台CCNBD-SHPB的动态断裂韧性测试是准确的。