基于SHPB的岩石动静组合加载试验研究进展

随着深部工程不断开发,人类面临的岩石力学问题日益复杂。针对复杂的深部岩石力学问题,基于前人开展的SHPB动静组合加载装置即得的试验研究,从SHPB试验装置改进、力学特性、破坏机理、能量耗散规律和应力波传播规律等方面概述了岩石动静组合加载试验研究现状,总结了相关研究成果,并提出了需要进一步探究的高温、高水压条件下多场耦合作用的相关岩石力学科学问题。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

砂岩三轴加载过程中力学特征与能量耗散特征

为了获得岩石加载过程力学特性与能量演化特征,开展了不同围压下砂岩力学特性试验。基于能量平衡理论,分析不同围压下砂岩加载过程能量转化规律,研究不同围压下砂岩特征应力、裂纹演化与能量耗散之间的关系。结果表明:砂岩三轴压缩加载过程中,试样的裂纹闭合应力、起裂应力、扩容应力及峰值应力均随围压增大呈线性增加;起裂应力和扩容应力可以较好的描述岩石稳定状态,起裂应力可以看作为岩石出现新生微破裂的初始应力,而岩石扩容应力可以认为是进入塑性屈服状态的标志。岩石加载过程中能量演化特征与应力-应变曲线和特征应力呈现较好的对应关系,压密阶段对应的原生裂纹压密过程能量转化率低;弹性变形及微裂纹稳定扩展阶段,外力做功转化的应变能大部分储存为弹性应变能,岩石内部损伤和塑性变形耗散的能量较小;扩容应力后的裂纹非稳定扩展阶段,岩石内部损伤和塑性变形耗散能量明显增大;峰值应力附近,积聚弹性应变能迅速转化为用于岩石破坏的耗散能。耗散比(U^d/U)随轴向应变的增加,呈现增大-减小-再增大的规律,耗散比趋势变化的转折点与裂纹闭合应力和扩容应力对应。耗散能随着轴向裂纹应变的累计逐渐增大,扩容应力前,耗散能随...     

分级加卸载下红砂岩蠕变破坏能量耗散特征研究

针对岩石蠕变引起的工程岩体破坏问题,分析研究了岩石蠕变过程中的能量耗散特征,并揭示岩石蠕变机理。通过分级加卸载条件下的蠕变试验,对比分析了红砂岩轴向、径向蠕变特征,研究各级加载过程中岩石弹性应变能与耗散能特征。试验结果表明:当加载应力小于岩石长期强度时,试件以轴向蠕变为主;当加载应力大于岩石长期强度时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向应变速率。红砂岩在蠕变破坏过程中,总耗散能与岩石吸收总能量的比值约为0.35,并且加速蠕变阶段耗散能约为总耗散的12%,说明岩石吸收的能量大部分以弹性能的形式贮存于试件内,加速蠕变阶段的耗能远少于等速蠕变阶段的耗能。     

循环加卸载条件下花岗岩力学特性及疲劳损伤演化研究

为了研究岩石在循环加卸载下的力学特性及能量损伤演化规律,设计了5种花岗岩三轴循环加卸载试验。基于试验结果,详细分析了不同围压的循环加卸载模式下的总能量、弹性应变能和耗散能的演化特征及相互关系,建立了岩石损伤耗散能与循环加载次数及围压的耦合演化方程。结果表明:(1)当载荷小于峰值应力时,加载阶段的弹性模量小于卸载阶段的弹性模量;(2)峰值应力前,载荷所产生的能量主要表现为弹性应变能,而峰值应力后,载荷所产生的能量主要表现为耗散能;(3)随着围压的增加,岩石弹性应变能及耗散能增加;(4)循环加卸载作用下,岩石的耗散能与围压及加卸载循环次数有明显相关性,可以用非线性曲面进行拟合,可为定量分析循环加卸载过程中岩石损伤提供参考。     

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明：砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。     

张开型节理角度和长度对类岩石材料动力学特性的影响

为探究冲击荷载作用下张开型节理对类岩石材料动态力学特性的影响,基于分离式霍普金森压杆实验装置(SHPB),研究完整试件和含不同角度和长度节理的水泥砂浆试件在动荷载下的应力波传播特征、峰值承载力、破坏形态,分析讨论了基于能量理论的损伤规律。结果表明：试件会形成一组沿轴向与节理面贯通的张拉裂纹面和一组几乎平行于试件端面的裂纹面;节理长度由5 mm增大到30 mm时,应力波的反射作用越明显,试件的峰值承载力越小,破坏产生的裂纹面越小,因而损伤也越小。当节理角度从0°增至90°时,应力波的反射作用越小,损伤越小;峰值承载力随节理角度增大先减小后增大,当节理角度为60°时,峰值承载力最小,当节理角度为90°时,峰值承载力最大。     

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...     

煤体破碎过程中分形特征与能量耗散规律研究

利用DDL600电子万能试验机和自主研发的破碎岩石压实装置,采用分级加载方式对不同相对湿度下的级配破碎煤样进行单轴侧限压缩试验,通过筛分和称重各粒径煤样计算出粒度分形维数,分析各级轴向应力下破碎煤样的粒径分布特征,并根据能量耗散模型计算出破碎能量耗散率,探究加载过程中破碎煤样的能量耗散率规律。结果表明:煤样破碎过程中分形维数与加载应力满足对数关系,初始级配对分形维数变化的影响随加载应力的增大而减小,且相对湿度的增加会降低分形维数;相对湿度通过减少破碎发生而减小了煤样的能量耗散,其能量耗散率的变化区间为30%～42%;煤样的能量耗散率随分形维数呈先增大后减小的趋势,且湿度越大能量耗散率到达峰值时的分形维数越小,能耗率变化越突出。     

动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散

运用改进的霍普金森压杆,在波动力学理论的基础上,研究动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散,分析应力波幅值和静载对煤岩组合体中应力波的波形、透射系数、反射系数和能量耗散的影响规律。研究结果表明:应力波幅值和静载明显的影响组合煤岩中应力波的传播性质;并且煤岩组合结构初始处于弹性与塑性状态的透射、反射系数随动载的变化规律是不同的。动载能量耗散随应力波幅值的增大而增大,随着静载的增大呈现先增大后减小的趋势。同时注意到组合煤岩在静载在0.50~0.75动载耗散能量迅速降低,并且组合加载下煤岩结构的破坏失稳可分为两种形式,包括动载主导和动载诱发,分别以动载和静载为主要能量源。由静载对应力波传播机制和能量耗散的影响可知,埋深不同或距离采掘空间的远近不同,应力波传播机制和能量耗散是不同的。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

不同应力路径下岩石能量耗散研究现状及分析

深部岩体在受力破坏过程中,能量耗散是引发岩石损伤、破坏的内在动力,可能导致岩爆等动力灾害,因此不同应力路径下岩石能耗问题的研究越来越重要。结合文献,对岩石在不同应力路径下的破坏过程中能耗问题的研究进行总结,表明：仅考虑一维应力条件下岩石破坏过程中的能耗问题是不全面的,需深入分析多维应力条件下岩石的能耗规律;能量耗散反映岩石微裂纹闭合演化程度,通过能耗判断岩石损伤特性是一种有效可行的方法;循环加卸载路径下的能耗演化工作量不足。而层状复合岩石是岩体结构的薄弱环节,对岩体稳定性具有重要影响,有必要进一步对其动力学特性及能耗规律展开研究,以正确综合评价岩石破坏的力学特性。     

动态扰动对围岩力学性质及破坏模式的影响

矿山开采过程中,围岩容易受到掘进爆破等动态扰动作用而产生失稳破坏。为此,使用Blast-UM型爆破测振仪对新城金矿Ⅳ#矿体-680 m中段开采过程中的爆破震动信号进行监测,利用小波变换技术将监测信号转换为应力波形,利用自行研制的摆锤冲击加载SHPB试验装置,通过改变锤头的形状和控制锤头的冲击速度,以获得与监测波形较为相似的加载波形,对取自-680 m中段花岗岩试样进行动态巴西盘试验。研究结果表明:花岗岩的动态抗拉强度随着冲击速度的增大而增大,并表现出明显的应变率效应。试样沿着加载直径方向呈现劈裂破坏模式,与入射杆、透射杆接触面处的"V"字型破坏区随着冲击速度的增大而趋于明显。所设计的试验装置为测试巷道围岩的动态破坏机理提供了一种有效的试验手段。     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

冲击荷载作用下煤矿泥岩能量耗散试验研究

岩石破裂破碎实质是一个能量吸收与耗散的过程,煤矿岩巷钻爆掘进过程中,既要有足够的爆炸能量使待开挖区岩石破裂破碎和抛掷、形成空腔,又要控制爆炸能量对保留岩体造成的损伤,尤其是冲击荷载作用时强度较低的泥岩的动态响应特性更需要重点研究。以淮南矿区典型巷道泥岩为研究对象,利用直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下泥岩动态压缩试验,研究在冲击荷载作用下泥岩的动态力学性能和破裂破碎特征,重点研究动荷载作用下泥岩的能量耗散规律。为了进一步揭示泥岩动态破碎破裂与泥岩构成主要化学成分与细观结构之间的关系,对泥岩的静态物理力学性能进行了测试并进行泥岩的X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)测试,确定其主要组分、化学和颗粒成份;同时采用放大1 000倍的电子数码显微镜对泥岩试件表面、断口进行放大观察,从岩石细观结构出发,通过对细观结构变化、物理与力学过程的分析研究了岩石的损伤及其演化。结果表明:泥岩的主要化学成分主要为Si O2,其次为Al2O3,Fe2O3,其力学强度低,物理性能指标差,在冲击荷载作用下,泥岩内部大量空隙缺陷(如空穴,位错,微裂隙等)动力学过程加剧,形成损伤;在应力波的持续作用下,大量的微损伤和微观不均匀处在试件内部进行复杂的演化,在颗粒内部结构、沿颗粒间裂缝和沿晶粒界会产生大量的微裂纹并发展,在构造边界碎片分层、夹杂物中也产生裂纹,泥岩试件最终产生环向断裂破坏和轴向劈裂拉伸破坏;试件吸收能、透射能和反射能均随入射能增加而增加,分别呈线性、对数和二次函数形式增长;试件吸收能可以用单位体积耗能密度、单位质量耗能和吸收阻抗比能表征,三者均随入射能增加呈线性增长,随应变率呈二次函数增长。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

弹性范围内加卸载时岩石波速-应力-储能对应关系研究

为了获得岩石储能的定量化表征方法,基于岩石内部储能可以通过其受载状态下岩石应力-应变关系曲线下的面积来定量化计算的原理,在实验室内测试了岩石试样在弹性范围内反复加卸载下波速-应力、应力-储能的对应关系。结果表明,对处于弹性阶段的大理岩试件进行多次反复加卸载,加载过程中波速随压应力线性增加,卸载过程中波速随压应力减少而线性下降;且同一应力下,加载对应的波速一般低于卸载时波速,但随着加卸载次数增加,这种同一应力下的加卸载波速之间的差值会越来越小,趋近于相同,此时整体的线性规律性更加明显。测试结果还显示,弹性阶段内,大理岩试样的单轴加卸载应力与能量密度较好地符合复合幂函数关系。通过应力作桥梁,构建出波速与能量之间的量化对应函数关系,从而找到了一种用波速来表征岩石储能的定量化方法。     

基于应力场熵的岩石系统状态演化分析

基于热力学第一、二定律和系统理论, 分析了岩石系统状态与熵变关系; 基于岩石系统应力场分布建立了岩石应力场熵计算方法及突变判据; 运用岩石破裂过程分析RFPA对岩样进行了加卸载试验, 得到了不同情况下的岩石应力场熵值并进行了比较分析。结果表明, 基于应力场分布的岩石系统应力场熵值可以反映岩石系统状态演化进程; 随岩石均质程度降低, 岩石应力场熵值减小, 含节理岩石应力场熵值更低; 分析、计算和试验结果一致。