基于SHPB试验的岩石动态力学响应分析

采用分离式霍普金森压杆试验系统对砂岩进行冲击压缩试验,得到了砂岩的动态冲击压缩应力-应变曲线,研究了砂岩在冲击荷载作用下的动态力学响应,分析了砂岩的动态抗压强度、峰值应变及冲击破碎后的粒径分布等随应变率的变化规律。试验结果表明:在冲击荷载作用下,应变率对砂岩的力学行为有很大的影响,随着应变率的升高,砂岩的动态抗压强度及峰值应变均有较大程度的提高,表现出明显的应变率效应;砂岩破坏后的粒径分布呈现渐进性变化,大体分为三种类型,对岩石试件破坏后的粒径和块度分布进行研究能很好的表征试件破坏后的状况。     

疲劳载荷对岩石物理力学性质的影响

在MTS上进行了疲劳加载实验 ,取得了南京砂岩的模量、泊松比、波速都随频率的增高呈非线性增大 ,强度具有明显的各向异性。饱和大理岩具有显著的应力振幅效应和频率效应以及各向异性。应力振幅对大理岩物性的影响大于频率对大理岩物性的影响     

模拟岩石破坏过程的物理细胞演化力学模型

基于细胞自动机理论和遗传算法，提出了一种物理细胞演化力学模型(ECA)。该模型利用遗传算法搜索试验所得到的应力．应变曲线所对应的最佳能量耗散率，并且可以模拟岩石的非均质性、各向异性等特性；根据该模型得出的能量耗散率模拟得到的应力．应变曲线与试验曲线得到了很好地吻合。     

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。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

岩石材料应变软化尺寸效应的实验和理论研究

采用同直径不同高度的砂岩试件进行岩石全程应力－应变试验，发现了砂岩的应变软化尺寸效应，即峰值强度后随着试件高度增加，岩石脆性增大。对这一试验结果，采用梯度塑性理论进行分析，理论解和试验值取得了较好的一致性。     

液体对岩石非线性弹性行为的影响

 通过多种试验方法、多种频段对沉积岩、变质岩、火成岩进行干燥和有液体饱和状态的对比试验研究,得出低频时干燥岩石的衰减、色散小,相对饱和岩石而言可以忽略。饱和岩石具有衰减峰,其特征随饱和液体黏性而变化。在声频时,干燥岩石的应力–历史波形与饱和岩石相比差别较大。饱和液体的黏滞作用引起弥散和阻止卸载的后沿缓波,并随黏性增大而增强,体现了黏弹性材料特有的属性。全程s-e 曲线得到干燥岩石的强度大于饱和岩石,平行层理大于垂直层理的强度,具有各向异性。干燥岩石各向异性很弱,液体促进了饱和岩石各向异性的增强。低饱和度时,模量和波速随饱和度增大而降低;高饱和度时模量又随饱和度增大而增大;中等饱和度时,模量、波速基本不随饱和度变化。用PM模型中微观非经典单元在饱和液体的作用下易于被激活,导致PM空间对角密度增大,非线性增强的变化基本能解释上述试验的结果。液体对岩石非线性弹性行为的这些影响,从长期效应来看将会给重大岩石工程的安全带来隐患,必须引起足够的重视。     

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。     

饱和岩石对平均应力和动载应力振幅的响应

在单轴循环加载实验中不断改变平均应力和正弦波应力振幅的实验条件下,研究饱和砂岩和大理岩的动态响应.研究结果表明,随平均应力增大,弹性模量增大,泊松比先增大后减小,滞回圈面积减小,衰减量减小.平均应力和动载应力振幅同时改变时,对动态响应影响最大;其次是平均应力不变而只改变正弦波应力振幅时,对应变、弹性模量、泊松比和衰减量的影响都很大,比改变平均应力对饱和岩石的动态响应显著得多.对环境介质的腐蚀作用进行探讨.由于水的应力腐蚀作用,饱水砂岩比饱油砂岩的衰减量增长1倍,动态响应很明显.由于大理岩结构致密,孔隙度仅有1%左右,导致砂岩的应力腐蚀作用明显大于大理岩.该研究成果对地震和地质灾害的防治是很有意义的.     

应变率对岩石强度和变形性质的影响

本文根据晶屑凝灰岩、石英砂岩、粉砂岩等在不同应变率下的压缩或拉伸试验结果,并结合国外的大量试验资料,得出岩石破坏强度发生显著变化的应变率范围ε_d;应变率小于ε_d时,随着应变率的变化,岩石强度无明显变化;应变率达到或超过ε_d时,岩石强度就有显著增长,对此用破裂传播速度作了理论分析和解释。另外根据岩石破坏前变形随应变率增大或减小的现象,提出了不同岩石具有不同的临界应变率。用该临界应变率可以确定岩石破坏后区的变形是随荷载的减小而呈增大或减小的变化趋势,并对此观象用破坏能的概念进行了探讨。本文还研究了软岩、硬岩对应变率的敏感度;并指出增大试件围压会使试件的应变率敏感度减弱,也就是说使试件趋于“硬化”。以上结论及理论分析不仅在理论上具有重要的意义,在岩石工程中也有实用意义。     

高围压、高水压条件下岩石卸荷力学性质试验研究

 为探悉某深埋长引水隧洞围岩在高地应力、高水压力条件下的稳定性,对隧洞的主要岩体大理岩、砂岩和板岩进行常规三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验以及高水压力下的卸荷试验,对此过程中的强度和变形特征进行较为系统的对比分析研究。研究结果表明：卸围压对岩石的强度影响很大。卸荷后,岩石的黏聚力和内摩擦角均有较大幅度的降低,特别是有水压时,降低更是明显;卸荷对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大。卸荷后,黏聚力的降低幅度比内摩擦角要大;峰前卸荷对岩石强度的影响比峰后卸荷要大。峰前卸荷,岩石破坏时围压比峰后卸荷高;有水压卸荷对岩石强度的影响比无水压卸荷要大。有水压时卸荷,由于水压的存在,削弱围压对岩石的影响,使岩石在比无水压卸荷时更高的围压下即发生破坏。     

岩石流变扰动效应试验及其本构关系研究

 深井软岩条件下的巷道围岩流变变形较大,且对扰动作用十分敏感,由扰动作用引起的变形不可忽略。提出岩石强度极限邻域、岩石流变扰动效应等岩石力学新概念,得出岩石处于强度极限邻域范围内时,扰动效应具有显著作用。研制岩石流变扰动效应试验仪,进行岩石流变及其扰动效应试验。试验测试岩石在其强度极限邻域内的恒定轴向荷载作用下,对岩石试件进行扰动荷载冲击扰动,得出不同蠕变阶段具有的扰动效应,绘制不同蠕变阶段的扰动次数–累积变形曲线。根据试验成果,分析岩石蠕变扰动效应的影响因素,建立蠕变不同阶段扰动作用条件下在的岩石本构方程。     

两种岩石材料表面剥落特征及形成机制差异性的研究

 针对两种不同岩性的岩石材料——灰色中粒黏土质长石砂岩和微晶白云石大理岩,通过表面回弹测试、X射线衍射、扫描电镜等测试手段,对材料表面常见的一种破坏现象——剥落的形成机制及其对岩石表面力学性能影响的基本规律进行分析。研究结果表明：表面剥落对岩石材料表面力学性能影响极大,不同岩性岩石材料和不同剥落形式表面力学性能的改变存在较大的差异性,其中黏土质砂岩表面片状和鳞片状剥落、微晶白云石大理岩表面鳞片状剥落比微晶白云石大理岩表面粒状剥落对表面力学性能的影响更大,这主要是由不同岩性岩石的矿物成分和结构特点上的差异性导致的。     

砂岩黏性对抗拉强度加载率效应影响的试验研究

利用摆锤冲击加载SHPB试验装置,进行砂岩和人造岩心长杆冲击试验和动态巴西盘试验,测试砂岩和人造岩心的黏性系数,分析砂岩和人造岩心强度的加载率效应。利用试验和数值模拟相结合的方法得到绿砂岩、人造岩心A和B的黏性系数分别为100,10和5 k Pa·s。开展不同黏性岩石的动态巴西盘试验,测得砂岩和人造岩心试样的动态抗拉强度随着加载率的增大而增大,表现出一定的加载率相关性;证明了黏性对岩石强度加载率效应的影响,但两者并非正相关;在较小的加载速率下,岩石黏性导致试样中传播的应力波能量衰减,在巴西盘中心点起裂的裂纹沿加载直径方向扩展但是不足以使试样破坏成两半,从而验证了巴西盘裂纹起裂位置。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

Research on unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock masses

Geological environments of rock mass projects are always very complicated, and further investigations on rock mechanical characteristics are needed. There are considerable distinctions in rock mechanical characteristics under unloading and loading conditions. A series of tests are conducted to study the stress-strain relationship of rock masses under loading and unloading conditions. Also, the anisotropy, the size effect, and the rheological property of unloading rock mass are investigated. The tests presented in the paper include model test and granite rheological test, which are conducted considering geological condition, rock mass structure, in-situ stress field of the permanent shiplock of the Three Gorges Project. The main differences between loading and unloading rock masses are stress paths, yield criteria, deformation and strength parameters, etc.. Different structural plane directions affect unloading rock mass evidently. With increasing size, the tensile strength, the compressive strength, the deformation modulus, the Poisson’s ratio and the anisotropy of rock mass all decrease. For sandstone samples with parallel bedding planes, the cohesion c increases but the internal friction angle ? decreases under unloading condition when compared with the values under loading condition. While for samples with vertical bedding planes, the trend is adverse. The rheological property of rocks has close relationship with the tensile stresses of rock masses. When the sandstone samples are tested under high stress condition, their rheological properties are very obvious with the unloading of confining pressure, and three typical rheological stages are shown. Rheological rate changes with the variations in axial stress and confining pressure.