深部岩体半正弦应力波扰动下的层裂试验研究

针对深部岩体在应力波扰动作用下所呈现出的层裂破坏现象,基于一维弹性波理论,首先阐明了一个简单的半正弦应力波在单个岩石杆件中的传播机理,并剖析其层裂破坏原理;依据净拉应力与动拉伸强度等特征因子,刻画并表征了其破坏过程.进而,采用SHPB设备开展了岩石杆件的层裂试验,发现层裂后岩石杆件其破坏断口较为齐整,并且与拉伸应力方向...     

SHPB试验中不同加载升时应力平衡时间对波阻抗比的敏感性

为研究分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验中不同加载升时试件应力平衡时间对波阻抗比变化的敏感性,将矩形波、梯形波、坡形波等典型的入射加载波形统一表达为具有不同前沿升时的梯形波形式。利用一维应力波理论,分析入射加载弹性应力波在试件中的传播过程,推导出具有任意前沿升时的梯形波入射加载情况下试件内沿加载方向应力分布的相关计算公式。计算得出不同试件–压杆波阻抗比的试件,在不同前沿升时的梯形波入射加载情况下,试件应力平衡时间变化曲线和应力均匀性变化时程曲线,分析入射加载的前沿升时和试件–压杆波阻抗比等有关参数对试件应力平衡时间和应力均匀性的影响规律,得到了一些较为有益的结论,为指导SHPB试验的方案设计和进行有关分析提供理论依据。     

利用大直径Hopkinson杆测量混凝土层裂强度的新实验技术

提出利用空心铝合金透射杆测量混凝土层裂强度的新实验技术.子弹撞击Hopkinson杆在细长混凝土杆件产生压缩加载波,此压缩波传播至试件和空心铝管接触面时反射成拉伸波使试件产生层裂破坏.通过测量空心铝管的应变波形可以测量混凝土层裂强度.通过空心铝管上不同位置应变波形以及试件与铝管接触面压力波形的对比,说明此方案能解决先前...     

冲击荷载下节理数对类岩石动力学特性的影响

用水泥砂浆材料模拟岩样并人工形成节理裂隙,以研究冲击荷载作用下节理数目对层状岩石动态力学特性的影响。借助分离式霍普金森压杆装置,研究完整岩石和含1~3条节理试件在相似冲击速度下的能量传递规律、强度特征及破坏形态。试验结果表明,相同入射能条件下,随着节理数从1条增加到3条,试件中的反射波形由近似的"V"形变成"U"形,透射波的幅值则逐步衰减;试件整体随着节理面的增多破坏更加严重,呈多块状;节理岩石动态承载力与节理组数呈负相关性。研究结果为地下工程多节理裂隙软岩的动力特性分析及不稳定围岩的开挖支护研究提供参考。     

层理角度对天然岩石材料动态断裂行为的影响研究

为了探究不同层理角度下岩石材料的动态断裂行为，利用分离式霍普金森压杆冲击加载系统，对3种直切槽半圆岩石试件开展30°，45°，60°，75°和90°层理角度梯度内的动态断裂冲击试验，研究3种岩石试件在不同层理角度条件下的应力波及能量传播规律、应力响应特征和动态断裂韧性。并结合DLSM数值模拟软件进行辅助分析，证明其模拟方法能够较好地应用于岩石动态断裂行为的研究，通过应力波传播图像和裂纹尖端应力场图像分析试件应力波的传递规律，解释动态断裂韧性随层理角度改变的机制。结合模型的动能和破坏曲线总结不同层理角度下岩石的破坏特征。结果表明：层理角度改变会影响层理面对应力波的有效反射面积，从而影响反射波和透射波的传递规律，造成各部分能量比值的变化。3种岩石具有不同的破坏特征，但其动态断裂韧性均受到层理角度的影响，在小层理角度时更容易发生预裂和张拉破坏，导致试件强度降低。模拟得到的应力波传播图像解释了不同层理角度应力波的透反射规律，而裂纹尖端应力场图像则反映了动态断裂韧性与试件内部是否发生提前破坏有关。随着层理角度的增大，试件断裂消耗的动能越大，其破坏更具有均匀性。     

基于高速摄影的双预制裂纹大理岩加卸载试验

以大理岩作为试验材料,进行了45°双预制裂纹试件的单、双轴加载和侧向卸载试验研究。利用高速摄影设备记录试件中裂纹的起裂、扩展、贯通和完全破坏过程,结合理论分析得到:(1)3种载荷形式下试件的破坏过程可概括为4个相似的阶段;双轴加载试件的裂纹扩展形态和岩桥贯通方式与单轴加载和卸载有较大不同;卸载试件的裂纹种类和数目远比单轴加载时更多更复杂。(2)由裂纹类型判断在单、双轴加载时,剪应力对破坏起主导作用;卸载时,尤其破坏前阶段拉应力起主导作用。(3)定义新参数M-C有效剪应力M-C,根据其在裂纹尖端附近的分布规律判定新裂纹起裂的危险方位和区域,对比试验过程,得到与预制裂纹夹角约为-135°和45°左右的区域为新裂纹(带)产生的危险区。(4)加载时岩桥贯通是由剪应力引起,卸载时是由拉剪复合作用引起。     

岩石SHPB试验中子弹形状对加载波形的数值模拟

利用有限元分析软件LS-DYNA对几种不同几何形状入射子弹在霍普金森压杆试验实验中产生的加载波形进行了数值模拟,在入射杆尺寸与撞击速度恒定的情况下,重点探讨入射子弹的几何形状对于加载波形的影响,为设计能打出近似理想半正弦波(或钟形波)的子弹提供理论依据。模拟研究发现:等截面子弹长度与加载波持续时间成正相关;锥形子弹末端截面直径越小,加载波上升沿时与脉冲持续时间越长,同时波形也越趋向于钟形波,但应力峰值则降低;对于本文设计的变截面子弹,其等截面段越长,加载波形越趋向于半正弦波。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

SHPB试验中合理加载波形比选分析

针对SHPB试验中如何选择合理加载波形问题,将矩形波、坡形波、三角波和常规梯形波等入射波形统一表达为不同升时的梯形波,并给出其加载应力路径方程。首先,计算分析了加载持续时间和最大应力幅值相同情况下,采用不同升时梯形波和半正弦波加载时,试件应力平衡时间t′_u随波阻抗比β变化情况,以及不同β的试件应力均匀性变化特征。其次,从试件应力平衡时间和应力均匀性角度分析两种加载波形的优劣性。升时t′_r=2、4的梯形波优于半正弦波,半正弦波优于t′_r≥7的梯形波;而t′_r=0、1、3、5、6的梯形波与半正弦波加载时t′_u曲线变化过程中出现了交叉现象,交叉前半正弦波优于此升时的梯形波,交叉后两者优劣性相反。最后,提出试验中合理加载波形的选择与确定。即无论β为何值,t′_r=2或4的梯形波加载时,试件均能获得较短应力平衡时间和较好应力均匀性,试验中应将t′_r=2的梯形波作为最佳加载波形优先选用,其次可考虑选用t′_r=4的梯形波;此外,计算给出不同β值对应的其他合理加载波形以便试验中选用。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

静态和动态载荷作用下岩石劈裂破坏模式的数值模拟

简单介绍了岩石破裂过程分析程序模拟岩石在动载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石试样在静态和动态载荷作用下的劈裂破坏过程。数值模拟再现了岩石在静态和动态应力作用下破裂模式的差异,给出了在不同冲击应力波幅值条件下岩石试样的3种典型的破裂模式。数值模拟表明,在动态加载时,应力波幅值较低时试样表现出与静态加载时类似的破裂模式,随着应力波幅值的增加,其他2种典型破裂模式就表现出来。     

动载荷条件下波长对岩石试件破坏模式影响的数值模拟

简单运用岩石破裂过程分析RFPA系统研究了均匀与非均匀岩石试样杆在不同波长冲击载荷作用下的剥落过程。数值模拟较好地再现了均匀岩石试样杆在不同应力波波长条件下的不同破坏模式,且数值模拟结果与解析理论结果具有较好的一致性。并在此基础上,进一步研究了非均匀性岩石试样杆在不同波长的冲击载荷作用下的剥落形式及其与均匀岩石试样杆破坏模式的差异。结论表明:RFPA程序能够较好地模拟均匀与非均匀杆在不同应力波波长作用下发生剥落破裂的过程;试件破坏模式不仅与断裂的强度有关,还与作用在试件上的持续时间有关;试件的破裂不仅与应力波的峰值以及波长有关,而且还与岩石的非均匀性密切相关。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

含浅层节理的岩体层裂数值模拟研究

冲击荷载作用下的岩体层裂是围岩屈曲失稳及岩爆的重要诱发因素。为研究围岩内部浅层节理对层裂行为的影响,采用相关键元胞力学模型(Correlated Lattice Bond Cell-CLBC)对此问题进行数值模拟研究。为了便于分析,以冲击荷载作用下不含节理的石梁层裂作为参考,将其层裂裂纹作为参考裂纹,层裂位置作为参考位置。相对于参考位置,分别在石梁中预设平行裂纹和斜裂纹组(相对于参考层裂裂纹),然后模拟相同荷载作用下的层裂行为。研究结果表明:浅层节理是否对岩体层裂产生影响取决于其相对参考层裂的位置和夹角。当平行节理位于参考层裂以内(远离自由面)时,平行节理对层裂没有影响;而当其处于参考层裂以外(近于自由面)时,应力波将其拉开、扩展,形成阶梯状层裂。对于斜节理组情形则更为复杂,但对于不同斜节理组其共同点都会在参考位置处产生层裂,并且表层岩石(层裂以外)都会被切割成块体沿斜节理方向弹出。当斜节理组位于参考位置以内时,斜节理发生扩展至自由面;当其位于参考位置以外时,只是在参考位置发生层裂;而当其跨越参考位置延伸至自由面时,在参考位置以内会产生平行于斜节理的衍生裂纹。该研究揭示了含浅层节理的岩体层裂规律,为分析围岩层裂行为提供了有意义参考,进而为进一步分析围岩屈曲失稳和岩爆提供必要的前提。     

Crack dynamic propagation properties and arrest mechanism under impact loading

Crack dynamic propagation and arrest behaviors have received extensive attention over the years. However, there still remain many questions, e.g. under what conditions will a running crack come to arrest? In this paper, drop weight impact (DWI) tests were conducted to investigate crack arrest mechanism using single cleavage triangle (SCT) rock specimens. Green sandstone was selected to prepare the SCT specimens. Dynamic stress intensity factors (DSIFs) were calculated by ABAQUS code, and the critical DSIFs were determined by crack propagation speeds and fracture time measured by crack propagation gauges (CPGs). The test results show that the critical DSIF at propagation decreases with crack propagation speed. Numerical simulation for SCT specimens under different loading waves was performed using AUTODYN code. The reflected compressive wave from the incident and transmitted plates can induce crack arrests during propagation, and the number of arrest times increases with the wave length. In order to eliminate the effect of the incident and transmitted plates, models consisting of only one SCT specimen without incident and transmitted plates were established, and the same trapezoid-shaped loading wave was applied to the SCT specimen. The results show that for the SCT specimen with transmitted boundary (analogous to an infinite plate), the trapezoid-shaped loading wave cannot induce crack arrest anymore. The numerical results can well describe the occurrence of crack arrest in the experiments.     

岩石SHPB测试中试样恒应变率变形的加载条件

 从分析霍布金逊压杆测试中试样变形应力、入射应力、反射应力和透射应力的相互关系入手,获得满足试样恒应变率变形所需的加载条件,即只有当加载应力和试样的变形应力具有相同的变化规律时,试样变形才处于恒应变率状态。试验结果表明,整形器法和异形冲头法都能在一定程度上实现试样的恒应变率测试,双试样法实际是整形器法的一个特例。整形器法更适合于理想弹脆性岩类的测试,异形冲头法对具有幂函数型本构曲线岩类和未知本构特征材料的测试有利,并且可重复性好。能产生半正弦波的异形冲头法可减小波形弥散对测试结果的影响。     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。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,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。