围压条件下砂岩循环冲击损伤的力学与超声分析

采用带围压装置的φ100mm霍普金森压杆系统,对砂岩试样进行了单轴冲击和4MPa、20MPa围压条件下的循环冲击试验,并对每次冲击前后的砂岩试样进行超声纵波检测,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的应力、应变特征,定义了砂岩试样的屈服-弹性比用以描述围压下试样应力应变曲线的弹塑性特征,采用纵波波速定义了砂岩试样的冲击损伤并分析了循环冲击试验中砂岩试样纵波波速和应力应变之间的关系。分析发现：在围压作用下,应力－应变曲线呈现典型的弹塑性特征。随着冲击荷载循环作用次数的增加,砂岩试样屈服应力、峰值应力降低,屈服应变、峰值应变增加。随着循环冲击作用次数的增加,砂岩试样的应力、应变特征与纵波波速之间存在良好的相关关系。较低围压状态下累计损伤度明显高于较高围压下砂岩的累积损伤,砂岩循环冲击损伤具有明显的围压效应。研究结果对地下工程的建设和防护有一定的指导意义。     

基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评价

基于向家坝砂岩的常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验成果,分别通过应变等时曲线簇、稳态蠕变速率与应力水平的关系、裂纹损伤应力、流变荷载与破坏时间关系确定砂岩的长期强度,并比较这4种方法的适用性。结果表明:砂岩体积应变等时曲线簇的拐点比轴向应变、侧向应变等时曲线的拐点更为明显,而且其对应力水平和时间的反应更敏感;轴向稳态蠕变速率和侧向稳态蠕变速率与应力的关系符合指数函数关系,采用给定稳态蠕变速率阈值确定岩石长期强度比利用稳态蠕变速率-应力曲线的拐点确定长期强度更为合理;岩石的裂纹体积应变等时曲线簇以及其稳态蠕变速率与应力的关系也可以作为确定岩石长期强度的一种方法;岩石的裂纹损伤应力反映长期强度所在应力水平,为蠕变试验荷载分级提供依据。     

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。     

一维静载与频繁扰动共同作用下含铜蛇纹岩动力学特性

基于冬瓜山铜矿深部开采面临的高应力集中及爆破扰动的问题,采用改进的SHPB岩石动静组合加载试验系统,进行了含铜蛇纹岩在一维静载与频繁扰动共同作用下的动力学试验,研究其动力学特性。研究结果表明:预加轴压促使岩石内部微裂纹完全闭合时,岩石动态应力-应变曲线初始阶段不出现下凹现象,否则出现;岩石内部存储的弹性力大于扰动冲击应力时,岩石动态应力-应变曲线峰值应力后会出现回弹现象,否则不出现;动态峰值应力、动态变形模量随扰动冲击次数的增大而减小,60%单轴抗压强度的轴压时峰值应力最大;峰值应力均值随轴压的增大先增大后减小;最大应变、峰值应力对应应变随扰动冲击次数的增大而增大;累计扰动冲击次数最大值与均值都随轴压增大呈一元四阶多项式关系递减。     

泡沫镍力学性能的实验研究

本研究在室温下控制位移,先以5mm/min的位移速度对泡沫镍进行了单轴拉伸、压缩实验,然后在不同应变率情况下进行了一系列单轴拉伸实验,得到了相应的应力-应变曲线,讨论了材料的应变率相关性.结果表明在普通拉伸试验范围内(准静态),改变变形速度会影响应力-应变曲线,屈服应力、强度极限随变形速度增大而下降;单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏4个阶段;单轴压缩时,具备其他泡沫材料受压典型应力-应变曲线的3阶段特征,即明显的弹性变形段、屈服平台段和紧实段.     

高应变率下含水红砂岩爆破损伤演化模型研究

基于直径50 mm的Hopkinson压杆装置,从宏观与微观两方面探究含水红砂岩在应力波作用下的力学特性与损伤演化机理,并将弹性模量定义的含水损伤与微元破坏数量定义的荷载损伤视为宏观损伤与微观损伤,基于Weibull理论与Drucker-Prager准则,推导得到红砂岩在含水率与应变率耦合作用下的复合损伤变量与动态损伤本构方程。研究表明,岩石损伤在一定范围内随含水率的增加而逐渐扩大,随着试样饱和,含水损伤趋于稳定。复合损伤变量与荷载损伤在应变率的作用下变化趋势近似,可分为初始阶段、低速发展阶段与快速发展阶段,代表了岩石在爆破冲击作用下的损伤演化过程,与含水红砂岩动态压缩破坏过程中应力-应变曲线的各个阶段相对应。将理论应力-应变曲线与实测应力-应变曲线进行对比,对建立的动态损伤本构模型准确性进行验证,发现该模型与含水红砂岩在动态压缩过程中的各个阶段拟合度较好,证明了该模型的准确性。     

主动围压作用下水泥粉质黏土SHPB试验与分析

为研究围压状态下水泥粉质黏土的冲击压缩特性,进行了不同围压和不同应变率条件下水泥粉质黏土的霍普金森压杆(SHPB)试验,分析了围压和应变率对水泥粉质黏土动态应力-应变曲线、冲击压缩强度以及破坏形态的影响。试验结果表明:围压和单轴状态下的水泥粉质黏土动态应力-应变曲线均经历弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,但是两种状态下水泥粉质黏土试样的破坏形态不同,单轴条件下水泥粉质黏土试样的破坏程度随应变率增加而逐渐变大,围压作用下水泥粉质黏土在冲击试验后保持较好的整体性。围压和应变率共同影响水泥粉质黏土的冲击压缩强度:相同应变率条件下,水泥粉质黏土冲击压缩强度随围压的增加而增大;相同围压条件下,水泥粉质黏土峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,表现出明显的应变率效应。     

岩石类脆性材料动态压剪耦合特性研究

岩石具有复杂的细微观结构,其宏观力学性能表现出明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用基于改进的SHPB装置,对花岗岩、大理岩和砂岩等三类岩石进行了五种倾角的准静态和动态压剪联合加载实验,较系统地讨论了与岩石应力应变关系曲线的拟线性阶段的斜率、破坏强度等有关的加载路径敏感性和应变率效应。结果表明:岩石的法向模量、切向模量和破坏强度都有明显的压剪耦合效应(即加载路径敏感性)和应变率效应;比较而言,法向模量对剪切应力的依赖性强于剪切模量对法向应力的依赖性。基于Drucker-Prager(D-P)准则和考虑压剪耦合效应的修正的DP准则拟合岩石的动静态破坏面,拟合结果表明:岩石的内黏聚力有一定的应变率效应,内摩擦角的应变率效应不明显;修正的D-P准则可以描述压剪耦合效应。并探讨了大理岩的后继屈服面和岩石应力应变关系的描述问题。此研究提供了一种确定岩石动态强度参数的方法,表明进行压剪联合加载实验研究有助于揭示复杂应力状态下岩石的动静态力学性能。     

高强高性能混凝土三轴拉压压力学性能试验研究

采用大型动静真三轴伺服液压试验系统,对单轴压强度为90.6 MPa的高强高性能混凝土进行三轴拉压压等比例试验研究,获得了各应力比下试件的破坏模式、多轴强度及应力-应变曲线。试验结果表明:高强高性能混凝土三轴拉压压应力状态下的破坏为典型的受拉破坏;最大主应力方向的极限强度远低于其单轴压强度,中间主应力效应不明显;拉应力的存在对最大主应力方向应力-应变曲线影响十分明显,呈现出明显的线性特征。基于试验结果提出了适用于高强高性能混凝土的强度准则,为高强高性能混凝土本构关系的建立提供了试验和理论依据。     

冲击压缩载荷作用下杨木的力学性能研究

通过SHPB动态压缩实验,对杨木在高应变率条件下的力学特性进行了研究。基于一维应力波理论的分析表明,尽管杨木相比于金属压杆具有较低的波阻抗,其SHPB动态压缩实验中试样两端的应力均匀性条件仍可以得到满足,而不需要进行入射波整形。通过在透射杆上使用半导体应变片,可以获得具有较高信噪比的透射波信号。结合杨木的准静态实验结果发现,其应力-应变曲线具有多孔材料的典型特征。轴向试样具有Ⅱ型吸能结构特征,失效应力和平台应力都具有应变率敏感性,其平台应力的敏感性稍弱;弦向试样具有Ⅰ型吸能结构特征,没有明显的失效强度,其平台应力具有应变率敏感性,与通常的Ⅰ型吸能结构相比存在一定差异。通过对实验数据的拟合,发现应变率对杨木失效强度的影响符合对数率。     

红砂岩剪切储能与最大剪应变特征试验研究

为了明确干燥和饱水红砂岩剪切强度、剪切储能与剪应变特征,在岩石剪切试验系统进行了不同法向应力作用下干燥和饱水红砂岩剪切试验,详细分析了法向应力和饱水作用对红砂岩剪切强度、剪切应变能密度和剪应变的影响规律。结果表明：剪力-剪切位移曲线,干燥状态线性段明显,饱水状态屈服段明显,法向应力在10 MPa～20 MPa,剪切强度和剪切位移增加显著,法向应力在20 MPa～40 MPa切向位移变化很小;压剪应力状态下的粘聚力和内摩擦角明显低于三轴压缩应力状态下的粘聚力和内摩擦角,饱水使三轴应力路径下的粘聚力和内摩擦角都弱化,而压剪应力路径下只对内摩擦角弱化。法向应力小于20 MPa时,剪切强度劣化率随法向应力的增加线性增大,法向应力在20 MPa～40 MPa时,剪切强度劣化率在一定值上下波动。峰值剪切应变能密度与法向应力之间存在良好线性变化规律,随法向应力增大,饱水对峰值剪切应变能密度的影响增加。干燥和饱水红砂岩峰值剪切应变能密度分别趋于定值1.4579 MJ/m3和1.0033 MJ/m3,饱水使峰值剪切应变能密度的劣化率趋于31.18%。根据峰值剪应变随法向应力的变化规律,构建了干燥和饱水红...     

碱激发改性矿粉/砒砂岩复合材料

为了实现砒砂岩的资源化利用,首先,通过碱激发法并掺入适量的矿粉将砒砂岩转变成了力学性能较好的改性矿粉/砒砂岩复合材料;然后,系统地研究了矿粉、碱激发剂掺量和龄期对改性矿粉/砒砂岩复合材料抗压强度和软化系数的影响;最后,利用SEM/EDS、FTIR和XRD分析了改性矿粉/砒砂岩复合材料的水化进程和碳化进程。结果表明:改性矿粉/砒砂岩复合材料的90d抗压强度和软化系数分别达到46.0 MPa和0.94,完全满足工程应用的需求;改性矿粉/砒砂岩复合材料主要的水化产物为C-S-H凝胶和地聚物胶体,且C-S-H凝胶存在比较严重的碳化现象;当矿粉和NaOH的掺量分别为20.0wt%和1.5wt%时,C-S-H凝胶的28d碳化率达30.1%,且碳化率随矿粉及NaOH掺量的增加而减小,但碳化率对强度几乎没有影响。改性矿粉/砒砂岩复合材料拥有良好的力学性能及耐水性。      

含涤废弃织物增强水泥基透水砖的制备及表征

采用涤棉混纺(P/C)和涤纶(PE)废弃织物增强水泥基透水混凝土砖,分析织物含量和织物尺寸等因素对复合透水砖(CPB)抗压性能、透水性和保水性的影响。结果表明:随着织物掺加体积分数的增加,CPB的抗压强度、压缩韧性指数和所消耗能量先增大后减小,透水系数和保水系数增加;随着织物尺寸增大,CPB的抗压强度、透水系数和保水系数逐渐减小,压缩韧性指数增加,耗能变化幅度不大;在织物和纤维掺加量较小且掺加质量相同的条件下,与废弃织物CPB相比,再生纤维CPB的抗压强度较小,而压缩韧性指数、耗能和透水系数较大;当织物掺加体积分数≤2%时,涤棉复合透水砖(PC-CPB)的抗压强度优于涤纶复合透水砖(P-CPB),透水系数、保水系数和P-CPB接近,当织物掺加体积分数>2%时则相反,而PC-CPB的压缩韧性指数和耗能始终优于P-CPB;织物掺加体积分数为2%的3 mm×3 mm P/C织物所制备的CPB抗压强度为28.20 MPa,耗能为1097.55 N·m,透水系数为0.267 mm/s,保水系数为43.40 g/cm2,与普通透水砖相比,分别提高了21.8%、55.8%、115.3%和33.3%。      

PTFE/PA6和PTFE/PA66共混物的吸水性及流变行为

通过浸水实验、缺口冲击断裂实验和动态流变测试,考察了PTFE含量对PTFE/PA6和PTFE/PA66共混物的吸水率、冲击断裂强度及熔体黏度的影响以及熔体黏度随温度和频率的变化规律。结果表明,PTFE/PA6和PTFE/PA66共混物的吸水率均随着PTFE含量的增加而减小,即PTFE的加入抑制了共混物的吸水性。两种共混物的冲击强度比纯PA明显降低,但是吸收水对两种共混物冲击强度的影响不显著。随着PTFE含量的增加,共混物熔体的黏度先减小后增加,说明适量的PTFE可以改善共混物的成型加工特性。共混物熔体的黏度随加载频率的增大而降低,符合假塑性流体流动规律。有趣的是,对于PTFE/PA6共混物的黏度随着温度的升高而减小,而PTFE/PA66共混物黏度随着温度升高近似成指数规律增大。     

γ射线辐照对PA6/PTFE合金吸水与力学性能的影响

为了探讨辐照对尼龙6(PA6)基共混材料吸水性能和力学性能的影响,制备了PA6和聚四氟乙烯(PTFE)共混合金并在室温下进行不同剂量的60Coγ射线辐照.通过吸水率测试、准静态拉伸和弯曲实验以及缺口冲击测试,研究了辐照对PA6/PTFE共混体系吸水性能以及吸收水和辐照剂量对共混合金动静态力学性能的影响.结果表明,辐照过程引发交联反应,共混合金的拉伸强度、拉伸模量和弯曲模量均随辐照剂量的增大而增大,而缺口冲击强度和吸水率则随之减小.吸收水对共混合金缺口冲击强度的影响与合金组分有关.PTFE含量较低时,吸收水抑制PTFE对合金冲击强度的减弱作用;当PTFE的质量分数大于7%时,吸收水反而加剧PTFE对材料冲击强度的减弱效应.此外,PA6/PTFE合金的吸水率随PTFE含量的增加而降低,而弯曲模量则先增后减.     

Strength failure and crack coalescence behavior of brittle sandstone samples containing a single fissure under uniaxial compression

Uniaxial compression experiments were performed for brittle sandstone samples containing a single fissure by a rock mechanics servo-controlled testing system. Based on the experimental results of axial stress-axial strain curves, the influence of single fissure geometry on the strength and deformation behavior of sandstone samples is analyzed in detail. Compared with the intact sandstone sample, the sandstone samples containing a single fissure show the localization deformation failure. The uniaxial compressive strength, Young’s modulus and peak axial strain of sandstone samples with pre-existing single fissure are all lower than that of intact sandstone sample, which is closely related to the fissure length and fissure angle. The crack coalescence was observed and characterized from tips of pre-existing single fissure in brittle sandstone sample. Nine different crack types are identified based on their geometry and crack propagation mechanism (tensile, shear, lateral crack, far-field crack and surface spalling) for single fissure, which can be used to analyze the failure mode and cracking process of sandstone sample containing a single fissure under uniaxial compression. To confirm the subsequence of crack coalescence in sandstone sample, the photographic monitoring and acoustic emission (AE) technique were adopted for uniaxial compression test. The real-time crack coalescence process of sandstone containing a single fissure was recorded during the whole loading. In the end, the influence of the crack coalescence on the strength and deformation failure behavior of brittle sandstone sample containing a single fissure is analyzed under uniaxial compression. The present research is helpful to understand the failure behavior and fracture mechanism of engineering rock mass (such as slope instability and underground rock burst).     

含共面裂隙群砂岩强度与破裂特征的试验研究

节理岩体力学行为是地下工程稳定分析及支护设计的基础。采用岩石力学伺服试验机对含充填共面裂隙群砂岩试样进行单轴加载试验,分析了连通率和充填方式对砂岩强度及变形破裂特征的影响规律。试验结果表明:裂隙砂岩的力学性能较完整砂岩呈现出显著的劣化,且随着裂隙连通率的增大,峰值强度、峰值应变及弹性模量均逐渐减小;试样破裂过程中预制裂隙尖端先后出现Ⅰ类张拉裂纹和Ⅱ类剪切裂纹,但最终的失稳破裂面由II类裂纹扩展形成,Ⅰ类裂纹和Ⅱ类裂纹与预制裂隙的夹角随着裂隙连通率的增大逐渐增大;受充填方式的影响,裂隙砂岩的强度及变形特征均呈现出显著增大的趋势,而弹性模量提升幅度相对较小。     

Influence of water and accelerated aging on the shear fracture properties of glass/epoxy composite

The degradation of interlaminar shear strength and shear fracture toughness of glass/epoxy composites due to uptake of distilled water and sea water has been studied. The composites were immersed in water for up to eight months at temperatures up to 70 °C. Unreinforced matrix resin samples were also immersed for periods up to 2 years. Sea water was absorbed less rapidly than distilled water. Weight gains below 1% did not influence the shear strength while higher weight gains reduced shear strength up to 25%. The loss in apparent interlaminar shear strength was uniquely related to specimen weight gain. Mode II fracture toughness, G _IIc, also decreased with increasing immersion time after an initial incubation period, but the accelerated tests were found to reduce G _IIc less than the room temperature tests at comparable weight gains.     

实时高温下与热处理后砂岩动态拉伸特性研究

为了开展实时高温下及加热冷却后岩石动态力学性质的对比研究,利用自行设计的加热装置结合SHPB系统对两种温度状态砂岩的动态拉伸特性进行试验研究,处理温度为常温(25℃)～600℃共7组。结果表明:砂岩的率效应在两种温度状态下都存在,热处理后的砂岩拉伸强度除100℃外都比常温状态小,且随着热处理温度的增大,拉伸强度减小,温度会影响试样的破坏形态。高温下砂岩的拉伸强度除600℃外都比常温状态大,且拉伸强度随着温度的升高先增大后减小,加载率对破坏模式起主导作用。高温下的热膨胀作用会抑制裂纹相互连接,使得岩石结构更加密实,导致砂岩在实时高温下的拉伸强度相比加热冷却后有很大的区别。