不同赋存深度新疆天湖花岗岩的动态拉伸力学特性研究

基于SHPB装置,进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的动态拉伸力学特性试验,试验所用岩芯均取自于同一钻孔的不同深度处（深度范围为350 m~580 m）。测试结果显示：该花岗岩在加载率处于105 MPa/s这一中高等加载率下,其动态拉伸强度一般在15 MPa~35 MPa。并且随着加载率的提高,无论哪一赋存深度的花岗岩样品,其动态拉伸强度均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。此外,对该花岗岩冲击破坏后的形态进行了观测,发现其加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸加载下的劈裂破坏特征基本一致。进一步分析试验数据,认识到花岗岩样品其动态拉伸强度之所以随着深度会产生增大或者减小的现象,是因为深部岩石其自身的物理特性已经发生了变化,从而造成了岩石力学特性随之发生改变。其密度、孔隙度等均不相同,正是这些物性的差异导致了其力学特性的差别。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性研究

基于MTS815及SHPB装置,分别进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性试验。针对该区域的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的静态拉伸、静态单轴压缩、动态拉伸、动态压缩,以及一维动静组合拉伸加载试验。特别是,该批次试验所用岩芯均取自同一深度处(深度360 m左右)的花岗岩,所获得的对比与分析结果对于同一岩石力学特性研究更有代表性意义。测试结果显示:该花岗岩的静态拉伸强度约为11.75 MPa,单轴压缩强度约为175 MPa。单轴压缩强度约为抗拉强度的14倍。在加载率为0.34×10~6~0.51×10~6MPa/s时,其动态拉伸强度约为25~35 MPa。在应变率为80~160 s~(-1)时,其动态压缩强度测试值区间为138~208 MPa。并且随着加载率或应变率的提高,无论是动态拉伸强度特性或动态压缩强度特性均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。进一步的实施了该花岗岩的一维动静组合拉伸加载试验,发现随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值,随后平缓减小。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载拉伸强度的3倍,抗冲击拉伸动载的1.5倍。同时,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。综上表明,该地段试验深度处的钻孔岩芯,其力学特性较为稳定,从工程建造角度而言,可作为高放废物地质处置的一个参考预选地段。但试验获取数据尚未充足,需通过不同钻孔以及不同深度处岩石的动、静力学特性试验及渗透试验、地应力测试等其它试验项目,进一步深入研究其在不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值等力学特性。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性研究EI北大核心CSCD

基于MTS815及SHPB装置,分别进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性试验。针对该区域的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的静态拉伸、静态单轴压缩、动态拉伸、动态压缩,以及一维动静组合拉伸加载试验。特别是,该批次试验所用岩芯均取自同一深度处(深度360 m左右)的花岗岩,所获得的对比与分析结果对于同一岩石力学特性研究更有代表性意义。测试结果显示:该花岗岩的静态拉伸强度约为11.75 MPa,单轴压缩强度约为175 MPa。单轴压缩强度约为抗拉强度的14倍。在加载率为0.34×10~6~0.51×10~6MPa/s时,其动态拉伸强度约为25~35 MPa。在应变率为80~160 s^(-1)时,其动态压缩强度测试值区间为138~208 MPa。并且随着加载率或应变率的提高,无论是动态拉伸强度特性或动态压缩强度特性均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。进一步的实施了该花岗岩的一维动静组合拉伸加载试验,发现随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值,随后平缓减小。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载拉伸强度的3倍,抗冲击拉伸动载的1.5倍。同时,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。综上表明,该地段试验深度处的钻孔岩芯,其力学特性较为稳定,从工程建造角度而言,可作为高放废物地质处置的一个参考预选地段。但试验获取数据尚未充足,需通过不同钻孔以及不同深度处岩石的动、静力学特性试验及渗透试验、地应力测试等其它试验项目,进一步深入研究其在不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值等力学特性。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

快速液压冲击试验台研究

针对矿山岩体力学研究及防冲支护装备、吸能结构承载能力研究中,缺少静载荷和动力载荷复合加载试验设备的问题,提出一种高压快速冲击试验台。该试验台采用液压加载方式,可以对不同结构的被试件进行冲击拉伸和冲击压缩试验。分析了试验台的结构组成及工作原理,阐述了试验台的静态加载、冲击动态加载、静-动复合加载三种加载方式,通过AMEsim软件分析了试验台的响应特性,并用ABAQUSE软件对试验台架进行了有限元分析。样机试制成功后,分别对锚杆等被试件进行了试验研究,结果表明,该试验台的三种加载方式可行,加载系统提供的加载力能够很好的模拟被试件实际工况。该试验台的研制为防冲支护装备的动态特性研究提供了平台,为进一步研究超高能级液压冲击试验台奠定基础。     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

静水压状态下深部岩石动态压缩力学行为及能量耗散特征试验研究

以深部岩石为研究对象，利用分离式霍普金森杆(SHPB)试验系统，开展静水压力作用下深部岩石的动力学测试，分析了静水压、冲击气压大小对岩石动态强度、耗散能的影响规律，并在此基础上分析了岩石的破坏特征。通过试验结果发现，岩石动态强度表现出显著的率效应特性，随着冲击气压的增加而增大，呈现出线性正相关关系；岩石动态强度随着静水压力的增加呈非线性增加，采用二项式拟合后发现具有较好的相关性；通过对岩石耗散能分析发现，当岩石所处静水压力相同时，岩石的能量吸收率随着冲击气压的增加而提高；相同冲击气压情况下，岩石的能量吸收率随静水压的增加而减小，表明静水压力对岩石变形具有约束作用；最后，对岩石的表观破坏形态分析发现，低静水压时岩石破坏以剪切裂纹为主，随着静水压的增加，岩石中同时存在剪切裂纹和环向裂纹。该研究成果可为深部岩石工程建设提供动力学基础参数，具有一定的参考意义。     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。     

冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹动态断裂试验研究

以可调速落锤冲击试验机作为试验加载装置,采用数字散斑相关方法作为试验的观测手段,通过搭建高速数据采集系统,对岩石Ⅰ型裂纹在冲击载荷作用下的动态断裂进行试验研究。试验研究了冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹扩展过程位移场的演化特征;分析了岩石在冲击加载速度下裂纹扩展速度以及裂纹扩展距离随时间的变化规律;定量得到了岩石Ⅰ型裂纹动态断裂的裂纹张开角;同时开展了不同冲击加载速度下岩石Ⅰ型裂纹扩展速度的关系研究,研究结果表明,在试验所进行的中低速冲击加载情况下,裂纹扩展速度随着冲击速度的增加而增加,近似呈线性关系。     

围压卸荷条件砂岩动静组合加载碎块分维特性

利用带轴向静压和主动围压加载装置的分离式霍普金森压杆试验设备,研究了砂岩试样在不同轴向静载等级(0MPa~72MPa)、不同冲击能量下的动态力学特性,结合分形理论和能量原理,分析高应力试样破裂块度分布规律及其能量的相关性。试验结果表明:在轴向静载一定的情况下,砂岩试样的动态压缩强度随冲击能量的增大而提高;试样发生临界破坏,冲击能量随轴向静载的增大出现先增加后减小,试样破坏形态由中心破裂向更为复杂的压剪破裂转变;在较高轴向静载下,碎块分维数与冲击能量之间呈现非线性递增关系,表明较小的冲击能量有助于诱发高轴向静载储能释放,提高砂岩试样破碎程度。     

动态拉伸装置及材料动态力学性能测试

设计了一套拉伸冲击加载装置,配合测试系统,可以对动态拉伸加载下的材料的力学性能进行研究。实测的结果表明该装置是有效的。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT - 150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验.根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式.研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大.岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大.岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,且递增的程度随围压的增加而增加.三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式.     

混凝土恒定围压下冲击加载实验装置研制

研制可实现混凝土、岩石及土等非均匀材料恒定围压下轴向冲击压缩加载实验装置,研究复杂应力状态下高应变率力学性能。该装置通过围压油缸及轴向油缸对试件施加静水压,利用大直径分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行轴向冲击加载,测量恒定围压下材料动态应力-应变曲线。该装置具有冲击加载前试件处于静水压状态、轴向冲击加载过程中试件围压保持恒定不变等优点。结果表明,围压对混凝土材料动态力学性能影响明显。     

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。     

光固化3D打印在复杂裂隙岩体研究中的探索

由于岩体结构的复杂性,如何重构含裂隙网络的物理模型试件是岩石力学试验研究面临的难题之一。本工作提出了一种基于光固化3D打印技术的裂隙网络类岩石试件制备方法。结合数字图像相关方法对裂隙网络类岩石试件加载过程进行非接触式全场变形测量,并引入应变场方差这一指标,定量研究了裂隙岩体变形破坏演化规律及前兆异常特征。试验结果表明：采用光固化3D打印技术可实现裂隙岩体的复杂物理模型重构。裂隙网络类岩石试件的变形破坏过程类似于真实裂隙岩体,可划分为压密、弹性变形、裂纹扩展以及峰后阶段,其应力-应变曲线出现峰后多台阶式跌落特征。综合强度参数、峰后力学特征和试验过程中块体弹射现象来看,制备的3D打印试件可用于模拟裂隙硬岩。采用数字图像相关方法可实现裂隙岩体变形场的动态捕捉,其变形破坏过程表现出明显的应变局部化特征。加载过程中应变场方差的演化过程可划分为初始分异、稳定分异、加速分异以及加加速分异阶段。应变场方差在新生裂纹萌生后呈现出持续增长的趋势,而在进入不稳定裂纹扩展阶段后呈现为陡增趋势,可视为两个前兆点。研究成果可为复杂裂隙岩体的物理重构以及失稳预警提供新的思路。     

冲击荷载作用下非贯通节理岩体细观破坏模式研究

地应力作用下节理岩体的动态力学特性及对应力波传播规律的影响对深部地下工程的稳定性有着重要影响,采用颗粒流离散元软件(PFC2D)建立了含非贯通节理岩体的冲击作用数值模型,并通过与室内试验的对比验证了模型的有效性.通过对不同节理倾角、节理长度非贯通节理岩体的冲击压缩仿真试验,分析了岩体的变形特征、破坏模式及应力波传播规律.结果表明:随节理倾角从15°增加至75°,岩石强度呈现先减小后增大的近"V"字型变化规律,节理试件始终处于拉伸主导作用下,并在45°倾角时拉伸作用最为明显;随着节理长度的增大,岩体的初始损伤增大,动态抗压强度减小.15～25 mm"短"节理试件的贯通破坏由反翼裂纹主导,而30～35 mm"长"节理试件是在反翼裂纹和共面裂纹共同作用下断裂破坏.     

破裂岩石非达西渗流的试验研究

为研究破裂岩石非线性渗透规律,研制了一种与MTS815.02岩石力学试验系统配套的附加装置。本文介绍了试验原理与方案、试验系统、数据处理方法及一些试验现象,并给出了破裂岩石渗透率、非达西流β因子与轴向应变的回归关系。研究表明破裂岩石渗透特性的统计指标与轴向应变关系可以用二次多项式拟合,渗透特性的变异系数随轴向应变增大而减小。     

颗粒自激式冲击-振动耦合力学试验方法及试验研究EI北大核心CSCD

针对一类冲击-振动耦合力学试验的技术需求,提出了一种短间隔连续冲击及颗粒体自激振动复合的冲击-振动耦合力学试验方法,并研制了试验系统样机。基于EDEM软件和VC++二次开发建立了试验系统自激振动结构的离散元耦合仿真模型,分析了颗粒体自激振动响应的一般规律,在此基础上根据应用需求优化选择自激振动加载方案。基于研制的力学试验系统样机和自激振动方案开展试验研究,通过分析对比连续冲击加载和冲击-振动耦合加载响应加速度时频域信号,验证了选择的颗粒体自激振动加载方案的实际作用效果,该试验系统可满足一些苛刻高动态连续冲击试验和连续冲击-多频振动耦合试验的需求,研究具有较好的科学意义和工程应用价值。     

节理岩石边坡的抗冲击分析

节理岩石边坡的研究是岩体力学学科发展中一个重要的研究课题,与岩土工程长期稳定和公共安全紧密相关。本文在不同的节理方向、不同的应力水平作用下,节理岩石边坡的抗冲击能力有很大差异通过具体的有限元分析得落石的冲击作用对边坡稳定性的影响,分析节理岩体卸荷力学规律以及各向异性力学特性,     

舰船机电控制设备隔冲性能分析

将舰船机电控制设备作为单自由度隔冲系统建立隔振系统动力学模型。以响应加速度为指标分析系统冲击隔离能力,为机电控制设备隔冲装置设计提供参考。构建舰船机电控制设备冲击有限元模型,进行设备非线性显示动力学计算,研究机电控制设备隔冲性能。最后,搭建机电控制设备冲击试验平台,测试设备冲击动态特性。