裂缝长度对岩石动态断裂韧度测试值影响的研究

 为了考察裂缝长度对试件动态断裂韧度测试值的影响,采用圆盘直径为80 mm变化裂缝长度的大理岩中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行动态冲击劈裂试验。对不同裂缝长度试件动态试验时弹性压杆上测得的应变波形以及试件的断裂模式进行分析,用试验–数值的方法确定大理岩的动态断裂韧度。结果表明,在平均加载率为2.96×104 MPa·m1/2·s－1的条件下,大理岩动态断裂韧度均值是其静态断裂韧度均值的2.6倍,随着裂缝长度的增加,动态测试值没有静态测试值的变化显著,最后对与试件尺寸和构形无关的动态断裂韧度的确定方法进行讨论。     

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。     

三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的三维霍普金森动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下砂岩力学特性试验的初步研究。选取3个围压水平(0,5,和10 MPa)和3个典型轴压水平(60,80和100 MPa),开展不同应变率下的三维组合加载试验。研究结果表明,当围压一定,轴压比在0.52～0.87范围内变化时,砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小。当轴压一定,围压为5 MPa时砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10 MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。本文的研究结果也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得割线模量会增加。研究结果还表明,在本文轴压比范围内,当围压一定时,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6～0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加载下,砂岩会呈现出“单锥”压剪破裂形式。     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的实验研究

为了获得岩石在高加载速率作用下的动态断裂韧度值并分析加载速率的影响,由分离式霍普金森压杆入射杆杆端附加劈尖及其基座对边切槽圆盘试样施加动态劈裂载荷。把应变片粘贴在裂纹尖端附近获得裂纹扩展时间;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元计算模型,获得试样的起裂动态断裂韧度值。结果表明,在加载速率18.85×104MPa.m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度值随着加载速率的增大而上升,但上升趋势逐渐减弱。断裂韧度数值在高加载速率下呈现出明显的离散性。     

不同含水状态下煤矿砂岩SHPB试验与分析

为研究含水率对岩石动态力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对4种含水状态下长径比为0.5的两处煤矿砂岩实施单轴冲击压缩试验,获得相应状态下砂岩试件的动态应力–应变曲线。试验结果表明,在高应变率加载条件下,由于砂岩含水裂纹中自由水的表面张力作用和Stefan效应,产生了抑制裂纹动态扩展的阻力;且砂岩试件含水率越大,裂纹动态扩展阻力越大,砂岩的动态单轴抗压强度越高。拟合发现,砂岩动态单轴抗压强度随试件含水率呈幂函数增长。由于自由水充填了砂岩试件中的孔隙和微裂纹,砂岩试件纵波波速随含水率也呈幂函数增长。     

高应力岩石围压卸载后动力扰动的临界破坏特性

 利用改造的动静组合分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,系统研究砂岩历经三维加载–围压卸载–轴向冲击的临界破坏特性。试验结果表明：砂岩受外界冲击时的临界破坏特性受轴向静压影响明显,冲击强度随着轴向静压的增加出现先增加后减小的趋势;当无轴压和轴向静压为单轴抗压强度的20%时,应力–应变曲线为典型的I型曲线;随着轴向静压的增大,应力–应变曲线逐渐转变为II型曲线。试样破坏过程中能量变化逐渐由吸收扰动能量转变为释放弹性储能,该现象可以较好地反映岩爆发生过程中高静应力和动力扰动的相互作用机制,为深部岩爆机制的深入研究提供试验支持。另外,利用数字散斑相关计算方法对试样应力加载过程进行表面位移场监测;结果表明,常规冲击加载下,试样表现出为整体膨胀特性,当轴向静压为72 MPa时,则表现为入射端张剪性破坏和膨胀性破坏的共同作用,反映出轴向静载对试样动态破裂面断裂方式的影响。     

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。     

采用中心圆孔裂缝平台圆盘确定岩石的动态断裂韧度

由于带有预制裂缝岩石试件的难于制作以及动态研究的复杂性,岩石动态断裂韧度在研究方法上一直也没有统一的标准,有必要对其测试方法进行研究。采用大理岩制作了一种含有中心圆孔预制裂缝宽度小于1mm的平台圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行了动态冲击试验,并采用实验-数值方法,确定其动态断裂韧度。该方法基于一维应力波理论,采用Hopkinson弹性压杆上应变片获得作用在试件两端面的动态载荷P(t),输入此载荷,利用动态有限元法求得试样内动态应力强度因子KI(t)随时间的变化历程,对应于试件上应变片测得的起裂时间tf的动态应力强度因子KI(tf)即为材料的动态起裂断裂韧度KId。     

含不同节理倾角深部巷道砂岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为探讨含不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用50 mm杆径分离式霍普金森压杆试验装置对7种不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩试件进行冲击试验,借助高速摄像仪实时捕捉裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明:砂岩的动态抗压强度、峰值应变随着节理倾角的增加呈先减小后增大的趋势;随着节理倾角的增加,节理试件的塑性降低、脆性增加,0°,15°和30°节理试件的应力–时间曲线存在明显的塑性平台段,45°,60°,75°和90°节理试件无明显的塑性平台段,45°节理试件的应力–时间曲线"应力双峰"现象显著;节理倾角控制试件的最终破坏模式以及节理和岩石基体的破坏顺序,不同倾角的充填型软弱贯通节理试件的最终破坏模式可分为劈裂拉伸破坏、剪切–拉剪复合型破坏、剪切破坏;随着节理倾角的增加,破坏顺序逐渐由充填型软弱节理先破坏演变为岩石基体先破坏。     

中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响

 为了考察圆盘试件不同中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响,采用直径80 mm含有不同中心圆孔孔径的圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在Hopkinson压杆系统上进行径向冲击试验,获得岩石的动态断裂韧度。结果表明,当中心圆孔孔径与圆盘直径之比r0/R∈(0.10,0.30)时,岩石动态断裂韧度的平均值为4.57 MPa•m1/2,测试值受中心圆孔孔径变化的影响并不明显。试件的断裂模式有一定差异,当圆孔孔径较小时,在主裂纹扩展的过程中萌生较多的次生裂纹;随着孔径的增大,次生裂纹减少,试件呈现更加明显的宏观拉贯通破坏。对于推广中心圆孔裂缝平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的方法,以及掌握岩石受到动态冲击时的破坏特性具有重要的意义。     

冲击荷载作用下的I/II复合型裂纹扩展规律研究

 为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。     

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。     

节理角度对岩石材料的动态响应影响研究

为探究一维动载下节理角度差异对岩石动态响应的影响规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对预制完整试件及7组不同节理角度的水泥砂浆试件进行冲击试验;试验前后利用核磁共振成像(NMR)系统对试件的孔隙度及孔径分布进行检测.从动态强度、能量耗散和细观损伤等方面系统地分析节理角度对类岩石材料动态响应特征的影响规律,结果表明:...     

圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法

 提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。     

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

 为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。     

岩石SHPB试验中子弹形状对加载波形的数值模拟

利用有限元分析软件LS-DYNA对几种不同几何形状入射子弹在霍普金森压杆试验实验中产生的加载波形进行了数值模拟,在入射杆尺寸与撞击速度恒定的情况下,重点探讨入射子弹的几何形状对于加载波形的影响,为设计能打出近似理想半正弦波(或钟形波)的子弹提供理论依据。模拟研究发现:等截面子弹长度与加载波持续时间成正相关;锥形子弹末端截面直径越小,加载波上升沿时与脉冲持续时间越长,同时波形也越趋向于钟形波,但应力峰值则降低;对于本文设计的变截面子弹,其等截面段越长,加载波形越趋向于半正弦波。     

冲击荷载作用下岩石动态力学特性及破裂特征研究

采用分离式霍布金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对灰岩,白云岩和砂岩3类岩石进行动态冲击试验,得到岩石的动强度因子,耗散能密度及破碎尺寸与应变率的变化关系。在此基础上结合晶体离散元方法,采用高分辨率扫描和图像处理技术建立了晶体尺度试样模型,研究岩石材料高应变率力学特性和损伤特征。通过与室内SHPB试验对比,验证数值模拟的准确性。结果表明:岩石材料的动态屈服强度具有明显的率相关性,但弹性模量没有随应变率的增加而显著增加;在高应变率下,材料的动强度因子与应变率更符合Ханукаев公式;随着应变率的增加,岩石的破坏形态出现完整型→劈裂破坏→粉碎性破坏转化,这是由细观裂纹的激活数目以及裂纹间的相互作用关系所决定的。裂纹密度的变化和扩展路径的选择是材料动断裂机制,其宏观表现为材料的率效应和破碎成形。     

冲击载荷作用下硬岩层裂破坏的理论和试验研究

 理论分析半正弦冲击入射加载波形下的层裂破坏特性,推导产生层裂破坏的位置和层裂厚度。利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验。采用高速摄像仪记录试件层裂破坏的全过程。试验结果表明：岩石试件在半正弦入射加载波形情况下,首先如理论推导结果一样只产生了一层层裂破坏,但是随着时间的推移,岩石试件后续又产生了多层层裂;高速摄影仪和动态应变仪所采集到的分析结果均表明后续产生的层裂是由于入射加载过程中已经对岩石试件产生了损伤,以致在很弱的残余反射波作用下继续产生破坏而出现多层层裂。因此,研究岩石等脆性材料的层裂破坏规律,不但要根据最大拉应力瞬间断裂准则分析入射加载波和反射卸载波相互作用所产生的破坏效应,而且要考虑损伤对材料的影响。理论分析和试验方法对研究岩石的层裂破坏及其他相关特性具有一定的指导意义。     

温–压耦合及动力扰动下岩石破碎的能量耗散

 采用自行研制的温–压耦合及动力扰动试验系统,在4个温度等级(20 ℃,100 ℃,200 ℃,300 ℃)且每个温度等级的试样分别施加0,20,60,80 MPa的轴向静压力,对砂岩试样进行冲击试验。基于常规的霍普金森杆压缩试验中的能量耗散原理,计算出不同温度作用下动静组合加载岩石试样的能量耗散规律。结果表明：当动载荷保持不变,岩样在温度为20 ℃,200 ℃和300 ℃且预压力为20 MPa时,能量吸收率最大;而岩石试样作用温度为100 ℃时,当冲击载荷不变,不加轴压(轴压为0 MPa)时的能量吸收率最大。研究结果有助于研究高温、高应力作用下岩石破碎机制,为研究高温作用下岩体工程起到一定的参考作用。