SHPB在岩石动态力学性能测试中的应用成果综述

综述了岩石动力学的工程意义、SHPB装置的试验原理和试验方法、岩石SHPB动力学试验的研究成果,总结得出:1)SHPB可作为研究岩石在中高应变率下力学性能的有效实验装置;2)试件尺寸和入射波形对SHPB试验准确性有很大影响;3)岩石的动态强度与应变率成很强的正相关性;4)岩石内的自由水对岩石的动态强度有较大影响;5)岩石的动态力学性能在极端高温和极端低温下有较大变化;6)动静组合加载下岩石的动力学性能与单轴冲击荷载下有一定区别,SHPB循环冲击试验能很好地模拟许多深层岩石工程问题。最后对SHPB试验方法与内容的改进提出了若干看法。     

循环冲击载荷作用下岩石的力学特性分析

随着工程规模的不断扩大,深部岩体工程项目越来越多,深部岩体的开挖以爆破法为主。在岩体爆破开挖过程中,多数围岩在一定静载条件下承受循环冲击荷载作用。相关学者以SHPB系统为平台,以砂岩等作为分析研究对象,利用动静加载组合加载装置,开展常规冲击试验和循环冲击试验,分析总结砂岩在循环冲击载荷作用下的动态力学特性与破坏特征,分析岩石在循环冲击载荷下的损伤演化规律。     

充填节理岩石累积损伤动力压缩特性试验研究

充填节理的动态力学特性及其对应力波传播规律的影响是岩体工程响应和安全性评价的重要依据。由于现有对充填节理岩石累积损伤及动力强度弱化特性研究较少,研究对人工充填节理岩石试样展开了系列试验,分析了岩样累积冲击作用下的损伤演化规律及其对动态力学性能的影响。首先,利用简易落锤冲击装置对岩样进行多次预冲击试验,通过波速变化分析了充填节理岩样的累积损伤变化规律。在此基础上,对不同次数预冲击作用后的充填节理岩石试样进行了SHPB动态冲击破坏试验。通过试验结果,分别从岩样的强度变形特征、波传播特性以及能量耗散等方面分析了累积预冲击作用对充填节理岩石动态力学性能的影响。     

高温SHPB试验及其在防护工程材料研究中的应用

详细介绍一套由Φ100 mm SHPB装置和自主设计的温控系统组装成的高温SHPB试验系统的组成和工作原理,论述了混凝土材料大直径SHPB试验的关键技术环节,通过理论建模和数值模拟对高温SHPB试验中的界面热传导及其对试验结果的影响进行了计算分析,论证了试验技术的可靠性,并分析了高温SHPB试验在防护工程材料研究领域的...     

混凝土SHPB试验和仿真的问题探讨

对SHPB冲击试验出现的应力不均匀、混凝土试块与压杆波阻抗不匹配、混凝土试块端面不够平整和波形弥散效应4个问题进行了论述。从单元选取、混凝土动态本构模型的选择、算法的采用、接触的定义4个方面介绍了LS-DYNA软件在混凝土SHPB试验仿真中的问题,为SHPB的试验研究和仿真分析提供参考。     

纤维混凝土动力学性能试验研究

研究了聚丙烯纤维和钢纤维对混凝土动态抗压性能的影响.通过对国内外纤维混凝土材料研究成果和方法的综述,采用分离式4Φ74 mm SHPB装置进行混凝土材料的冲击压缩试验.     

基于拉格朗日分析方法的冲击作用下砂浆层裂特性试验研究

对混凝土材料的动态力学特性,主要研究其应力波及应变率效应。分离式霍普金森压杆装置(SHPB)是研究冲击作用下混凝土力学特性的主要试验技术手段之一。基于SHPB装置,主要研究了冲击作用下砂浆的动态本构关系。以往的研究主要针对砂浆材料的应变率效应,通过连续介质守恒方程和试件实测应变波来求解方程,从而得到冲击荷载下砂浆的动态本构关系,与此同时还研究了砂浆材料两种加载模量的计算方法,并对两个计算结果进行了比较分析。     

基于SHPB试验的纤维增强陶瓷材料抗爆能力的研究

为分析纤维添加量对陶瓷材料抗爆性能的影响,应用霍普金森压杆(SHPB)试验对3组不同纤维含量的陶瓷试样进行了冲击试验,得到了断裂强度及应变率曲线.试验结果表明:添加5%纤维的增韧陶瓷具有更高的断裂强度和更低的应变率,该成分对于改善陶瓷的动态冲击强度和抗爆性能效果最好.     

冻融循环后砂岩抗冲击力学特性及数值模拟

长期冻融循环作用对砂岩力学性能的影响是岩石力学和地下空间工程研究的前沿问题。通过对冻融循环作用后的砂岩进行CT扫描和霍普金森杆(SHPB)冲击压缩,以宏-细(微)观结合的试验手段和数值模拟技术解释冻融砂岩从初损状态到裂隙形成这一演变过程及力学响应。结果表明:冻融循环作用使砂岩内天然孔隙不断扩展,随着冻融次数的增多,试件孔隙、裂隙逐渐增大,冲击压缩后导致峰值强度降低;由破碎模拟可知,冲击后试件轴向压缩并且径向膨胀,达到极限后致使破坏,应力在中心处最大并向边缘环向递减。     

混杂纤维轻骨料混凝土抗冲击压缩特性研究

通过对28个Φ96mm×50mm的塑钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土试件的SHPB冲击压缩试验,分析了密度、冲击气压和冲击次数对破坏强度和峰值应变的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,密度对试件的破坏强度有明显影响,破坏强度随着密度增大而提高;与一般混凝土材料不同,塑钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土破坏强度随冲击气压增大而明显降低。在低速冲击荷载作用下,混杂纤维轻骨料混凝土具有良好的韧性和抗多次冲击能力。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

冻融循环下钙质砂岩力学特性及其损伤劣化机制的试验研究

通过室内试验的方法,研究了水化学溶液和冻融耦合作用下砂岩的损伤劣化机制和物理力学特性。对浸泡在不同的化学溶液条件下的砂岩分别开展冻融循环试验研究,并对不同冻融循环次数下砂岩的物理力学特性进行量测。研究发现:不同水化学溶液和冻融循环耦合作用下,砂岩试样损伤劣化模式不同,2种主要模式为颗粒剥落、片落模式和裂纹模式。强酸性环境下(pH=3.0),砂岩物理力学特性的冻融循环损伤劣化程度最大,强碱性环境(pH=12.0)次之;在中性至弱碱性环境下,其冻融损伤劣化程度虽然有一定的缓解,但仍随着循环次数的增加而不断加剧。Na_2SO_4溶液的浓度越大,砂岩试样冻融系数的降低速率越大;0.01 mol/L NaHCO_3 pH=9.0下砂岩试样的冻融循环劣化程度相对0.01 mol/LNa_2SO_4 pH=9.0下小;岩石的冻融损伤劣化与其所处的水化学环境密切相关,水化学溶液对砂岩有一定的化学腐蚀作用,水化学溶液与冻融循环的耦合作用对岩石的损伤劣化是相互促进的,共同影响着砂岩的损伤劣化程度。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

围压卸载速度对岩石动力强度与破碎特性的影响

利用带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆设备,对砂岩在不同围压卸载条件下的动态力学性能进行试验研究,即保持轴压和冲击条件不变,改变围压卸载速度的动静组合冲击试验,着重研究了围压卸载速率对岩石动态强度及损伤的影响。实验结果表明：在仅改变围压卸载速度条件下,当卸载速度在 0.5 ～ 10 MPa/s 范围内变化时,砂岩动态抗压强度、能耗密度随围压卸载速度增大而降低;破坏块度分维数则呈现出随围压卸载速度增大而增大。但当卸载速度增大到 200 MPa/s 时,其动态抗压强度、能耗密度反而增加,而破坏块度分维数则降低。     

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。     

冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究

 针对寒区工程结构的冻融受荷岩石,提出冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念,拓展损伤变量的内涵;以岩石的初始损伤状态为基准状态,充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用损伤力学理论及推广后的应变等价原理,建立冻融受荷岩石损伤模型;通过损伤变量及本构方程来描述岩石材料细观结构的损伤演化及其宏观损伤行为,与岩石实际冻融破坏情况符合较好。研究结果表明：寒区工程结构的受荷岩石,其力学性能由冻融因子、荷载因子及其耦合效应所决定;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并表现出明显的非线性特征,而其耦合效应使总损伤有所弱化;岩石的岩性和初始损伤状态确定各影响因素的权重,表现出不同的损伤扩展特性;相比而言,砂岩对冻融循环更敏感,而受荷损伤最终导致页岩破坏。     

单裂隙岩体冻融力学特性试验分析

采用具有不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样,进行冻融后的单轴压缩试验,分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性,以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响。研究发现:预制闭合裂隙对冻融岩样外观破坏特征影响不是很大;同一类岩样在其它条件相同的条件下,单轴抗压强度及弹性模量随着冻融次数的增加而减小,相同的冻融次数,相同裂隙倾角不同裂隙长度的试件,随着裂隙长度的增长,单轴抗压强度有较大幅度降低,且随着裂隙倾角的增大,降低的程度越来越小;而对于相同的冻融次数,相同裂隙长度不同裂隙倾角的试件,倾角的变化对冻融岩样的影响不大;冻融岩样单轴试验破坏形态随着冻融次数的增加,由单一的较平滑的破坏面逐渐发展为多个表面粗糙的破裂面,除完整岩样及倾角为90°的岩样为劈裂破坏外,其余裂隙岩样基本为沿裂隙面的剪切破坏。     

温–压耦合及动力扰动下岩石破碎的能量耗散

 采用自行研制的温–压耦合及动力扰动试验系统,在4个温度等级(20 ℃,100 ℃,200 ℃,300 ℃)且每个温度等级的试样分别施加0,20,60,80 MPa的轴向静压力,对砂岩试样进行冲击试验。基于常规的霍普金森杆压缩试验中的能量耗散原理,计算出不同温度作用下动静组合加载岩石试样的能量耗散规律。结果表明：当动载荷保持不变,岩样在温度为20 ℃,200 ℃和300 ℃且预压力为20 MPa时,能量吸收率最大;而岩石试样作用温度为100 ℃时,当冲击载荷不变,不加轴压(轴压为0 MPa)时的能量吸收率最大。研究结果有助于研究高温、高应力作用下岩石破碎机制,为研究高温作用下岩体工程起到一定的参考作用。     

冻融作用下隧道围岩稳定性数值模拟研究

对取自新疆某隧道的砂岩岩样开展冻融循环试验,并进一步进行三轴卸围压试验,得到经历不同次数冻融循环后的砂岩的变形模量随变形的变化关系,然后,利用FISH语言编写变形模量随变形动态调整参数程序,为隧道计算模型提供参数值,对隧道围岩稳定性进行了数值模拟。结果表明:经历不同冻融循环次数的砂岩岩样随着围压的逐渐卸除,变形模量随着侧向变形的增大呈非线性下降趋势。经历80冻融循环后隧道围岩应力发生重分布,变形和塑性区逐渐增大,影响了围岩稳定性和支护结构的稳定性,在开挖工程设计和选用支护结构时应给予考虑。