动载下胶结充填体的力学特性试验研究

胶结充填体的稳定性对于矿山安全生产至关重要。为了研究动载作用下充填体的动力学特性,利用霍普金森压杆(SHPB)对充填体进行单轴冲击试验,研究充填体应力应变曲线、动态抗压强度、动态强度增长因子与平均应变率之间的关系。结果表明,当平均应变率低于60 s^(-1)时,应力应变曲线峰后阶段为"应变回弹"类型;超过80 s(-1)时,应力应变曲线峰后阶段为"应变回弹"类型;超过80 s^(-1)时,为"峰后塑性"类型;介于二者之间时,为"应力跌落"类型;随着平均应变率的增大,试样动态抗压强度先迅速增大,后趋于稳定,对应的平均应变率临界值为80 s(-1)时,为"峰后塑性"类型;介于二者之间时,为"应力跌落"类型;随着平均应变率的增大,试样动态抗压强度先迅速增大,后趋于稳定,对应的平均应变率临界值为80 s^(-1)。利用Gompertz模型能较好的描述充填体动态抗压强度与平均应变率之间的关系;动态强度增长因子与平均应变率正相关,当平均应变率处于40～130 s(-1)。利用Gompertz模型能较好的描述充填体动态抗压强度与平均应变率之间的关系;动态强度增长因子与平均应变率正相关,当平均应变率处于40～130 s^(-1),动态强度增长因子范围在1.5～3之间。     

静载和动载下不同龄期混凝土力学特性的试验研究

利用杆径为75mm的SHPB试验装置对5种不同龄期下的混凝土分别进行了冲击压缩试验,系统了解了冲击载荷对不同龄期支护混凝土力学特性的影响。为了进行对比,利用INSTRON系统也进行了相应龄期下的静载压缩试验。试验研究表明：静载下混凝土强度、割线弹性模量随龄期增长而增长,其中强度增长主要集中在龄期7d以前,割线弹性模量增长则集中在龄期14d以后,而峰值应变随龄期增长整体上呈减小的趋势;动载下混凝土强度、峰值应变以及单位体积吸收能随着龄期增长而增长,在各个龄期都表现出对应变率具有一定的敏感性,其中不同龄期混凝土的动态强度随应变率增加呈现指数函数增长趋势。不同龄期的混凝土在动载下以拉伸破坏为主,静载下基本呈现剪切破坏形式。     

胶结充填体在动荷载作用下的响应特征

为掌握大红山铜矿井下在用的胶结充填材料对爆破荷载的响应特征,对质量浓度为72％、水泥含量为180 kg/m3的胶结充填材料开展了不同加载应变率下的常规单轴冲击试验.试验结果表明:CTB180试件对入射冲击波的透射能力微弱,在较低的冲击应变率作用下即发生破裂;当(ε)s≥42.3 s-1时,试件韧性增加,试件瞬间被压密,...     

胶结充填体在动荷载作用下的响应特征

为掌握大红山铜矿井下在用的胶结充填材料对爆破荷载的响应特征,对质量浓度为72%、水泥含量为180 kg/m³的胶结充填材料开展了不同加载应变率下的常规单轴冲击试验。试验结果表明:CTB_(180)试件对入射冲击波的透射能力微弱,在较低的冲击应变率作用下即发生破裂;当■_s≥42.3 s3的胶结充填材料开展了不同加载应变率下的常规单轴冲击试验。试验结果表明:CTB_(180)试件对入射冲击波的透射能力微弱,在较低的冲击应变率作用下即发生破裂;当■_s≥42.3 s^(-1)时,试件韧性增加,试件瞬间被压密,增幅较■_s=30.3 s(-1)时,试件韧性增加,试件瞬间被压密,增幅较■_s=30.3 s^(-1)时明显提升,破坏应变量发生了突增;随着■_s的增加,反射能占比先减后增,透射能占比先增后减,但耗散能占比呈递增趋势;破坏形态上,当■_s≤20.7 s(-1)时明显提升,破坏应变量发生了突增;随着■_s的增加,反射能占比先减后增,透射能占比先增后减,但耗散能占比呈递增趋势;破坏形态上,当■_s≤20.7 s^(-1)时,试件仍保持其整体性,但当■_s≥42.3 s(-1)时,试件仍保持其整体性,但当■_s≥42.3 s^(-1)时,将整体失稳破坏。研究结果可以指导充填材料配比选型以及矿柱回采爆破参数优化。     

冲击载荷下环氧树脂动态压缩力学响应实验研究

为了从细观角度研究碳/环氧复合材料的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆实验装置对其组分材料TDE86#环氧树脂体系进行动态冲击压缩实验,获得不同应变率加载条件下环氧树脂的应力一应变曲线,基于应力-应变曲线分析了应变率对环氧树脂动态压缩力学性能的影响.研究结果表明:环氧树脂具有明显的应变强化效应,随着应变率的增加,环氧树脂的强度基本没有变化,最大应力时的应变逐渐减小,动态模量和压缩刚度有很大程度的提高.     

冲击载荷下早龄期充填体力学与损伤特性研究

为了探索损伤龄期对早龄期充填体力学性能的影响,采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,研究充填体在经3、5、7、9 d龄期养护后不同冲击载荷作用下的力学与损伤特性。结果表明龄期为3、5 d的充填体强度较低,峰值应变大,在达到峰值应变后仍处于较高的应力状态,表现出一定的延性,具有较强的塑性和黏弹性;龄期7、9 d的充填体峰值应变变小,到达峰值应变后应力水平迅速降低,表现出脆性材料的特性;早龄期充填体损伤度随着应变的增加而增加,损伤曲线主要表现为上凸型曲线,随着龄期的增长,上凸越显著。因此,鉴于早龄期充填体对损伤龄期的敏感性,在实际生产过程中,应充分考虑充填体早期养护龄期的保障。     

鄂西炭质页岩动态拉伸力学特性试验研究

为探索湖北省西部地区郑万高铁湖北段苏家岩隧道炭质页岩段围岩动态拉伸力学特性,从而为层状岩体地层隧道爆破破岩机理研究提供依据,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,同时借助高速摄像及数字图像相关技术(DIC),开展0°、30°、45°、60°和90°共5种不同冲击角度(冲击加载方向与试样层理面夹角)下鄂西炭质页岩动态巴西劈裂试验,每个冲击角度工况采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3种冲击气压进行动态加载来达到不同冲击速率,以研究冲击角度和冲击速度对炭质页岩动态抗拉强度及动态拉伸破坏模式的影响规律。研究结果表明：不同冲击速度下,随着冲击角度增加炭质页岩动态抗拉强度整体呈现出先减小后增大的趋势,且冲击角度为30°时最小,冲击角度为90°时最大,页岩动态抗拉强度呈现出显著的各向异性特征,且随着冲击速度增加页岩动态抗拉强度各向异性程度也随之降低;随着冲击速度增加,炭质页岩动态抗拉强度均相应增大,且动态抗拉强度与冲击速度具有显著的线性关系;此外,冲击角度和冲击速度均对页岩动态拉伸破坏模式有较大的影响。     

波阻抗对岩石动力学特性影响的模拟试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明:岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。波阻抗相同时,反射波和透射波信号幅值均随冲击速度增大呈线性增大,同时应变率效应明显,随着应变率的增大:峰值应力呈线性增大,动态弹性模量增大,应变软化阶段延长;破碎程度增大,破碎块度分形维数呈线性增大。应变率相同时,随着波阻抗的减小:反射波幅值增大、透射波幅值减小;峰值应力减小,应变软化阶段延长,塑性段趋于明显,且有塑性流动现象出现;破碎程度增大,破碎块度分形维数增大。同时随着波阻抗减小,应变率增大对动态抗压强度的增大以及对破碎程度的加剧效果减弱,应变率效应减弱,逐渐趋于不明显。     

材料动态力学性能实验研究技术进展

材料高应变率实验技术是应用于研究材料加载应变率在10^2-10^8S^-1。范围内力学响应的实验基础,在对材料高应变率实验技术综述的基础上,从基本理论、加载方法和测量技术等方面详细论述了SHPB实验技术的进展,分析了SHPB实验技术在实际应用中存在的问题,并提出了相变材料、贵金属及特殊材料等SHPB实验研究值得深入探索的方向。     

动载下尾砂胶结充填体的损伤规律与本构关系研究

为研究胶结充填体在冲击载荷下峰后破坏特征及损伤演化规律,通过对灰砂比为1∶4,1∶6,1∶8和1∶10的充填体试件进行单轴冲击试验,探索充填体在冲击荷载下的力学特性。基于weibull分布统计损伤理论,引入裂纹闭合系数(h),构建了Weibull分布的裂纹闭合效应的充填体损伤本构模型,结合试验曲线分析充填体的损伤演化规律,并分别探讨了Weibull参数的物理意义。研究表明：不同灰砂比的损伤发展趋势均呈倾斜拉伸的“S”型,在峰后阶段,同等应变条件下,高配比试样损伤变量值大于低配比试样损伤变量值,表明在一定承载范围内,低配比的充填体反而能更好地发挥峰后承载能力。当h=0.98时,由损伤本构模型得到的理论预测曲线与试验曲线具有较高的吻合度;且损伤演化方程也能很好地反映充填体损伤破裂的全过程。     

循环冲击作用下围压对斜长角闪岩动态特性的影响研究

利用带围压装置的直径为100mm的霍普金森压杆设备对围压条件下斜长角闪岩在循环冲击作用下动态力学性能进行试验研究,分析了斜长角闪岩的应力-应变曲线随冲击荷载循环作用次数的变化特性、动态杨氏模量与围压和应变率之间的关系,以及斜长角闪岩的能量吸收率与应变率和围压等参量之间的关系。研究结果表明,在围压和冲击荷载一定的情况下,随着冲击荷载循环作用次数的增加,岩石的杨氏模量变小。岩石破坏面上的正应力随围压的增加而增加,在裂隙摩擦滑移的作用下,围压状态下岩石的破裂面上会产生明显的粉末状岩粉。在吸收能量相同的情况下,围压越高,岩石破坏时形成的损伤面的面积越小,破碎程度越低。相同围压等级情况时,斜长角闪岩的能量吸收率随着应变率的增加而提高;当应变率相同时,斜长角闪岩的能量吸收率随围压的增加而减小。得到了能量吸收率随应变率和围压变化的关系式。     

单轴动态加载下冻土的力学性能实验研究

为研究冻土单轴加载下的冲击动态力学性质,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)在-28～-3℃不同负温下对人工冻土进行了应变率范围800～1500s-1的冲击实验.获得了人工冻土在不同温度与不同应变率下的应力应变关系,发现人工冻土具有显著的应变率效应和温度效应,即冻土动强度随应变率增大和温度的降低而增大.单轴高应变率加载下,冻土没有明显的屈服现象,加载后试样完全破坏.     

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.     

弹道明胶的动态力学测试方法研究

弹道明胶是一种超软材料,其波阻抗很低,采用经典的霍普金森杆测试技术无法获得其在高应变率下的力学特性。该文采用3种基于霍普金森杆的改进方法分别对其动态压缩力学特性进行测试,并对比3种方法的优缺点。实验结果表明:铝杆配合半导体应变片的测试方法对透射信号的提升有限,无法获得弹道明胶的动态力学数据;基于聚偏氟乙稀(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电薄膜传感器的方法避免对透射信号的测量,可以获得满意的测试数据;撞击杆直接加载法在小应变阶段的测试结果可信,但在大应变阶段的测试结果无效。综合来看,使用PVDF压电薄膜传感器的测试方法可以较好地获取弹道明胶的动态力学特性。     

不同加载速率下差异性含水率尾砂胶结充填体力学行为及损伤特性研究

充填体的力学特性是充填配比设计和维护地下采场稳定性的关键指标,而加载速率变化与充填体所处环境（湿度、温度）不同均会对充填力学行为产生影响。本工作对不同含水率（干燥、饱水、自然）充填体开展了变加载速率（0.1 mm/min、0.25 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min、2 mm/min）的单轴抗压强度测试,获得了含水率和加载速率作用下的充填体力学参数和破坏模式,并依据能量守恒定理,研究了不同条件影响下充填体的能量演化规律,建立了基于能量的损伤变量。结果表明：（1）随着加载速率增加,充填体的抗压强度先增加再减小,存在临界加载速率;干燥和饱水对充填体的抗压强度和弹性模量分别具有强化和弱化效应,干燥导致充填体由延性向脆性转变,应力-应变曲线达到峰值应力后快速下降,而饱水虽有利于充填体的延性,但水的弱化作用使其在较小应变下即发生破坏。（2）加载速率由0.1 mm/min增加至2 mm/min,干燥充填体破坏模式由拉剪混合破坏逐渐向以拉伸为主的破坏模式转变,饱水充填体以拉伸破坏为主,而自然充填体整体上表现为拉剪混合破坏。（3）提高加载速率加快了充填体的能量交换,干燥、饱水和自然对...     

SHPB劈裂试验下橡胶水泥砂浆的动态力学、能量特性及破坏机理试验研究

基于静载巴西劈裂原理,开展了橡胶水泥砂浆的分离式霍普金森压杆(SHPB)劈裂试验,对其动态力学、能量特性及破坏机理进行了研究.根据损伤力学,从强度和能量的角度分析了橡胶掺量、养护湿度和冲击荷载对水泥砂浆动态劈裂损伤的影响,并探讨了三种损伤因素下的六种损伤路径.结合圆盘试件的破坏模式,建立了冲击劈裂简化平面理想受力模型,分析了破裂方式-Ⅰ和破裂方式-Ⅱ两种截然不同的动态劈裂方式,并初步探讨了破裂方式-Ⅱ下圆盘试样的破坏机理.结果表明,掺入橡胶颗粒和降低养护湿度均降低了水泥砂浆的动态劈裂拉伸强度;普通水泥砂浆和橡胶水泥砂浆有着相同的应力率和应变率演化趋势;掺入橡胶颗粒和降低养护湿度均在一定程度上阻碍了能量在水泥砂浆圆盘试件中的传递;不同的单一损伤因素和复合损伤因素对水泥砂浆圆盘试样造成的动态劈裂损伤不同;在较大的冲击荷载下,圆盘试样会因"三角形压碎区"、"劈裂拉伸区"和"弯曲断裂区"的形成而被破坏.最后,从细观的角度分析讨论了界面过渡区(ITZ)对SHPB劈裂下橡胶水泥砂浆强度和抗冲击性能的影响.     

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。     

动载下磁铁矿石的动力学特性及破坏模式分析

针对磁铁矿石在采选和破碎过程中耗能巨大的问题,借助分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对磁铁矿石进行不同应变率条件下的冲击压缩试验,分析磁铁矿石的动态力学特性及其破坏过程中的能量耗散特征,并借助ANSYS/LS-DYNA软件模拟试样完整动态破坏过程。研究结果表明：磁铁矿石试样的动态抗压强度具有显著的应变率相关性,应变率从43.94～147.75 s^-1,其动态抗压强度从126.77 MPa提高到220.62 MPa。能量传递规律分析表明,随着入射能的增大,反射能增长趋势增大,最大占比约占总入射能的22%;而透射能增长趋势减小,且透射能占比从低入射能下的78%降低至高入射能下的38%,用于试件破碎的耗散能量逐步增多,与入射能呈线性关系。其破坏模式从中低应变率下的劈裂破坏转为高应变率下的压碎破坏,从破碎尺度来看,中低应变率下碎块多为大块状,而高应变率下碎块尺度较小且多呈细粒状及针状。数值仿真计算表明试件最开始发生破坏是由试件入射杆端面的“十字”反射拉伸波引起的。研究结果可为判断磁铁矿石动力破碎的难易程度以及提高冲击破岩效率提供参考。     

不同围压条件下砂岩动态剪切特性数值模拟分析

岩石的剪切破坏是工程爆破中常见的破坏模式,因此对岩石的动态剪切强度的测定具有重要意义。而深部岩石的破坏则需考虑围压条件,但目前普遍是在较低围压条件下(<20 MPa)研究岩石的动态剪切特性。为研究更高围压条件下(>20 MPa)岩石的动态剪特性,基于ABAQUS有限元软件,采用Drucker-Prager(D-P)塑性模型,结合率相关性,对低围压条件下分离式霍普金森压杆动态冲剪实验进行模拟,并从力平衡、加载率、岩样的破碎特征和剪切强度方面与实验结果进行了对比分析,研究表明：基于ABAQUS的数值模拟方法能够重现冲剪实验现象;D-P模型能较好的反映岩石的剪切强度特性和破裂特征,与实验结果相符。以上结果验证了模拟方法以及模型参数的合理性和适用性。在此基础上,对更高围压下的砂岩的冲剪特性进行了预测性的模拟研究。结果显示：更高围压条件下,随着围压的增大,岩样的破裂裂纹减少;加载率相差不大的情况下,岩样的剪切强度随围压的增大而增大;围压一定的情况下,岩样的动态剪切强度随着加载率的增大而增大。