围压条件下岩石循环冲击损伤的能量特性研究

在不同围压等级和冲击荷载循环作用下,利用带围压装置的霍普金森压杆设备,对斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩的动态力学性能进行试验研究,得到不同循环作用次数下岩样的应力-应变曲线.通过理论分析建立岩石损伤度的判定标准,并定义累积比能量吸收参量来表征围压条件下岩样冲击损伤的能量特性.3种岩石损伤度与围压和累积比能量吸收值的关系研究表明:累积比能量吸收参量能很好的描述围压条件下岩样的冲击损伤程度,岩石循环冲击损伤演化过程存在围压效应,当围压逐渐增大时,岩石损伤度的增加随累积比能量吸收值增加的趋势变缓,其抗冲击损伤的能力增强,即围压越高,试件达到相同损伤度所需要耗散的能量越多.得出围压条件下岩石损伤度与累积比能量吸收值的关系式.随着围压的增加,砂岩达到损伤阈值时的累积比能量吸收值增长率最大,斜长角闪岩次之,绢云母石英片岩最小.     

围压对砂岩动态冲击力学性能的影响

 利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析砂岩单轴动态抗压强度和比能量吸收值的应变率效应,围压状态下砂岩在冲击荷载循环作用下的力学特性以及累积比能量吸收值与入射能量、围压等参量之间的关系。研究结果表明,砂岩的动态杨氏模量与静态杨氏模量相比明显增加,两者比值达3.21～3.81;而当应变率为50～100 s－1时,动态杨氏模量随应变率有所增加,但变化不大。砂岩单轴动态压缩试验的比能量吸收值与应变率 呈线性关系,而单轴动态抗压强度增长因子 (即动态抗压强度)与 成线性关系。在围压状态下,砂岩具有明显的脆性–延性转化特征,其应力–应变曲线出现明显的屈服平台,呈近似的弹塑性特征。围压的加载作用对阻止试件产生剪切失稳的作用相当明显。随着冲击荷载循环作用次数的增加,试件的杨氏模量变小,屈服应力降低,屈服应变增加。砂岩的破坏形态随围压大小不同而发生变化,砂岩从轴向拉伸破坏形态向压剪破坏形态转变的临界围压值为10 MPa。在能量相同的入射波作用下,砂岩试件在低围压时比在高围压时的比能量吸收值大,且砂岩的比能量吸收值、入射波能量和围压三者具有良好的规律性,并得到比能量吸收值随入射波能量和围压变化的关系式。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

利用改进的大直径SHPB试验装置,对花岗岩试件进行单轴循环冲击压缩试验,分析花岗岩在循环冲击载荷下的力学特性及能量吸收规律。通过基于Weibull分布的动态统计损伤模型计算岩石的累积损伤,结合试验曲线分析岩石累积损伤的演化规律。研究结果表明：随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的屈服应变增大,峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着冲击次数的增加而增大,且试件破坏前其值增加缓慢,试件破坏时其值急剧增大。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线具有较好的一致性,该模型能反映岩石的强度与应变、应变率的关系。累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大,其增加速率由小变大,试件破坏前累积损伤的增加较为平缓,其主要增量由最后一次冲击破坏产生。     

循环冲击作用下风化红砂岩动态响应特性

针对循环冲击作用下风化红砂岩的动态响应特性,利用动静组合加载装置进行不同轴压、不同冲击荷载下的循环冲击试验,分析轴压和冲击荷载对其力学特性及能量耗散的影响。结果表明:保证入射波相同的情况下,透射波波峰随循环冲击次数的增加而增大,且透射波波峰存在峰值点;反射波呈"双峰",表现较为明显的2个峰值点和1个谷值点,且2峰1谷的到达时刻基本相同;当轴压一定时,随平均应变率增大,动态压缩强度逐渐减小,这也表明风化红砂岩存在较好的应变率效应;试样的能量利用率与冲击荷载和轴压之间存在负相关关系,即当冲击荷载和轴压处于较低水平时,试样的能量利用率较高;随轴压增大,能量利用率峰值逐渐减小,且不同冲击荷载作用下极大值点均出现在轴压为0 MPa处,其最大值为24%。     

单向循环荷载作用下饱和软黏土的性状研究

模拟交通荷载的作用,对珠江三角洲地区的高液限饱和软黏土和低液限饱和软黏土分别进行单向加载的循环三轴试验,研究饱和软黏土在压缩循环荷载下的轴向累积应变和累积孔压的发展情况,并充分考虑轴向循环压力大小、围压与塑性指数等因素对饱和软黏土性状的影响。试验结果表明:(1)单向循环荷载作用下,饱和黏土存在着临界循环应力,对于同一种土、不同围压下的临界循环应力,可引入临界循环应力比,用饱和黏土在各个围压下的不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。(2)临界循环应力比的大小与饱和黏土的塑性指数有关,塑性指数越大,临界循环应力比越小。(3)循环应力大于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是破坏型的。(4)循环应力小于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是衰减型的,在相同的加载条件下,塑性指数大的试样累积变形和累积孔压均比塑性指数小的累积变形和累积孔压发展得快。(5)在单向循环荷载作用下,饱和黏土破坏时,孔压均没有达到围压值,只有围压的60%～70%。该研究成果可为交通荷载作用下软土地基沉降分析提供有益的参考。     

侧向冲击下不同长细比薄壁方钢管-砂卵石柱动力响应分析

以长细比为变量开展了薄壁方钢管-砂卵石柱侧向冲击试验,分析了冲击力时程曲线、试件的破坏形态以及残余变形量,并结合损伤评估准则分析了长细比与柱损伤度的关系.结果表明:在侧向冲击荷载作用下,各试件的波动段平台值和作用时间有显著的差异,长细比越大,平台值越小,作用时间越长;在竖向荷载作用下,试件损伤度随着长细比增大而呈现先增...     

基于SHPB试验下两种岩石的动态力学性能研究

采用Ф100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了冲击压缩荷载作用下斜长角闪岩和砂岩动态力学性能,从岩石材料的微观角度阐明了两种岩石动态力学性能随应变率的变化规律。结果表明:斜长角闪岩和砂岩的动态抗压强度、动态抗压强度增长因子都随应变率增大而增大,但砂岩比斜长角闪岩对应变率的变化更加敏感。较低应变率下,砂岩试件的动态压缩破坏呈外围剥落式径向拉伸破坏模式,斜长角闪岩呈轴向劈裂破坏模式;但在较高应变率下,由于破碎程度严重,砂岩呈现粉碎破坏模式,斜长角闪岩呈现压碎破坏模式。本文研究成果可以为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。     

循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响

 利用MTS815岩石力学试验系统对砂岩进行循环荷载作用下不同围压时的三轴压缩试验,研究循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响。试验结果表明：(1) 可将滞回环分为加载段和卸载段分别进行二次拟合。在加载段,随着循环次数的增加,拟合参数A,B随围压的增大而增大,而拟合参数C随围压的增大而减小,拟合曲线的开口均逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其达到稳定的时间越短;在卸载段,随着循环次数的增加,拟合参数A随围压的增大而减小,拟合参数B,C随围压的增大呈现减小的趋势,拟合曲线的开口逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其拟合曲线的开口越大。(2) 随着围压的增加,砂岩的滞回环面积增大,这说明随着围压的增加,试件在每个循环中所耗散掉的能量也在增加,即裂纹扩展所需要的能量也会随着围压的增加而增加。(3) 分析试验参数和拟合曲线,得出轴向单位体积耗散能与循环次数的关系符合乘幂负指数关系,曲线的特征是随着循环次数的增加,轴向单位体积耗散能衰减很快,逐渐达到稳定。     

单向循环荷载作用下饱和重塑红黏土的动力特性

为探究长期循环动荷载作用下红黏土的塑性累积应变效应,对南昌地区饱和重塑红黏土进行单向加载循环三轴试验,研究了动应力比、初始孔隙率、固结围压、加载频率、排水条件对红黏土塑性累积应变和动孔压的影响。结果表明:随着动应力比的增大,红黏土变形曲线由渐稳型向破坏型过渡;当动应力比小于临界动应力比时,随着循环振次的增加,红黏土的塑性累积应变和动孔压发展曲线均表现为起始快速增长,后出现拐点,最终趋于稳定;相同的动应力比下,试样的累积应变和动孔压随初始孔隙率、固结围压的增大而增大,随加载频率的增大而减小,不排水条件下的累积应变要大于排水条件下的累积应变;塑性累积应变越大,应变发展曲线拐点出现越滞后;随着动应力比的增大,土体的软化程度也越大,但在较高的循环振次下,软化程度减弱。     

基于能量耗散原理的盐岩动力特性及破坏特征分析

 为研究盐岩的动力特性和破坏特征,利用带围压的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对盐岩进行不同围压(5,15和25 MPa)下的冲击试验,并基于能量耗散原理来研究盐岩动态力学性能以及破坏特征,分析整个试验过程中的能量传递与转化,探究围压和输入能量对试件吸能及破坏的影响。研究结果表明：在同一围压下,随着入射能的增加,盐岩硬化效应越明显,表现为能量反射率增高而透射能和吸收能降低;在相同或相近的入射能下,随着围压的升高盐岩的流塑性变得越明显,但在动力荷载下盐岩由流塑性向脆性转变,最后发生脆性破坏;随着吸收能的增加,盐岩的峰值应力因围压不同而表现出不同的变化趋势,低围压时,吸收能越大,峰值应力越高,而高围压时,吸收能越大,峰值应力却越小;在有围压状态下,盐岩的冲击破坏形态与其他的脆性岩石相似,但在破坏机制上存在很大差异。     

围压卸载速度对岩石动力强度与破碎特性的影响

利用带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆设备,对砂岩在不同围压卸载条件下的动态力学性能进行试验研究,即保持轴压和冲击条件不变,改变围压卸载速度的动静组合冲击试验,着重研究了围压卸载速率对岩石动态强度及损伤的影响。实验结果表明：在仅改变围压卸载速度条件下,当卸载速度在 0.5 ～ 10 MPa/s 范围内变化时,砂岩动态抗压强度、能耗密度随围压卸载速度增大而降低;破坏块度分维数则呈现出随围压卸载速度增大而增大。但当卸载速度增大到 200 MPa/s 时,其动态抗压强度、能耗密度反而增加,而破坏块度分维数则降低。     

三维动静组合加载含水煤样强度特征试验研究

为探讨含水煤样动静组合加载下的力学特征,利用改进split Hopkinson pressure bar(SHPB)和RMT–150试验系统对自然和饱水7 d煤样进行了三维动静组合加载、三维静载对比试验。结果表明:三维静载试验中,自然煤样峰值强度变化幅度为10.49%,饱水7 d煤样峰值强度变化幅度为59.98%,饱水强度软化系数为0.81;三维动静组合加载试验中,轴压强度低于单轴静载煤样强度的55%时,饱水7 d煤样的动态强度高于自然煤样动态强度,饱水7 d煤样比自然煤样动态强度分别提高了7.85%~18.44%(围压4 MPa)和8.71%~19.84%(围压8 MPa);不同围压相同轴压试验中,自然和饱水7 d煤样的动态强度随着围压增大均呈增大趋势,饱水7 d煤样动态强度增加幅度比自然煤样动态强度增加幅度大,表明饱水煤样对围压变化的响应较强。揭示饱水对煤样的强度影响较显著,但应变率起到控制作用,中或高应变率条件下裂隙水与裂隙耦合形成较大刚度,三维动静组合加载饱水煤样动态强度呈增高特征。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

盐岩的渗透特性研究

针对盐岩的低渗透特性,提出了在渗透率低于10-22m2和高于10-22m2两种情况所采用的计算理论,即可以利用岩石扩散与对流-扩散理论和达西理论来研究其渗透特性,并给出了试验室测试盐岩渗透率的计算公式。通过盐岩的渗透试验:①研究了损伤对盐岩渗透率的影响,并指出当盐岩所处的应力状态没有超出盐岩的损伤临界值时,盐岩的渗透率基本保持其原始渗透率,当盐岩发生损伤后,其渗透率明显增加;②同时也研究了围压对盐岩渗透率的影响。结果表明,在其它条件相同的情况下,作用在盐岩上的围压越高,盐岩的渗透率越低,并给出了围压与渗透率的拟合关系式。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

不同龄期混凝土多次冲击损伤特性试验研究

为了解不同龄期混凝土多次冲击损伤特性,利用大杆径分离式霍金森压杆(SHPB)试验装置对5种不同龄期下的支护混凝土分别进行多次冲击压缩试验,并采用Weibull分布的统计损伤模型分析其损伤特性,系统地了解多次冲击荷载对混凝土造成的损伤规律。结果表明,对每一龄期混凝土,在其临界入射能75%水平的冲击条件下,第一次冲击有助于提高混凝土的抗压强度,之后随着冲击次数增加,混凝土的抗压能力、变形能力都变弱。随着龄期的增长,混凝土损伤–应变曲线表现出2种不同变化形式,损伤度对入射能的敏感度降低,试样失稳时的累积损伤没有明显的变化,均在1.00左右;而峰值损伤则以对数函数关系降低,其中稳定龄期的峰值损伤表明,Weibull分布的统计损伤模型能反映材料的损伤特性。     

HPFRCC常规三轴受压强度和变形特性

通过常规三轴受压强度和变形特性试验,研究了围压以及PVA纤维掺量对高性能PVA纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)受压性能的影响.结果表明:随着围压的增加,HPFRCC的轴向极限抗压强度以及峰值应变均显著提高;PVA纤维掺量对HPFRCC抗压强度的影响较小,在低围压受力状态下使用PVA纤维增强HPFRCC要比在高围压受力状态下更能发挥纤维的增强阻裂作用,而且PVA纤维掺量对应力-应变曲线下降段也有一定影响.根据试验数据建立了HPFRCC的轴向极限抗压强度、轴向峰值应变与围压之间的关系.