白垩系冻结砂岩动态统计损伤本构关系研究

为了研究饱和冻结砂岩的本构关系,依托白垩系地层煤矿立井建设中冻结凿井工程,开展室内SHPB冲击试验获取冻结砂岩在不同应变率下的动态应力应变曲线,在分析岩石动力学特性的基础上,建立了基于Weibull统计分布、Drucker-Prager破坏准则及等效应变原理的砂岩强度型动态统计损伤本构关系.结果表明:冻结砂岩动态应力应...     

不同饱水度红砂岩静态本构关系及动态力学性能研究

基于电液伺服压力试验机和φ100 mm SHPB试验平台,分别对四种饱水度红砂岩试样进行静态压缩试验和六种应变率的动态冲击试验;借鉴宏观唯象损伤力学概念及Lemairte损伤模型,依据不同饱水度红砂岩静态压缩试验结果,拟合得到分段式水软化-应变损伤本构关系,最后利用所得本构关系,对静态压缩试验结果进行合理分析;SHPB冲击试验结果表明:(1)各饱水度红砂岩均呈现出明显的应变率效应,峰值应力、峰值应变及峰值模量均随着应变率的增大而增大;(2)在水-岩-力的响应体系中,既存在水对岩石的软化作用,同时又存在应变率、孔隙水以及岩石结构之间的动力耦合强化作用,这两种作用始终存在,但随着应变率的变化,两种作用的效能发挥有所浮动,进而影响红砂岩所呈现出的性能。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

冲击载荷下玄武岩纤维增强混凝土的动态本构关系

为了研究玄武岩纤维增强混凝土的动态本构关系,利用Ф100mm分离式霍普金森压杆装置,对玄武岩纤维增强混凝土进行冲击压缩试验,得到了动态应力-应变曲线,对试验数据进行了分析,根据试验结果,通过叠加应变率强化效应和损伤软化效应,对混凝土静态Ottosen非线性弹性本构模型进行修正,建立了玄武岩纤维增强混凝土损伤型的动态本构模型,确定参数并将理论模型计算结果与试验结果进行了对比。研究表明,玄武岩纤维增强混凝土的动态性能存在明显的应变率强化效应,动态强度增长因子和峰值应变与应变率对数之间存在近似函数关系;建立模型的方法可行,理论模型计算结果与试验结果吻合较好,建立的本构模型可用来描述玄武岩纤维混凝土的动态力学行为,并能为玄武岩纤维增强混凝土的进一步研究和工程应用提供参考依据。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

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。     

混凝土圆柱体试件在低速冲击下动力效应的研究

为研究混凝土圆柱体试件在冲击荷载作用下的动力效应,利用落锤冲击试验机,对混凝土圆柱体试件在应变率100~101/s范围内进行轴向冲击试验,并采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）对试验过程进行数值模拟。试验中测量不同冲击速度及冲击边界下的锤头冲击力、试件轴向应变时程曲线,获取了试件破坏形态及破坏过程的高速影像,比较分析了不同冲击速度及边界条件下,试件应力、应变峰值,应变率及动力增强系数（DIF）的变化规律。结果表明：随冲击速度的增加,试件的应力、应变峰值,应变率及动力增强系数都呈增加的趋势,冲击力作用时间则减小。混凝土平均强度与冲击速度呈抛物线关系,应变率则与冲击速度呈线性关系。模拟结果表明,CSCM混凝土本构模型在低速冲击范围内,有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。     

氧化铝空心球复掺玄武岩纤维轻骨料混凝土动力学性能

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆试验系统,研究不同应变率下素混凝土(PC)、玄武岩纤维混凝土(BC)、氧化铝空心球混凝土(AC)及玄武岩纤维-氧化铝空心球复合混凝土(BAC)动力学性能,构建动态本构模型。结果表明,应变率提高,4组试件动压强度、峰值应变、均值应变及破碎分形维数增大,应变率效应显著;掺入氧化铝空心球使试件强度及动弹性模量降低,峰值应变及均值应变增大,冲击变形性能增强。基于Sargin非线性弹性静态本构模型,引入率强化因子与骨料弱化因子构建材料的动态本构模型,所得拟合曲线与实测应力应变曲线吻合较好,特征强度与特征应变等基本相同。     

钢管RPC抗冲击压缩特性及极限强度确定方法

采用74 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验装置,分别对20块钢管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube,钢管RPC)和20块RPC试件进行了不同加载速率的冲击压缩试验,得到了不同应变率下的动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变,分析了试件的破坏特征。在钢管混凝土静态轴向极限承载力计算公式基础上引入应变率效应,得到钢管RPC极限强度确定方法。结果表明:钢管RPC和RPC的峰值应力和峰值应变均随平均应变率增大而增大。冲击荷载作用下,钢管RPC比RPC具有更高的强度,更好的延性和完整性,是一种良好的抗冲击防护工程材料。钢管壁厚对钢管RPC动态应力-应变关系有明显影响,一定冲击速度下壁厚较薄的钢管RPC出现了明显的屈服平台和应力强化现象,峰值应变也显著增大。钢管RPC极限强度理论计算结果与试验结果存在一定的相对误差,但随着响应应变率增大相对误差逐渐减小。     

基于能量转化原理的地铁板式轨道自密实混凝土本构行为

为了掌握地铁板式轨道充填层自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC)在车辆荷载作用下的本构行为,通过对SCC进行单轴抗压试验,研究了不同应变率、橡胶掺量和尺寸对力学性能和能量演化规律的影响,建立了SCC的本构模型。结果表明：峰值应力的应变率敏感系数绝对值最大,弹性模量次之,峰值应变最小;橡胶延缓了能量的早期增长,而在峰值应力之后,橡胶则阻碍了弹性应变能的耗散,延长了总应变能和耗散能的快速增长;应变率越大,总应变能和耗散能增长越快,弹性应变能在峰值应力前的积累速率越快,峰值应力后的释放速率越快;建立的本构模型可以用于描述SCC在不同应变率条件下的应力-应变关系。     

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...     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律.结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数...     

Discrete element simulation of dynamic behaviour of partially saturated sand

The discrete element method (DEM) together with the finite element method (FEM) in LS-DYNA was employed to investigate the dynamic behaviour of sand under impact loading. In this approach, the partially saturated sand was modelled in DEM with capillary forces being taken into account through an implicit capillary contact model, while other solids were simulated using FEM. A slump test was first performed with dry sand to calibrate the contact parameters in DEM. Low velocity impact tests were then conducted to investigate the effect of water saturation on the shape and height of sand piles after impact, and to validate the simulations. It was found in the experiments that an increasing water saturation (in the range between 10 and 30 %) affected the height of sand pile for a given drop height due to an increasing cohesion between particles. The simulations captured the experimental ejecta patterns and sand pile height. Finally, a low confinement split Hopkinson pressure bar test from earlier literature was modelled; the DEM–FEM simulations could reproduce the trends of experimentally observed stress–strain curves of partially saturated sand under high strain rate loading, indicating that it was feasible to model dynamic behaviour of dry and wet sand with low saturation (<20 %) in LS-DYNA; however, a number of questions remain open about the effect of grain shape, grain crushing and viscosity.     

不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研究及强度变化机理

利用大型液压伺服试验机研究了不同加载速率下饱和混凝土与干燥混凝土的劈拉强度变化情况,试验研究表明:在准静态加载时,与干燥的混凝土相比饱和混凝土的劈拉强度有所降低,随着加载速率的升高,饱和混凝土的的动态劈拉强度有较大的提高。通过对干、湿混凝土强度变化的比较表明:孔隙及裂缝中的自由水对混凝土强度有所影响。根据细观层次上、不同加载速率下裂纹中孔隙水压力的作用形式(即低加载率时孔隙水的“楔入”作用和高加载率时的“Stefan效应”),利用断裂力学来探讨不同加载速率下饱和混凝土劈拉强度的变化机理。结果表明:提出的机理可以较好地解释饱和混凝土强度的变化情况。     

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。作者利用ＳＨＰＢ装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。结果表明,岩石在冲击载荷作用了下破坏分为四种类型：压剪破坏,拉应力破坏,拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。最后对强度理论作了讨论。     

FEM simulation of viscous properties for granular materials considering the loading rate effect

The deformation and strength characteristics of sandy soils as a kind of granular materials are very complex. The experimental results show that when the strain rate suddenly changes in monotonic loading (ML) case, the stress–strain curve of sandy soils changes sharply and then gradually converges into the original inferred one that would be obtained by continuous ML at constant strain rate after having exhibited clear yielding. Similar behaviors are also observed when ML is restarted at a constant strain rate following a creep loading or stress relaxation stage. An elasto-viscoplastic constitutive model for granular materials is developed, which consists of three components. One of the most important features of the model is that it can take into account the effects of loading rate due to viscous properties on the stress–strain behavior. The stress ratio-axial strain–time relations from four drained plain strain compression (PSC) tests on the saturated Toyoura sand are successfully simulated by the finite element method (FEM) code incorporating the proposed constitutive model. It is shown that the FEM code can simulate the viscous behaviors of sand accurately under arbitrary loading history.     

A mixture model for the compaction of saturated sand

Free draining water saturated sands and dry sands compact progressively under cyclic shear loading, and the rate of compaction increases as the shear strain amplitude increases, independent of the confining stress magnitude. As the sand grains are relatively incompressible, this compaction is essentially an irreversible porosity decrease induced by rearrangement of the granular structure. We present a constitutive model of differential type for porosity variation which has the minimal ingredients necessary to reflect the observed cyclic loading phenomena, and determine the associated material functions of a particular form by correlation with cyclic loading data. A hypoelastic shear response is also correlated to cyclic loading data to complete an isotropic constitutive model. Pore pressure generation under cyclic loading in undrained conditions is evaluated to illustrate the predictions of the model.     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

端面不平行对岩石SHPB测试结果的影响分析

为探讨岩石试件加工端面不平行对岩石材料动力学特性测试结果的影响,采用有限元分析软件LS-DYNA对13种端面不平行度的岩石试件开展SHPB数值模拟,并分析了端面不平行对加载过程应力均匀性的影响。结果表明:随端面不平行度γ的增加,岩石试件动态应力-应变曲线逐渐向右和向下移动,且峰前加载段逐渐延长。当γ1.60%时,动态应力-应变曲线在加载初期出现一个微小的加载-卸载过程,且在升时为120μs的半正弦入射波加载阶段岩石试件达不到应力均匀状态。基于数值模拟结果,建立了端面不平行度与量纲一化的动态单轴抗压强度、平均应变率和峰值应变的定量表达式。