冲击荷载作用下的井壁混凝土能量与损伤特性

针对深部矿井井壁混凝土产生类似"岩爆"现象的问题,从典型种类混凝土动力学性能角度出发,采用直径为75 mm的分离式霍普金森杆(SHPB)和超声检测装置对普通高强混凝土(NHSC)、钢纤维混凝土(SFRC)和免蒸养活性粉末混凝土(NSC-RPC)进行动力学试验。研究单次和多次冲击荷载作用下,不同种类混凝土的应力、应变行为,能量输入与耗散特征以及损伤程度。分析子弹的冲击速度、混凝土内部能量和损伤程度3者之间的相关关系,探明不同种类混凝土的失效特征与机理。结果表明:3种典型种类混凝土的应力应变、能量和损伤值皆与冲击速度呈正相关性。NSC-RPC的能量承受和耗散能力是NHSC和SFRC的两倍左右,同时NSC-RPC要产生可测损伤值所需要的临界冲击速度亦高于另外两者。多次冲击荷载导致混凝土应力峰值降低,应变增大,材料的承载能力弱化,但多次的冲击行为对NSC-RPC的劣化程度最小,且在多次较低速的冲击荷载下,NSC-RPC仍未出现可测损伤值。在3种典型种类混凝土中,NSC-RPC具有最为优异的抗冲击能力,将NSC-RPC应用为深部地下工程井壁以及关键结构部位材料更具有优势。本工作从应力应变、能量与损伤等多方位因素,揭示深竖井井壁结构在服役期限内的损伤、失效机理,提出深部井筒支护材料的改善措施,为超深井井壁混凝土材料的选择提供可靠的理论依据。     

单轴冲击荷载下冻土能量耗散特性试验研究

为研究应变率和含水率对冻土能量耗散的影响,通过■50 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)动力学试验,综合研究了不同冲击速度(4～10 m/s)、不同含水率条件(9%～18%)下冻结黏土的能量耗散特性。试验结果表明：(1)从耗散能的角度将冻土破坏吸能过程分为3个阶段：缓慢增长、快速增长和趋于稳定阶段;耗散能、反射能和透射能与入射能间呈一次函数正相关(R²>0.94),且入射能、反射能、透射能和耗散能与平均应变率间也存在线性正相关关系(R²>0.87);随含水率增加,能量反射系数、能量透射系数和能量耗散系数分别呈先递减后增加、先递增后减少和先递增后减少趋势。研究成果为冻土区爆破工程施工提供借鉴参考。     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积...     

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。     

不同应变率下煤的动力学特征研究

为探究煤在冲击破坏中表现出来的动力学特征,使用直径50 mm分离式霍普金森压杆装置试验系统对煤样进行不同应变率下的冲击破坏实验。结果表明：碎裂过程可以分为4个阶段,分别是压实阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段、破坏阶段。在不同应变率下,煤样的应变随时间的增加而增加,应变率越大,煤样的应变-时程曲线斜率越大;煤岩的动态变形模量和动态抗压强度随应变率的增大而增大,并在一定范围内波动;煤样冲击破碎块度分布和应变率有明显的相关性。     

冲击荷载下石灰岩裂纹扩展规律研究

为研究含裂纹岩石在循环冲击下的裂纹扩展规律,以 三友矿山边坡石灰石为研究对象,基于分离式霍普金森杆 (SHPB)的基本原理,利用连续 非连续的数值模拟方法,引 入线弹性单元模型,通过在轴向施加正弦波的加载方式,对 石灰岩内裂纹扩展情况进行数值模拟,研究了冲击载荷作用 下,预制裂纹角度为０°、３０°、６０°、９０°的石灰岩的裂纹扩展规 律及力学性能变化等.研究结果表明:岩石起裂位置均在原 有裂纹尖端;随着裂纹角度的增加,岩石破坏的峰值强度和 产生破坏的时间呈先减少后增加的趋势;当裂纹数量增加 时,裂纹的起裂位置不变,向两端扩展的速度加快,岩石破裂 的峰值应力减小,岩石的破坏时间缩短.研究结果对动载荷 引起的含损伤岩石的边坡稳定性分析具有重要意义.     

轴向荷载下岩石剪切破坏时效损伤蠕变模型研究

岩石蠕变滑移失稳是诱发断裂滑移型岩爆的主要原因之一,为了揭示岩石蠕变失稳过程的力学响应特征,文中通过理论分析和试验研究,分析了岩石剪切滑移失稳过程的蠕变增长模式和力学响应特征,建立了轴向荷载作用下的岩石剪切破坏时效损伤蠕变模型。研究结果表明:该模型可以很好地描述岩石剪切滑移失稳过程的蠕变演化特征,也能够表征岩石不同蠕变演化阶段的力学响应差异;在轴向荷载作用下,岩石剪切滑移失稳过程具有明显的阶段化特征,存在典型的减速蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段;岩石蠕变增长速率受弹性模量和黏性系数等影响,也受时效损伤效应影响,尤其对于加速蠕变阶段影响显著,这是造成岩石非线性加速蠕变失稳的原因之一。     

双向荷载下不耦合装药对石灰岩预裂爆破的影响研究

为研究石灰岩在双向荷载不耦合装药情况下,岩石预裂爆破效果,采用LS-DYNA模拟软件对直径55 mm的炮孔数值模拟,以吕梁永宁煤矿10204运输巷、10206运输巷的现场试验为背景,解释岩石破裂时所产生裂隙扩展进程,对比不同双向受力对破裂时所产生裂隙扩大的影响,不耦合系数对于破裂时所产生裂隙扩展影响。结果表明：粉碎区耗能约为15%,在不耦合系数1.51～1.97时,贯通裂隙长度呈现先增大后减小的情况,在双向荷载不耦合装药的情况下选取不耦合系数1.67为最佳。     

不同尺度石灰岩柱单轴压缩试验研究

岩石具有尺度效应,因此研究不同几何尺度的岩石力学特性规律是很有意义的。选取河北省井陉石材厂均匀致密的石灰岩,加工成不同长度、横断面为25 mm×25 mm的方形岩柱,并进行单轴压缩试验,得出了一些有益规律:(1)长细比越小,岩柱抵抗动载的性能越好;(2)岩柱的弹性模量和极限变形模量与长细比密切相关,随长细比的增加呈对数增加;(3)岩柱平均极限轴向应变随长细比的增加呈幂函数减小,长细比为2时,岩柱平均极限轴向应变急剧减小,长细比在3以后,平均极限轴向应变几乎不变。     

煤体在冲击荷载作用下的损伤机制

以静力学、冲击动力为实验手段,得出煤在不同应变率荷载下的应力-应变关系。根据实验结果及煤体动态力学特征,通过改进朱-王-唐本构模型建立了体现煤体应变率效应、损伤特征的本构方程。将建立的方程嵌入有限元程序中对煤体在不同峰值冲击荷载作用下的损伤机理进行研究,研究结果表明:煤体在冲击荷载下出现层状间隔劈裂结构,煤体的劈裂损伤主要有2种形式:①由较大拉剪应力形成的"快速跃升式"损伤;②拉剪-压剪交替作用累积形成的"慢速阶梯式"损伤。     

冲击动载荷作用下软岩力学参数变化及破坏模式研究

对泥岩、砂质泥岩2种软弱岩石利用分离式霍普金森实验系统进行冲击动载实验。通过实验研究及理论分析发现,深井软弱岩石在冲击动载下动态抗压强度、动态弹性模量、泊松比随随应变率的增大而增加;破碎尺寸随应变率的增大而减小。破坏模式为拉伸破坏和剪切破坏。     

冲击荷载作用下煤岩力学特性研究及能量演化特征

为了探究冲击倾向性煤岩的动态力学特性和破碎特征,以强冲击倾向性煤岩为研究对象,进行了中高应变率条件下的单轴冲击试验。结果表明：在冲击荷载作用下,煤岩的破裂与变形可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段4个阶段;动态应力、应变均表现出明显的应变率效应;煤岩动态应力增长因子与应变率呈线性正相关;峰值应力与能量密度拟合呈现对数关系,能量密度与应变率拟合呈现指数关系,吸收阻抗比能与应变率具有良好的二次幂指函数关系,吸收阻抗比能和能量密度表现出较强的应变率相关性;破坏模式逐渐由轴向劈裂破坏向压碎破坏过渡。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

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。     

高应变率下煤力学特性试验研究

利用Φ50 mm分离式霍普金森(Hopkinson)压杆(SHPB)试验系统,对煤进行单轴冲击压缩试验,明确煤的力学特性随应变率的变化规律。试验气压等级设计为0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55 MPa,为试样提供相应的6组不同应变率。试验结果表明:高应变率下煤应力-应变曲线大致分为压密阶段、弹性变形阶段、微裂纹演化阶段、裂纹非稳定扩展阶段以及卸载阶段;应变率升高缩短压密阶段,延长弹性变形阶段;随着应变率的升高,煤动态弹性模量与峰值应力近似呈对数形式增加,而峰值应变近似呈对数形式降低;煤试样的破坏程度随应变率的升高而增加,应变率由68.666 s-1增加到79.751 s-1,煤破坏程度对应变率的敏感性最为显著。研究结果可为采矿工程割煤参数的确定提供依据。     

周期荷载作用下盐岩疲劳特性试验研究

利用RMT-150C型岩石力学多功能试验机,针对盐岩进行了单、三轴周期荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的破坏特征、变形特性及损伤。单轴试验结果表明,盐岩疲劳破坏终点的变形量受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和幅值对盐岩的疲劳寿命有着显著影响;轴向应变和损伤都可以分为初始、等速和加速三个阶段;当上限应力小于单轴抗压强度的75%时,盐岩未发生明显破坏,疲劳效应明显弱化,可以认为是盐岩的门阀值为75%。盐岩的三轴疲劳试验表明:不同上限应力和幅值对疲劳寿命起关键作用;盐岩在三轴周期荷载作用下,很快完成初始变形阶段,而很长时间内处于稳定的等速变形过程,这种疲劳特性对储气库的稳定性有利。     

循环冲击作用下岩石能量耗散特征及损伤研究

为研究玄武岩在循环冲击作用下的能耗特征及损伤，采用带围压装置的霍普金森压杆(SHPB)系统设置5种冲击气压梯度对玄武岩试样开展单轴冲击试验和两种围压状态下的循环冲击试验。研究发现，随着循环次数增加，试样单位体积吸收能呈现前期匀速缓慢增长，临近破碎时增长速率急剧攀升的趋势，玄武岩试样单位体积吸收能与冲击气压值呈正相关；施加围压可大大增加玄武岩抵抗外部冲击的能力，破碎时累计比能量吸收值比无围压状态提升10倍以上；随着循环冲击次数的增加，损伤因子D先匀速上升，而后上升速率加大，临近破碎时，岩石吸能效率下降，损伤因子又趋于平稳；损伤因子D达到0.4左右时，玄武岩试样出现较为明显的剪切裂纹。     

霍普金森试验下斑铜矿动态力学特性分析

为了研究斑铜矿在不同冲击荷载下的动态力学特性,通过霍普金森试验,对斑铜矿进行冲击试验,分析研究结果表明：斑铜矿的平均应变率与冲击荷载有着很强的相关性,二者之间多项式拟合关系水平明显。在冲击荷载的作用下,应力应变曲线表现为四个发展阶段：裂隙闭合阶段、弹性裂隙稳定扩展阶段、非线性弹性变形阶段、最终破坏阶段,存在一个破碎块度的均匀适中的冲击气压,而在较高冲击荷载下的破坏模式为压碎破坏。对冲击后的岩样进行筛分粒度分级的结果表明：冲击荷载越大,破碎块度越小。     

冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究

为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能,利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对煤岩试件进行了基础的动、静力学特性试验,研究了其破坏机理。结果表明:静载作用下,煤岩试件多为单一裂纹破坏;而动载作用下,破坏形式比较丰富,如低应变率时的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏;弹性模量与峰值应力的率相关性显著,而峰值应变的率相关性较弱;在动态加载方式下,由于加载速度过快,试件内部孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短,宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。     

双向交通荷载作用下粉煤灰土动力特性研究

针对传统的粉煤灰土动力特性研究中只考虑单向荷载作用的局限性,将交通荷载简化为双向振动的正弦波形循环荷载,采用FST-200型动三轴试验机进行双向交通荷载作用下粉煤灰土的动三轴试验,分析了径向动应力对粉煤灰土轴向累积塑性变形、动强度和动弹性模量的影响,建立了轴向累积塑性变形与振动次数关系的分段函数数学模型。结果表明：在双向交通荷载作用下,粉煤灰土的轴向累积塑性变形与振动次数、轴向动应力幅值正相关,与径向动应力幅值负相关,施加径向动应力降低了动偏应力,提高了土样的刚度,使轴向塑性累积变形减小;粉煤灰土的动强度、动弹性模量随径向动应力的增加而增大,随振动次数增加而降低;建立的数学模型能够反映粉煤灰土在双向交通荷载作用下的动变形特性。