岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

加载速率对岩石破坏的影响研究

弹性模量和极限应力随着加载速率的增加,也随之增加,并存在一定的线性关系;缓慢应变速率下的试件在破坏时往往出现台阶型分段跌落状,而较快应变速率下的试件则为光滑、陡峭和连续曲线;随着加载速率的增大,岩石塑性滞回能也在增大,即岩石的塑性变形越明显。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。     

白砂岩试件初始损伤后再加载力学特性试验分析

针对巷道开挖以及回采过程中围岩应力平衡-卸压二次平衡引起的巷道大变形问题,利用应变测试仪及红外热像仪对白砂岩三轴加载-卸载后单轴再加载的破坏过程进行监测.实验结果表明:试件单轴加载破坏形态与初始损伤程度有关,白砂岩三轴加载超过57.5%峰值强度后卸载,单轴再加载破坏形态发生了改变;岩石单轴加载过程中环向应变速率与岩石裂隙大小有关,裂隙越大,环向应变速率越大,反之,应变速率则越小;单轴再加载损伤后的岩石,存在张裂变形与剪切滑移变形,破坏时以剪切滑移为主.试件剪切破坏时滑移面温度急剧升高.     

基于分形维数的三轴压缩下泥质粉砂岩力学特性研究

为研究不同应力环境下泥质巷道围岩的变形破坏特征，选取典型泥质粉砂岩岩样，开展了三轴剪切试验，获得了不同主应力加载速率和围压下泥质粉砂岩的应力应变曲线。并采用FLAC3D数值模拟软件对三轴剪切试验结果进行验证，发现增大试验机主应力加载速率以及围压均能提高岩石试件抗压强度。同时，通过收集岩样碎屑，采用“粒度-数量”分形维数研究方法，分析了岩样的破坏规律。发现主应力加载速率、围压越大，试件破坏程度越低，碎屑分形维数值就越小。以上结果表明，主应力加载速率和围压能够有效减缓岩石试件的裂纹扩展速度，减缓岩石试件损伤的发展，增强其抗压强度，同时降低试件破坏后所表现出的破碎性。     

砂岩试件加载-卸荷-加载损伤弱化试验分析

为研究深部巷道围岩开挖和回采全过程中岩体强度的弱化规律,通过对砂岩试件进行不同加载速率的单轴加载、不同围压的三轴加载以及不同程度的三轴加载-卸荷-单轴加载试验对砂岩试件在加载、卸荷和再加载过程中的损伤、弱化机理进行研究。结果表明:试件的峰值强度与加载速率之间呈幂函数关系,与围压之间呈线性关系,加载速率和围压越大,砂岩试件强度越高。砂岩在三轴加载-卸荷-单轴加载时试件最终破坏形态与其受载历史无关,与岩石的最终受力状态相关。岩石的最终强度与其受载速率、围压大小和加卸-载扰动等受载历史相关,初始轴压越大加载速率越小试件的初始损伤越大,卸载后再加载的最终强度越小。此外,提出了基于能量密度的岩石损伤度指标和一种基于加载过程状态的强度弱化计算方法,经计算验证该方法是可行的。     

加载速率和初始损伤对砂岩能量演化影响的试验研究

为研究加载速率和初始损伤对砂岩能量演化特性的影响,通过预压使部分岩样产生初始损伤,并进行原始岩样和含初始损伤岩样不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了砂岩试件加载速率和初始损伤影响下的能量演化特征。试验结果表明,预压产生的初始损伤较为真实地反应岩石内部随机分布的微裂隙损伤,声发射技术能较为准确地表征损伤量及其位置信息;加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加;初始损伤的存在使弹性能增长较无损伤岩样变缓,破坏前积聚的最大弹性能减少;从能量耗散的角度建立了岩石损伤演化方程,验算结果表明基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以很好地描述岩石的损伤演化过程。     

不同加载速率对石灰岩巴西劈裂特性的影响

利用RMT-150B岩石力学试验系统进行了6种加载速率下石灰岩圆盘试样的巴西劈裂试验,分析了圆盘试样劈裂破坏过程中的变形、强度、能量和破坏特征与加载速率的关系.试验表明:整个加载劈裂过程中压应力-压应变曲线大致可分为压密、弹性和破坏3个阶段,拉应力-拉应变曲线大致可分为弹性和破坏2个阶段,峰值前拉应力-拉应变始终保持良好的线性关系,平均峰值压应变、拉应变与加载速率没有明显关系.加载速率对试样劈裂强度、劈裂能率的影响大致相同:加载速率(0.005～0.5 kN/s)较低时,劈裂强度、劈裂能率随加载速率增加较为缓慢;加载速率(4.78～58.8 kN/s)较高时,劈裂强度、劈裂能率随加载速率增加较快,采用对数函数能够表征三者的关系,且劈裂强度与劈裂能率呈正相关,加载速率为0.005～58.8 kN/s范围内大多数圆盘试样劈裂成对称半圆,劈裂破口面宏观特征与加载速率关系不明显.     

单轴动静组合加载对岩石力学特性影响的试验研究

用低周疲劳加载方法，在Instron电液伺服材料试验机上对红砂岩进行了单轴动静组合加载试验，研究了组合加载条件下的岩石动态响应和破坏特性。实验发现：红砂岩在同一方向上动静组合加载条件下的破坏强度比在单独动载作用条件下的强度小，而比在单独静载作用条件下的强度大。在组合加载条件下，岩石的弹性模量随着预静载的增加而减小，并显现出软化的趋势。实验还获得了红砂岩在组合加载情况下预静载应力与最终破坏强度的对应关系。     

不同加载速率红砂岩峰后蠕变特性试验研究

低强度岩石峰后蠕变特性复杂,在实验室通过RLW-2000型三轴流变仪,对2种加载速率9个红砂岩样进行峰后增量加载单轴蠕变试验,分析岩样峰后不同应力水平与不同加载速率下瞬时应变与蠕变应变特征,确定瞬时强度与峰后蠕变破坏强度关系,探讨不同阶段红砂岩样破坏失稳基本形态。结果表明：在相同应力加载条件下,加载速率越大,瞬时应变变化越小,衰减蠕变应变增量越大,等速蠕变应变增量越小;随着蠕变应力水平的提高,红砂岩样瞬时应变表现为快速减小-缓慢减小-缓慢增加-快速增加的整体减小趋势,而红砂岩样峰后蠕变应变则表现为平缓-增加-急速增加的非线性增加趋势,且非衰减蠕变具有明显蠕变3阶段特征;峰后岩样蠕变破坏强度较为接近,离散性小,岩样峰后蠕变破坏强度平均达到了瞬时强度的89.73%;瞬时压缩破坏岩样呈现压剪破坏,岩样破坏块度大,峰后蠕变破坏主控破裂面形态复杂,加载速率越小,峰后蠕变岩样局部弱化特征越明显,但破坏失稳以主破裂面压剪失稳为主。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。     

三维动静组合加载下石灰岩力学特性研究

深部岩体处于“三高一扰动”的复杂环境中,为研究巷道掘进过程中冲击荷载对巷道围岩的影响,以石灰岩为研究对象,通过河南理工大学改进的SHPB动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下的石灰岩力学特性研究。选取典型的轴压梯度(8、15、16、17 MPa)和围压梯度(1、2、3、5、7 MPa),开展冲击气压梯度(0.5、0.6、0.8、1.0 MPa)的三维组合加载试验。研究表明:在三维动静组合加载下,石灰岩峰值应变增大,吸收能也随之增大,峰值达到87.7 W/J时,约为入射能的60%,试件破碎程度最为明显,呈现实验室“岩爆”趋势;反射能、透射能、吸收能随入射能的增加呈线性增长,反射能、透射能、吸收能、入射能和单位体积吸收能随平均应变率的增加呈二次函数增长。此外,在轴压、围压不变时,随冲击气压的增加,应力—应变曲线分为4个阶段,在达到应变峰值时,出现回弹现象,即试件的变形达到峰值应变后应变又开始减小;围压与气压保持不变,轴压变化时试件应力—应变曲线的变化规律与轴压、围压不变时冲击气压的应力—应变曲线的变化规律基本吻合;不同围压下岩石的破坏形态主要为拉伸破坏和压剪破坏。     

冬瓜山铜矿深部硬岩SHPB动态巴西劈裂实验

利用中南大学SHPB试验系统,并结合高速摄影技术,对冬瓜山铜矿深部采集的矽卡岩进行了动态劈裂实验,分析并验证了影响实验结果的影响因素,运用Flac_3D数值模拟软件分析了在动载荷下试样内部的应力分布,验证了实验的有效性。实验研究了矽卡岩在动态劈裂下的应变率和破坏强度、破坏应变之间的相互影响规律。实验结果表明,应变率对试样抗拉强度的影响较为显著,岩石试样的劈裂强度体现出一定的率相关性,动态抗拉强度随着应变率的增加而增大;结合高速摄影分析了试样内部裂隙萌生、发展规律;随着应变率的增加,试样的破坏应变也随之增加。     

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001～0.100 mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广"锚支卸"联合防冲支护措施。     

煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。