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。     

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律,利用Ø50mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对45#钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中,岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强,试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1.2倍,破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍,且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势,试件破坏为压剪破坏模式,与无围压SHPB试验有所不同。     

围压作用下煤岩材料超声致裂规律研究

当超声波在煤岩固体材料中传播时,受其机械效应,煤岩基质固体颗粒间相互作用。从超声波的机械效应角度结合断裂力学,对围压影响的超声激励破岩机制进行探讨,利用 RFPA2D 岩石破裂过程分析系统对超声激励不同围压下煤岩致裂过程进行了数值试验验证。研究表明：围压降低了煤岩内部裂纹的断裂强度因子,改变裂纹尖端应力场;围压对煤岩破裂具有抑制作用,在相同功率超声作用下,围压越大,超声激励碎岩程度越低;数值实验表明,随着围压增加,超声致裂煤岩影响区域逐渐减小,煤岩破坏形式由低围压下的张拉和剪切破坏共同作用逐渐向高围压下单一剪切破坏过渡。相同有效声压作用下,煤岩破裂过程中主应力随煤岩围压升高而增大。     

动静荷载作用下灰岩和白云岩破坏机理研究

为研究岩石在动静荷载作用下的破坏机理,以西南地区常见的灰岩及白云岩为研究对象。通过X射线衍射和电镜扫描讨论岩石固体相及细观结构的差异性,基于岩石三轴试验系统及分离式霍普金森压杆系统开展静力学试验和动态冲击试验,分析岩石在动静荷载作用下的破坏机理。结果表明：灰岩与白云岩固体相物质成分及细观结构存在较大差异性;灰岩在静单轴压缩荷载下以剪切破坏为主,在冲击荷载作用下呈现轴向劈裂破坏;白云岩在静单轴压缩荷载下以劈裂破坏为主,在冲击荷载作用下呈压碎破坏形式;两类岩石的动态抗压强度、单位体积吸收能随应变率的增加显著增大且率相关性明显。岩石固体相及微观结构的差异性是导致其破坏机理不同的重要原因。     

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

为研究岩石在中低速冲击下的动力特性,利用MTS和落锤冲击试验系统进行了红砂岩准静态和动态单轴压缩试验,获得了10-2-101.7 s-1应变率范围砂岩全应力-应变曲线。结果表明,中低应变率加载条件下,砂岩经历典型压密、弹性变形、非稳定裂纹发展至脆性破裂后阶段。随着加载应变率的提高,砂岩峰值应力及其对应应变、残余应变均逐步增加,破坏模式则由X状共轭剪切破坏转变为劈裂破坏;动态强度增长遵循热活化和宏观黏性机制联合作用规律;中低应变率下岩石的吸收总能量和弹性应变能随变形演化规律基本一致,且弹性应变能和较耗散应变能的应变率效应更为显著。     

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.     

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。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和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,而且递增的程度随着围压的增加而增加。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。     

不同应力路径下辉绿岩能量演化与破坏机制研究EI北大核心CSCD

以灵宝矿区辉绿岩为研究对象,开展了单轴及三轴循环加卸载试验和恒轴压卸围压试验,分析了应力-应变曲线及破坏形态,研究了辉绿岩在不同应力路径下的能量演化过程与破坏机制。研究表明:在三轴循环加卸载变形破坏过程中,随着循环次数的增加,滞回环的面积逐渐增大,岩样耗散能与弹性能均增大,耗散能的增长速率逐渐变大,弹性能的增长速率逐渐变小,且围压越大耗能比越大,岩样内部的裂隙扩展和汇合现象显著增加;在恒轴压卸围压变形破坏过程中,围压对辉绿岩的抗压强度和横向变形影响较大;在相同初始围压下,相比较循环加卸载应力路径,卸围压应力路径下试件破坏时弹性能密度更大。     

软化与硬化特性转化的岩石损伤统计本构模型之研究

首先将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,通过引进岩石材料屈服或破坏的能量原理,建立岩石损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立能够反映岩石破裂全过程的统计损伤演化方程,进而建立特定围压下的岩石损伤统计本构模型;最后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立出反映不同围压条件下的岩石破裂全过程的统一三维损伤统计本构模型。该模型参数少,便于工程应用,尤其是它能够反映岩石软化与硬化特性随围压变化而相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

碳酸盐岩储层射孔穿深的影响规律

为寻求射孔弹在碳酸盐岩中的穿透规律以及岩石性质对射孔穿深的影响,开展了不同抗压强度碳酸盐岩射孔弹地面打靶试验和不同围压下碳酸盐岩、砂岩射孔弹高温高压打靶试验。试验结果表明:对于碳酸盐岩储层,岩石抗压强度、围压以及温度对射孔穿深的影响规律与砂岩储层一致;抗压强度越大,围压越大,射孔穿深越小,在射孔弹耐温指标范围内,温度对射孔穿深的影响非常有限;在相同抗压强度和相同围压的条件下,射孔弹在碳酸盐岩的射孔穿深低于在砂岩储层中的射孔穿深;岩石抗压强度、围压以及岩石性质是影响射孔弹地下实际穿深的3个最重要因素。     

大理岩三轴压缩变形破坏与能量特征研究

利用伺服试验机对大理岩进行了常规三轴压缩试验,基于试验结果,研究了岩样三轴压缩变形破坏及其能量特征。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石峰值应变与围压成正线性关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。岩石破坏应变能随着围压的增大而增大,且两者成正线性关系;岩石全部断裂能随着围压的增加亦成正线性增加。     

深部围压对岩体爆破损伤范围影响数值分析

深井矿山开采条件下,地应力环境更加复杂,为研究高应力围压对爆破破岩效果的影响,采用ANSYS/LS-DYNA分析软件建立了三维数值计算模型,设定开采深度H分别为1000 m、2000 m和3000 m三种方案,开展三向围压下岩体爆破损伤范围数值分析。研究表明:在相同岩石和爆破参数条件下,随着开采深度的增加,围岩压力随之增大,围压总体上对爆破损伤范围起到抑制作用,使得装药区的爆破损伤体积由H=1000 m时的2.21 m3降低至H=3000 m时的0.52 m3,降低幅度达到76.5%;且对拉伸破坏的抑制效果更明显,岩体爆破损伤类型由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转化。高围压条件下,岩体的围岩约束作用增大,一定程度上加大了爆破难度,但超过一定范围易于诱发岩爆事故。     

冻结黏土单轴与主动围压状态SHPB试验对比分析

利用分离式Hopkinson压杆试验装置,进行了冻结黏土在单轴与主动围压两种状态下的动态冲击压缩试验,对比分析了单轴与主动围压状态下冻结黏土的动态应力-应变曲线、动态抗压强度和破坏模式。研究结果表明:单轴状态下,温度为-15℃时,动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;主动围压状态下,-5℃和-15℃的动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。在相同应变率和冻结温度的条件下,主动围压状态下冻结黏土的动态抗压强度均高于无围压状态,动态抗压强度随着主动围压的增加而增大;当冻结温度和围压相同的条件下,动态抗压强度随应变率的提高而增大;单轴状态下,温度为-5℃时,冻结黏土呈塑性破坏,温度为-15℃时,冻结黏土呈脆性破坏。     

主动围压下岩石的冲击力学性能试验研究

利用具有主动围压加载装置的直径为100 mm分离式Hopkinson压杆（SHPB）试验装置和薄圆形紫铜片作为波形整形器,研究了斜长角闪岩在不同围压等级（0~6 MPa）、不同应变速率（50~170 s-1）下的动态力学性能,并对试验有效性进行了分析。试验结果表明：斜长角闪岩的动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,强度与比能量吸收随应变率的增加而近似线性增加,体现了显著的应变率相关性;在同等级应变率范围内,随着围压的增加,岩石的增强效果与增韧效果逐渐增强;同时发现,在围压作用下,岩石的破坏由拉伸破坏向压剪破坏逐渐过渡和发展。SHPB试验中,近似恒应变率加载时间比例约为69.5 %,能够较好地满足应力均匀分布及近似恒应变率加载要求,表明SHPB试验的有效性和结果的可靠性     

主动围压作用下水泥粉质黏土SHPB试验与分析

为研究围压状态下水泥粉质黏土的冲击压缩特性,进行了不同围压和不同应变率条件下水泥粉质黏土的霍普金森压杆(SHPB)试验,分析了围压和应变率对水泥粉质黏土动态应力-应变曲线、冲击压缩强度以及破坏形态的影响。试验结果表明:围压和单轴状态下的水泥粉质黏土动态应力-应变曲线均经历弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,但是两种状态下水泥粉质黏土试样的破坏形态不同,单轴条件下水泥粉质黏土试样的破坏程度随应变率增加而逐渐变大,围压作用下水泥粉质黏土在冲击试验后保持较好的整体性。围压和应变率共同影响水泥粉质黏土的冲击压缩强度:相同应变率条件下,水泥粉质黏土冲击压缩强度随围压的增加而增大;相同围压条件下,水泥粉质黏土峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,表现出明显的应变率效应。     

三轴试验技术要点及数值案例分析

为进一步提高三轴试验质量,精确把控三轴试验破坏类型,明确三轴试验破坏形式,该文引入MPM算法,对黏性土三轴试验进行参数化研究,所得结论如下：1）在固定约束条件下和固定台座条件下,观察到初始剪切带在受限边缘附近交叉,相反,在自由约束条件附近没有观察到明显的初始剪切带。2）矩形试样试验过程中所产生的剪切带与圆形试验并无较大区别,并且矩形试样表现出与边界条件有关的剪切带。该文研究内容对今后三轴试验破坏类型判断具有一定指导意义。     

分级循环加卸载下砂岩损伤力学特性研究

通过选取陕西省略阳市某滑坡表层的中风化砂岩进行静态单轴压缩试验与三轴循环加卸载试验,研究低围压循环加卸载条件下岩石的损伤力学特性,得到力学参数、损伤参数、滞回环面积等随循环过程的演化规律及循环荷载作用下砂岩的变形破坏机制。结果表明：循环加卸载试验过程中,围压增强砂岩抵抗变形破坏能力,随着围压增大,动弹性模量明显增大而动泊松比逐渐降低,砂岩试样内凹现象逐渐“模糊”;滞回环面积受围压与轴向载荷影响明显,与围压变化呈负相关,与轴向载荷变化呈正相关,轴向载荷增大时,不可逆应变逐渐累积,砂岩损伤加剧;砂岩内部原始裂隙在初始较低循环荷载作用下压密,后过渡到弹性变形与裂纹稳定扩展阶段,随着试验进行,裂纹加速演化不稳定扩张,岩样逐渐变形失稳破坏。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。