冲击载荷下孔隙岩石能量耗散的实验研究

利用分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)进行了不同孔隙率人造岩石的冲击实验,分析了岩石冲击过程中能量耗散特性,探讨了孔隙率对岩石能量耗散的影响及岩石临界破坏时能量耗散情况。实验结果表明,冲击载荷作用下孔隙率对岩石能量耗散起着重要作用。在相同的冲击速度下,随着孔隙率的增加,岩石耗散的能量增加;岩石临界破坏所耗散的能量随着孔隙率的增加而减小。岩石能量耗散在一定程度上反映了岩石内部的损伤破坏情况。     

饱水石灰岩冲击过程中能量耗散特性

喀斯特地貌地区地下空间的建设普遍受地下水影响,岩石的含水情况严重影响岩石的力学特性,与地下工程建设及爆破的安全性息息相关。利用Φ50 mm分离式霍普金森杆装置(SHPB)分别对含水处理后的饱水石灰岩和自然状态下的自然石灰岩(50 mm×30 mm的圆柱岩样)采取动态加载试验。研究结果表明：动态冲击中,自然条件岩样的应力集中破坏以原生裂纹端部为主,饱水岩样内部自由水将原生裂纹端部充填,阻碍岩样裂纹扩展,导致饱水岩样的应力集中现象弱化,损伤破坏需耗散更多的能量;不同环境下的两种岩样耗散能随时间均呈稳定的“S”形发育,其耗散能随冲击气压增大而增大,轴压增加时,相同冲击气压能量耗散相对较少;岩样吸收入射能与破碎耗能密度呈线性关系,岩样吸收水后虽体积增大,但其能量利用率亦远高于自然条件下的岩样;自然岩裂纹扩展系数增长速率大于饱水岩,随应变率增大,自然岩裂纹扩展系数加大,破坏更明显。     

循环冲击作用下围压对斜长角闪岩动态特性的影响研究

利用带围压装置的直径为100mm的霍普金森压杆设备对围压条件下斜长角闪岩在循环冲击作用下动态力学性能进行试验研究,分析了斜长角闪岩的应力-应变曲线随冲击荷载循环作用次数的变化特性、动态杨氏模量与围压和应变率之间的关系,以及斜长角闪岩的能量吸收率与应变率和围压等参量之间的关系。研究结果表明,在围压和冲击荷载一定的情况下,随着冲击荷载循环作用次数的增加,岩石的杨氏模量变小。岩石破坏面上的正应力随围压的增加而增加,在裂隙摩擦滑移的作用下,围压状态下岩石的破裂面上会产生明显的粉末状岩粉。在吸收能量相同的情况下,围压越高,岩石破坏时形成的损伤面的面积越小,破碎程度越低。相同围压等级情况时,斜长角闪岩的能量吸收率随着应变率的增加而提高;当应变率相同时,斜长角闪岩的能量吸收率随围压的增加而减小。得到了能量吸收率随应变率和围压变化的关系式。     

充填材料对节理岩石动力学性能影响的模拟试验

采用相似材料模拟制作与真实节理岩石性质相同的节理模型试件,通过在大直径(50 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)装置上对人工制作的节理岩石试件进行冲击试验,探究节理充填材料对岩石动态力学性能的影响。试验结果表明:随着充填材料强度的降低,节理试件动态弹性模量降低,动态抗压强度呈指数形式衰减,软材料充填的试件呈现塑性破坏,试件整体破坏形态与充填材料性质相关。能量分析,反射能量比随充填材料强度降低呈增大趋势,透射能量比降低,耗散能量比与充填材料性质相关,由能量表征的损伤变量与冲击速度呈弱幂函数关系,满足d=-0.11v2+1.31v-3.01,试件破坏时的损伤d=0.458。     

空气间隔装药爆破动态应力场特性研究

采用动力有限元分析软件并结合混凝土损伤模型,对上部空气层间隔装药爆破作用下岩石动态应力场特性进行了分析研究.计算结果表明:受自由面以及炮孔内加、卸载波两方面的影响,临空面单元随着位置的增加,破坏方式由压剪破坏逐渐转变为剪切拉伸破坏.比较反向起爆与正向起爆动态应力场发现,反向起爆时爆轰气体对岩石的静态作用强度高、时间长,有利于克服孔底岩石所受的夹制力而不易产生根底.正向起爆时,大量爆轰气体自上部裂纹及孔口逸散,不利于爆炸能量的有效利用.     

氧化石墨烯的尺寸对碳纤维/环氧树脂湿热界面性能的影响

通过Hummers法获得两种尺寸的氧化石墨烯(GO),利用模压成型制备GO改性碳纤维增强环氧树脂复合材料(GO/CF/EP),并对复合材料进行湿热处理，利用层间剪切性能、动态热机械性能和微观形貌分析室温干态和湿热处理后复合材料的改性效果。结果表明：GO对复合材料的层间剪切强度和玻璃化转变温度均具有良好的改善作用；室温干态时两种尺寸GO对复合材料层间剪切强度的改善效果基本相同；随GO含量增加，小尺寸GO使复合材料的湿热层间剪切强度下降更快，GO含量为0.1%(质量分数，下同)时对复合材料的层间剪切性能改善作用较好，而GO含量为0.2%时对复合材料的玻璃化转变温度改善更好。随GO含量增加，GO-EP复合树脂基体的放热峰向低温移动，小尺寸GO使复合树脂的凝胶时间变短。微观形貌分析表明，GO的存在有利于增加复合材料破坏时的裂纹扩散路径，从而更有助于材料耗散裂纹尖端能量。     

不同围压条件下砂岩动态剪切特性数值模拟分析

岩石的剪切破坏是工程爆破中常见的破坏模式,因此对岩石的动态剪切强度的测定具有重要意义。而深部岩石的破坏则需考虑围压条件,但目前普遍是在较低围压条件下(<20 MPa)研究岩石的动态剪切特性。为研究更高围压条件下(>20 MPa)岩石的动态剪特性,基于ABAQUS有限元软件,采用Drucker-Prager(D-P)塑性模型,结合率相关性,对低围压条件下分离式霍普金森压杆动态冲剪实验进行模拟,并从力平衡、加载率、岩样的破碎特征和剪切强度方面与实验结果进行了对比分析,研究表明：基于ABAQUS的数值模拟方法能够重现冲剪实验现象;D-P模型能较好的反映岩石的剪切强度特性和破裂特征,与实验结果相符。以上结果验证了模拟方法以及模型参数的合理性和适用性。在此基础上,对更高围压下的砂岩的冲剪特性进行了预测性的模拟研究。结果显示：更高围压条件下,随着围压的增大,岩样的破裂裂纹减少;加载率相差不大的情况下,岩样的剪切强度随围压的增大而增大;围压一定的情况下,岩样的动态剪切强度随着加载率的增大而增大。     

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

为研究岩石在中低速冲击下的动力特性,利用MTS和落锤冲击试验系统进行了红砂岩准静态和动态单轴压缩试验,获得了10-2-101.7 s-1应变率范围砂岩全应力-应变曲线。结果表明,中低应变率加载条件下,砂岩经历典型压密、弹性变形、非稳定裂纹发展至脆性破裂后阶段。随着加载应变率的提高,砂岩峰值应力及其对应应变、残余应变均逐步增加,破坏模式则由X状共轭剪切破坏转变为劈裂破坏;动态强度增长遵循热活化和宏观黏性机制联合作用规律;中低应变率下岩石的吸收总能量和弹性应变能随变形演化规律基本一致,且弹性应变能和较耗散应变能的应变率效应更为显著。     

动载下结晶灰岩动力学性能研究

针对保留围岩在爆炸荷载下的稳定性问题,基于SHPB、二波分析和分形理论等,对不同应变率加载下云南某矿区结晶灰岩的应力-应变曲线、破碎形态、分型维数及能量耗散特性开展相关研究。试验结果表明：应变率为49.64 s^-1时,岩石试件破坏模式主要为轴向劈裂破坏;应变率为87.05 s^-1时的破坏模式为劈裂-剪切组合破坏;在动态抗压强度方面,随着应变率的增加岩石的动态抗压强度与之呈明显的线性正相关关系,与静态抗压强度相比,动态强度增长因子由1.19增长至2.86;随着应变率增加,分形维数表现出逐渐增大的规律,应变率在30.37～138.18 s^-1时,D_f值从1.96增加至2.23,但随着应变率的增加D_f最终趋于某一阈值;耗能密度随入射能量呈指数增长。研究结果提供了不同应变率冲击荷载下结晶灰岩的动态破碎和耗能规律,为此类矿区安全高效的爆破施工及类似工程设计提供依据。     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

喷层混凝土-围岩组合体的循环冲击压缩试验研究

针对巷(隧)道爆破开挖施工中,喷层混凝土和围岩黏结面近区双层介质动态力学问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,对龄期为3 d,7 d,10 d的混凝土-岩石组合体试件进行不同冲击气压的循环冲击试验。结果表明,早龄期混凝土对组合体试件的动力特性影响较大,在0.52 MPa冲击气压下,循环冲击2次后,组合体试件力学特性由塑性转变为脆性,峰值应变减小,弹性模量增大,随着循环冲击次数的增加,组合体试件力学性能被劣化,峰值应变增大,弹性模量降低;循环冲击后,混凝土与岩石端面均出现张拉损伤裂纹,混凝土损伤较岩石严重。对比0.54 MPa和0.56 MPa试验结果,发现试件耗散能与损伤值呈负相关关系,低入射能条件下组合体试件损伤更小,这对现场施工具有重要的指导意义。     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

软硬介质组合岩体冲击动力学特性研究

为探究破岩和支护工程中较为常见的软硬介质组合岩体的冲击动力学特性，采用普氏系数差别较大的花岗岩和砂岩拼接成软硬介质和单介质组合岩体，利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验系统，分别对组合岩体进行冲击压缩试验，对比分析应力波入软硬介质和单介质组合岩体的波动特性、峰值强度以及利用高速相机记录组合岩体裂纹扩展形态。通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method, DLSM)数值模拟进行全方位的反演分析，研究软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石的应力时程曲线变化规律，并利用“软硬组合系数”表征软硬介质组合岩体损伤演化规律。研究结果表明，组合岩体的波动特性具有明显的波阻抗效应，组合体和入射杆波阻抗匹配效果越好，反射波幅值越小，透射波幅值越大。相同冲击速度下，软硬介质组合岩体的峰值强度与单介质软岩组合体的峰值强度较为接近；软硬介质组合岩体和单介质组合岩体破坏程度和破坏形式明显不同：软硬介质组合岩体裂纹首先出现在远离胶结面的砂岩端部，而单介质组合岩体裂纹首先出现在胶结面处。单介质组合岩体以剪切破坏为主，局部张拉破...     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT - 150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验.根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式.研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大.岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大.岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,且递增的程度随围压的增加而增加.三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式.     

电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响

针对航空结构用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板结构在低电流(安培级)作用下对其冲击性能和吸能特性的影响进行研究。结果表明，电热作用使得CFRP层板的温度迅速升高，随着电流强度增加，电热作用产生的焦耳热显著增加；同时，CFRP层板的电阻率随电流强度增大而降低，呈现出温敏效应。在相同冲击能量下，随着加载电流强度增加，CFRP层板的冲击响应完全不同，临界损伤冲击应力和最大冲击应力随加载电流强度增大而减小，且下降幅度随之增大；随着加载电流强度增加，CFRP层板对冲击能量吸收显著增加。冲击损伤分析可知，在相同冲击能量下，CFRP层板的冲击损伤面积随着电流强度增加而增大，损伤程度越严重，失效机制由基体裂纹、微小分层转变为大量纤维断裂、基体破碎等，即冲击损伤模式由微弱的冲击损伤转变为可见的冲击损伤；冲击凹坑深度也随着电流强度增加而显著加深，冲击凹坑回弹率也显著降低。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

岩石劈裂拉伸试验的能量耗散分析

利用直径50 mm的霍普金森试验装置,对长径比为0.5的三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,分析了岩石试件在动态加载过程中能量的应变率效应、能量耗散特征和破坏形态。结果表明:反射能与入射能比值大于50%,透射能与入射能比值在10%以内,试件耗散能与入射能比值在10%~45%,因此,试件端部粉碎三角区的面积大小存在差异;在进行冲击试验过程中为提高岩石试件破碎的能量利用率,需尽量避开应变率200~300 s-1范围;岩石的抗拉强度、弹性模量、应力峰值的对数与能量耗散的对数具有显著线性关系。     

冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹动态断裂试验研究

以可调速落锤冲击试验机作为试验加载装置,采用数字散斑相关方法作为试验的观测手段,通过搭建高速数据采集系统,对岩石Ⅰ型裂纹在冲击载荷作用下的动态断裂进行试验研究。试验研究了冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹扩展过程位移场的演化特征;分析了岩石在冲击加载速度下裂纹扩展速度以及裂纹扩展距离随时间的变化规律;定量得到了岩石Ⅰ型裂纹动态断裂的裂纹张开角;同时开展了不同冲击加载速度下岩石Ⅰ型裂纹扩展速度的关系研究,研究结果表明,在试验所进行的中低速冲击加载情况下,裂纹扩展速度随着冲击速度的增加而增加,近似呈线性关系。     

爆破冲击荷载作用下宏观孔隙混凝土损伤演化的近场动力学模拟

针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%～40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明：孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。