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。     

绢云母石英片岩和砂岩的SHPB试验研究

 利用液压伺服压力试验机和波形整形器改进后的? 100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究绢云母石英片岩和砂岩在50～160 s－1应变率等级下的准静态力学性能及其在不同冲击压缩荷载作用下的波形曲线、动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态的应变率效应问题。试验结果表明,绢云母石英片岩和砂岩的动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态均表现出显著的应变率相关性,但弹性模量的应变率相关性较弱。综合绢云母石英片岩和砂岩动态力学性能的对比结果可知,砂岩比绢云母石英片岩对应变率的变化更敏感。从材料的微观结构特征和能量吸收的角度对岩石动态破坏过程进行分析,探寻岩石破坏的本质。研究成果可为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。     

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.     

片岩和纤维混凝土动态压缩性能比较

为了研究冲击压缩荷载作用下绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度、破坏情况、能量吸收的应变率效应问题,采用波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置,以不同的速度分别对2种材料进行单轴冲击压缩试验.试验结果表明:绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度、破坏情况、能量吸收能力均有显著的应变率相关性...     

绢云母石英片岩和砂岩动态破坏过程的能量分析

采用直径为100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对绢云母石英片岩和砂岩进行冲击动力学试验,研究了岩石动态破坏过程中能量的种类以及对岩石变形破坏所起的不同作用。从岩石的微观结构和能量的角度分析了岩石的动态破坏过程中,能量吸收能力的差异所导致的岩样不同的破坏形态的问题。试验结果表明,在岩石的冲击破坏过程中,试件吸收的能量只有很少一部分转化为破碎石块的动能,其余绝大部分用于产生岩石的变形及破坏。同时还发现,与绢云母石英片岩相比,砂岩的吸收能量的能力更强,破碎的程度也更高。     

高应变率下砂岩动态拉伸性能SHPB试验与分析

为研究高应变率下煤矿砂岩的动态拉伸性能,将岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用直锥变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用6种冲击气压对试件沿径向进行加载,实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验,测试试件的动态拉伸应力和应变率。试验结果表明:砂岩试件的动态劈裂破坏形态满足巴西圆盘试验有效性条件,试件内的径向应力分布达到应力均匀性要求;分析试验实测波形和应变率效应,得出高应变率下煤矿砂岩试件的拉伸应力和应变率特性。在试验采用冲击气压范围内,试件平均应变率由48 s-1增加至137 s-1,平均应变率与冲击气压近似为对数函数关系,动态拉伸强度与平均应变率近似为乘幂函数关系。     

砂岩动静态拉伸力学性能试验与对比分析

通过对皖北矿区3个煤矿砂岩岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用不同加载冲击气压驱动撞击杆高速运动,对圆盘试件实施不同加载速率下的动态劈裂拉伸试验,得到了3种砂岩试件的动态拉伸应力和应变率等力学参数,并与静态劈裂拉伸试验结果进行对比,分析了砂岩圆盘试件动静态劈裂破坏形态、动态拉伸应力与加载速率相关性规律;得到了试验冲击气压范围内砂岩动态拉伸应力强度与平均应变率之间近似为乘幂函数关系,比其静态拉伸应力强度提高2～3倍。对砂岩动静态拉伸力学性能研究做了一些有益的探索。     

动态巴西圆盘劈裂试验的极限分析解

通过极限分析上限定理对巴西圆盘动态劈裂试验的弹性解进行了优化,考虑高速冲击作用导致的岩石试件端部剪切裂纹对动态拉伸强度的影响,获得了计算动态拉伸强度上限解的新公式。通过对实测的砂岩动态劈裂试验结果的分析,对比了原始的弹性解和得到的上限解间的差别,研究表明砂岩的动态拉伸性能随加载率的变化不明显,随着加载率的提高,动态拉伸强度曲线较平缓,说明砂岩在动态作用下承受拉应力的能力较低,抗拉强度的变化范围较小。同时验证了基于极限分析法的岩石动态抗拉强度公式可以为砂岩的工程应用提供更安全可靠的参考值。     

冲击荷载下高流态地质聚合物混凝土的强度特性

以矿渣、粉煤灰为原材料,NaOH,Na2CO3为碱激发剂,制备了强度等级为C30的高流态地质聚合物混凝土（highly fluidized geopolymer concrete, HFGC）, 并采用经波形整形技术改进后的100分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置测试了HFGC在冲击荷载下的强度特性,包括动态劈裂拉伸强度和动态压缩强度.结果表明：HFGC的动态强度特性表现出了明显的应变率相关性,其增强因子可用平均应变率的对数线性表示;动态劈裂拉伸状态下的应变率敏感阀值为5.027s-1,动态压缩状态下的应变率敏感阀值为28.89s-1,动态劈裂拉伸强度的应变率敏感性要比动态压缩强度强;HFGC的动态强度特性的定性趋势与普通混凝土一致,但与普通混凝土相比,HFGC的应变率敏感性因其具备特有的无机缩聚三维氧化物网络结构而更为明显,可以更有效地发挥其在冲击荷载作用下的整体强度特性.由此可见,HFGC是应变率敏感材料.     

不同含水率红砂岩静动态劈拉试验及细观分析

研究水-岩耦合作用下岩石力学特性及细观结构,对减少由地下水造成的深部岩体工程病害具有重要意义。采用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察,分析断口形貌特征,依靠SEM图像数字处理技术,进一步得出红砂岩拉伸破坏规律。试验结果表明:红砂岩的劈拉强度随含水率的增加而降低,有明显的遇水软化现象;相比于静态抗拉强度,动态抗拉强度大幅提升,且有显著的应变率强化效应;随着含水率的提高,砂岩试件拉伸破坏时,碎块数量逐渐增多,尺度逐渐减小;饱水岩样的动态劈裂拉伸破坏相比于干燥岩样表现出一定的塑性特征。对断口微裂隙的面积等信息进行定量化处理,分析动态劈拉破坏中的水-应变率效应,得出水在不同应变率下砂岩试样的动态劈拉破坏裂纹扩展中具有均衡作用;微裂隙数量与面积随应变率的提高有增加趋势,破坏断口细观形貌特征存在应变率相关性。     

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。     

三轴蠕变试验中云母石英片岩蠕变参数的研究

 通过三轴蠕变试验得到云母石英片岩蠕变参数--弹性模量与黏滞系数的变化规律,弹性模量在屈服点前后的变化规律不同,对应不同应力水平的黏滞系数–时间关系有3种类型。采用电子显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的3个阶段--未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向切片、轴向切片进行观测,获得云母石英片岩中主要矿物在三轴蠕变过程的微观结构变化。根据云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化对蠕变参数的变化规律进行合理解释。研究表明,云母石英片岩三轴蠕变过程中蠕变参数的变化规律与其微观结构变化之间有良好的对应性,蠕变参数在宏观上的变化是其内部微观结构变化的外在表现。最后,建立能真实反映蠕变参数变化规律的函数形式,并以此为基础得出蠕变模型,可作为描述岩石加速蠕变阶段的途径之一。     

高应变率下橡胶混凝土压缩和劈裂试验研究

文章采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)对2种粒径、3种橡胶粉掺量的橡胶混凝土进行了多个应变率下的压缩和劈裂试验,研究了应变率、橡胶粉掺量和粒径对橡胶混凝土的动态抗压、抗拉性能的影响,分析了不同应变率下试样的应力-应变曲线的特点及相关力学参数的变化情况。结果表明:橡胶混凝土的抗压强度、峰值应变、劈裂强度均随应变率的增大而增大,但变化趋势有所不同;随橡胶粉掺量增加,试样的抗压强度、劈裂强度降低,但应力-应变曲线的卸载段变平缓,吸能效果增强;相近应变率下小粒径橡胶混凝土的抗压强度更大,吸能效果更强,橡胶粉粒径对劈裂强度无明显影响。     

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。     

循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性试验研究

通过开展恒定加卸载速率,不同偏应力条件下的循环加卸载试验,研究了轴向应变、径向应变以及体积应该随循环次数的演化过程,得到了在不同偏应力条件下岩石的平均变形模量随循环次数与偏应力的变化关系,进而分析了循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性。研究结果表明：（1）偏应力在50MPa之前,轴向应变、径向应变、体积应变以及变形模量随着循环次数的变化基本稳定,反之,表现出发散的趋势;（2）偏应力在80MPa作用下的平均变形模量较1IOMPa作用下的大,这是岩石内部裂隙增加和扩张的结果;（3）在不同偏应力条件下,平均变形模量随着偏应力的增大逐渐增大且趋于收敛。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

云驾岭煤矿无烟煤的动态本构特性试验研究

利用大直径单轴分离式霍普金森压杆装置对云驾岭煤矿无烟煤进行了冲击压缩试验。试验发现云驾岭煤矿无烟煤的动态本构曲线总体上可以分为4个阶段：（1）初始非线性加载段；（2）塑性屈服段；（3）应变强化段；（4）最终的卸载破坏段。具有相应的初始弹性模量、屈服强度与极限强度3个特征参数，并且3个特征参数都随着应变率的增加而提高，但屈服强度与应变率的相关性最好。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

基于微观试验的云母石英片岩三轴蠕变机制研究

 首先,采用偏光显微镜镜下目测和能谱分析对云母石英片岩的矿物成分进行鉴定,将云母石英片岩主要组成划分为空隙、裂隙等缺陷,坚硬部分和软弱部分,总共3部分;坚硬部分为受力骨架,其他两部分充填于受力骨架中;白云母为软弱部分,石英为坚硬部分。然后,通过电子显微镜、偏光显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的3个阶段,既未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向切片、轴向切片进行观测,以了解在云母石英片岩三轴蠕变过程中3部分所产生的微观结构变化;根据观测结果将云母石英片岩微结构变化分为4种,即张开裂隙的闭合、软弱部分的位置调整、坚硬部分的位置调整和微破裂;同时总结出云母石英片岩中白云母和石英的微破裂形式。随后,经过分析云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化原因,对三轴蠕变机制进行解释,发现在不同的外加应力水平下,以及同一应力水平经过不同的加载时间,云母石英片岩内会产生4种微结构变化中的几种,因此分别表现出衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段。最后,基于微观试验总结提出云母石英片岩三轴蠕变机制的3个特点。     

冲击压缩荷载下角闪岩的动态力学性能试验研究

 利用直径为f 100 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置和薄圆形紫铜片作为波形整形器,以不同速度轴向冲击角闪岩试样,测试角闪岩试样在应变率范围为40～150 s－1内的动态力学性能,并对试验的一致性进行讨论。考虑试样尺寸大小对试验结果的影响,分析冲击压缩荷载作用下试样的波形曲线,动态抗压强度,强度增强因子,比能量吸收与平均应变率之间的关系。研究结果表明：角闪岩的动态强度增强因子与平均应变率的对数呈近似线性关系,抗压强度与比能量吸收随平均应变率的增加而近似线性增加,同时发现岩石试样的破坏应变基本上随着应变率的增加而增大,体现了显著的应变率相关性,但其初始弹性模量对应变率不敏感。从3个方面对冲击加载下角闪岩的应变率硬化效应进行分析。试验一致性验证结果表明,SHPB试验结果具有较好的可靠性,该试验方法与结论对其他类型的脆性材料动态力学性能的研究具有一定的参考意义。