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。     

混凝土与岩石类脆性材料的动态破坏机制研究

通过SHPB(分离式霍普金森压杆)装置对混凝土和岩石进行五种不同应变率下的动态压缩试验,得出了两种材料的基本动态力学参数,发现动态抗压强度、峰值应变都随应变率的增大而线性增加或呈二次函数增加,引入比能量吸收对材料的动态破坏机制进行研究,得出两类材料的动态破坏机制实际上就是材料在吸收冲击荷载能量后的一个动态失稳过程,吸收的能量越大,破坏越严重,且材料的能量吸收性质是由材料本身特性和应变率决定的.     

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。     

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。     

岩石动态力学性能试验研究

为了解花岗岩的动态力学性能,采用φ 50 mm Hopkinson压杆对岩石进行动态冲击压缩试验,应变率范围为25.4～193.4 s-1,采用波形整形技术获得平滑的脉冲荷载,得出岩石的动态应力-应变曲线.试验结果表明:岩石抗压强度具有明显的应变率效应,破坏强度随着应变率的增加而增大,相对于静态强度120 MPa,最高动态强度增大至365 MPa,约为静态强度的3倍;冲击荷载较低时,试样内部出现损伤及微小裂纹,荷载强度增大时,试样出现宏观裂纹及破碎成块,当荷载进一步增大时,试样呈粉碎性破坏. 研究结果可为国防工程结构设计提供参考.     

强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机制研究

脆性材料如岩石、混凝土和陶瓷等在冲击荷载作用下的动态力学特征及破碎机制研究涉及力学,物理学,航空航天,能源开采和防护工程等多个领域。具体问题如同震作用中的断层泥形成及非对称粉碎化,行星撞击产生的陨石坑,飞行器对空间站的超高速撞击与防护,采矿过程中的矿石破碎尺寸控制,工程爆破过程中的破岩效率提高和灾害防治,炮弹壳体的破碎以及超高速弹穿甲等。岩石材料的静态,动态及动静组合下的力学响应研究已经取得了丰硕成果,相比之下,岩石材料在冲击荷载下的细观断裂机制和破碎特征方面研究还颇为不足。脆性材料在宽应变率尺度上是否存在统一的归一化强度形式?材料的动态力学特性与过渡性破碎现象的内在联系是什么?如何理解缺陷材料在冲击过程中的裂纹成核、发展及交汇对破碎成形的影响?这些问题已经严重地阻碍了我们对脆性材料在极限荷载作用下的认识。针对上述问题,在国家自然科学基金重点项目和国家建设高水平大学公派研究生项目的资助下,(1)研究材料在冲击荷载作用下的力学特征;(2)了解脆性材料的冲击破碎机制两个方面工作为基础,采用室内试验,理论模型和数值模拟开展了强冲击荷载下岩石材料的强度,断裂和破碎特性方面的研究。在力学试验方面,采用霍普金森压杆装置研究了花岗岩石在冲击劈裂下的试验条件和力学特征,提出了动抗拉强度因子在高应变率范围存在Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ个区域,结合高速摄像系统和DIC方法验证了圆盘中心起裂条件;解释了由边界失效引起的Ⅲ区强度异常的原因。通过数字图像处理技术获得连续尺寸范围内的碎块尺寸;对比了传统电测应变法和DIC法测量精度的差异,研究了冲击劈裂试验中的残余动能和能量分布,提出了劈裂→劈裂+压裂→非对称压裂→边界失效冲击破碎演变形式。同时,得到了花岗岩在冲击压缩中存在的Ⅰ,Ⅱ类破坏模式,从断裂强度与应变率、残余应变与断裂应变、耗散能量与应变率的关系讨论了临界应变率的确定方法。结合自主开发的数字图像碎片分析系统研究了不同应变率下的碎片分布和特征尺寸,基于有限长三维柱状模型建立了多重破碎能量模型,成功解释了高应变率下材料灾难性破碎的成因。进一步地采用三轴霍普金森压杆装置研究了不同围压条件下岩石的强度特征和破坏准则。发现当围压一定时,材料的破坏强度随应变率增加逐渐增加,对于不同围压条件,应变率效应基本一致。强度随应变率的变化关系可以近似为线性,归一化强度因子随应变率呈线性增加,同时也随围压增加而增加。在相同应变率范围内的强度随围压的变化关系可以用Hoek-Brown准则解释。结合CT和SEM扫描技术研究了围压状态下岩石的细观破坏现象及三维损伤特征,重构结果显示低围压下的试样破坏主要以平行于最大主应力方向的拉伸裂纹扩展为主,而围压的提高一定程度上增加了剪切滑移的可能性,同时伴随大范围的晶体破碎。在理论模型方面,通过建立压应力状态下岩石动断裂滑移模型研究了脆性材料由于微裂纹扩展引起的非线性应变细观机制及对宏观本构关系的影响;通过提出过渡性压剪裂纹模型修正了传统模型在近端场的误差,结合Freund逼近解提出了统一的幂数型裂纹动态扩展准则,基于Catigiano能量平衡原理推导了矩阵形式的非线性应变计算公式。分析了微裂纹在压剪过程中的闭合、线性滑移、自相似扩展以及翼裂纹弯折等阶段的力学机制和影响因素。进一步拓展至考虑裂纹相互作用的裂隙岩体模型,讨论了归一化无量纲应变率模型和特征参量的物理意义。在数值模拟方面,考虑到试验技术和理论分析对研究多尺度非均质岩石冲击损伤行为问题的不足,提出基于岩石真实细观结构建模的多尺度离散元方法,通过建立不同断裂模型考虑了晶体边界的弱化作用,同时借助FPZ模型描述了晶体内部的穿晶破坏形式。考虑晶体破坏特征的GBM更能真实反应岩石的微观力学特征,在应力应变行为和微破裂方面很好地模拟了花岗岩试验结果。创新性地结合纳米压痕技术获得不同矿物成分的细观力学参数,提出了推荐性离散元标定方法,简化了GBM的标定程序,很大程度上提高了GBM的适用范围。最后将其应用于研究岩石率效应机制、动态破碎及多尺度损伤研究。发现岩石裂纹起裂和损伤应力阈值在裂纹体应变变化和声发射破裂等行为上表现出相似性。动载荷作用下的损伤演化与静载荷作用下的损伤演化有明显的不同。在动载荷作用下,Weibull分布表现出较宽的形状尺寸和较大的平均尺度。微裂纹从晶间断裂向穿晶断裂的转变导致了不同的宏观破坏特征。单个断裂或轻微碎裂的试样是由断裂面与以晶间断裂为主的分支裂纹共同形成。相反,粉碎状破裂的岩石是穿晶裂纹聚集在裂缝表面周围的结果,进而形成大范围剪切带。细观尺度上的沿晶破裂向穿晶破裂转换被认为是应变率效应机制和冲击粉碎化破碎的根本原因。     

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...     

3 种岩石的平台巴西圆盘动态劈裂拉伸试验分析

为研究应变率对岩石动态劈裂拉伸性能的影响,采用紫铜波形整形器改进后的直径为100 mm的分离式Hopkinson压杆试验系统,以不同打击杆速度冲击斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩的平台巴西圆盘试样,分析不同应变率下3种岩石的拉伸敏感系数、径向应变、拉伸杨氏模量以及破坏方式的变化规律。试验结果表明:3种岩石的拉伸敏感系数随着应变率的提高而增加,斜长角闪岩的动态拉伸强度对应变率最敏感,绢云母石英片岩次之,砂岩的敏感性最弱;3种岩石的径向峰值应变与应变率成正比,绢云母石英片岩和斜长角闪岩的径向极限应变远小于砂岩的径向极限应变;3种岩石的卸载段模量都大于各自上升段的杨氏模量,斜长角闪岩和绢云母石英片岩的卸载段模量远大于砂岩的卸载段模量;岩石动态劈裂拉伸的最终破坏方式与打击杆速度密切相关。     

大理岩动态劈裂试样的破坏应变

脆性材料基于应变的强度准则逐渐受到重视,为研究岩石在动态拉伸条件下的破坏应变规律,利用分离式Hopkinson压杆对不同尺寸的大理岩巴西圆盘和带平台的巴西圆盘进行宽应变率范围的动态劈裂试验。研究不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变,讨论试样尺寸、弹速、应变率对破坏应变的影响,得到了一些有益的结论:(1)大理岩的破坏应变随撞击压杆的弹速提高而增大,在一定的弹速范围内破坏应变增加趋势明显,而在此范围外破坏应变增幅很小;(2)试样尺寸对岩石的动态破坏应变的影响受弹速的影响比较显著;(3)在低应变率下,大理岩的动态破坏应变随着应变率的提高而显著增大,而带平台的试样的增加幅度更大,且数据的分散性也较小;当应变率较大时,应变率对破坏应变的影响较小,应变增幅较小,各类试样数据的分散程度都有所降低;(4)和巴西圆盘相比,在低应变率下平台巴西圆盘具有更大的承载力和更高的破坏应变,但是随着弹速的增加,平台巴西圆盘的趋势逐渐减少;当弹速大于某一数值时,其破坏应变反而小于巴西圆盘的破坏应变。     

高温后活性粉末混凝土SHPB试验研究

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,采用铅片作为整形器,分别对常温下及400,600,800℃高温过火后的活性粉末混凝土(RPC)试样进行单轴冲击压缩试验,研究应变率及温度对RPC材料动态力学性能及变形破坏特性的影响规律.结果表明:常温下及高温过火后,RPC材料的动态抗压强度、破碎程度及吸收能量均具有明显的应变率效应,而峰值应变、初始弹性模量及能量吸收率的应变率相关性较弱,且温度对应变率效应没有明显影响;高温过火后,不同应变率下RPC材料的动态抗压强度、初始弹性模量及能量吸收率均有所降低,而峰值应变增大.     

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。     

轻质高强混凝土大直径霍普金森杆冲击试验研究

轻质高强混凝土材料已经广泛运用于各种建筑结构中,然而其冲击作用下的动力性能尚不明确。为了探讨其动力性能,设计制作了一系列圆柱体混凝土试件。首先通过静力加载试验获得了其静力强度,然后,采用155mm大直径分离式霍普金森杆(SHPB)设备,对直径为150mm、长径比为0.5的混凝土试件开展了冲击试验研究。采用紫铜片作为波形整形器,该试验中各气压下冲击速度稳定,SHPB试验结果可靠。混凝土试件的破坏模式以脆性碎裂为主,随着冲击速度的增加,破坏后的碎块由条片状逐渐过渡至粉末状。应变率在40～140s-1时,试件的动态强度随着应变率的增大而增大。当冲击速度增加时,能量吸收密度也随之增加,即材料吸收能量的能力显著提高。根据试验结果,拟合了动态应力-应变曲线,以期供相关研究参考。     

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。     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

硫酸钠侵蚀混凝土柱动态抗压特性试验研究

通过混凝土柱的轴心动态抗压试验,在10- 5～10-3 s-1应变速率范围内对比研究了硫酸钠侵蚀与未侵蚀混凝土本构关系的应变速率效应,分析了该效应对硫酸钠侵蚀与未侵蚀混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变和吸能能力的影响.结果表明:随着应变速率的增加,混凝土的抗压强度也随之增加,受硫酸钠侵蚀混凝土抗压强度的应变速率敏感性...     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

再生混凝土与普通混凝土动态冲击强度对比研究

为研究混凝土材料的动态抗压强度应变率效应,试验分别制作了水灰比为0.4的普通混凝土和再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土试件,并分别做立方体静态抗压试验和霍普金森杆(SHPB)动态冲击压缩试验。试验结果表明,50%再生骨料取代率的再生混凝土的静力强度高于普通混凝土,在动态冲击下,两种混凝土的峰值应力和峰值应变均随应变率的增大而增大,表现出明显的应变率效应;普通混凝土在高应变率下抗压强度增幅及DIF增幅分别为34.4%和34.1%,均高于再生混凝土,说明普通混凝土的应变率敏感性要高于再生混凝土。     

花岗岩动态压缩力学特性研究

由于岩石材料动态破坏的复杂性,理论分析和实验研究都还很不充分,岩石的动力特性越来越受到重视。本文采用霍普金森压杆对花岗岩圆柱试样进行了动态压缩试验,建立了加载速率与花岗岩冲击破坏时的弹性应变能、结构破坏能及岩石破坏形态之间的关系。试验结果表明:甘肃地区弹模在17~21 GPa的花岗岩在瞬时加载条件下,强度随着加载速率的增加而提高;动态压缩强度平均强度为240 MPa,动态模量为31.5 GPa;应变率的变化范围在81~210 s^-1,动态压缩强度随着应变率的增加有明显增大的趋势;当冲击速度增加时,岩石破坏后释放的能量显著增长,应变率越大,岩石破碎块越小。该试验结果能够评价动态荷载作用下花岗岩的强度参数,为类似区域的工程设计与施工提供依据。     

混凝土动态抗压特性的试验研究

为了明确混凝土在动态荷载作用下的力学特性,应用MTS试验机,对C40混凝土在应变速率为10<'-5>～10<'-2> s<'-1>范围内进行单轴抗压试验.系统研究了不同应变速率下混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变等抗压力学特性,分析了混凝土抗压强度、弹性模量等与应变速率之间的关系.试验结果表明:混凝土抗压强度、弹性模...