孔隙岩石的SHPB试验研究

利用分离式Hopkinson压杆装置测量砂岩的动态力学特性，分析冲击过程和砂岩能量耗散过程，进一步讨论孔隙率对人造岩能量耗散的影响。试验结果表明：利用。维应力波理论得到动载下砂岩的应力-应变关系曲线，有助于在数值模拟计算中选择合适的模型和参数；山于砂岩中存在大量的缺陷（微裂隙、空洞和孔隙等），故在冲击载荷作用下具有明显的压剪破坏形式：孔隙率对冲击载荷作用下岩石能量耗散起着重要作用；在冲击载荷作用下，随着岩石孔隙率的增加，岩石耗散的能量也增加。     

轴向拉伸情况下岩石的动态力学特性试验研究

通过在自行研制的加载系统上对花岗岩在应变速率10-5s-1～10-1s-1范围内进行了动态直接单轴拉伸试验,并辅以巴西劈裂实验,系统、全面地研究了花岗岩在不同应变速率影响下的强度及变形特性。结果表明:岩石的抗拉强度随着应变速率的增加而增加;岩石的弹性模量也随着应变速率的增加而增加,但增加幅度小于抗拉强度的增加幅度;另外岩石的临界拉伸应变与应变速率也呈正相关性,但岩石的泊松比与应变速率的率相关性不是特别明显,表现得较为离散。并根据已有研究成果初步讨论了岩石在轴向拉伸情况的动态力学特性机理。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

基于SHPB试验下两种岩石的动态力学性能研究

采用Ф100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了冲击压缩荷载作用下斜长角闪岩和砂岩动态力学性能,从岩石材料的微观角度阐明了两种岩石动态力学性能随应变率的变化规律。结果表明:斜长角闪岩和砂岩的动态抗压强度、动态抗压强度增长因子都随应变率增大而增大,但砂岩比斜长角闪岩对应变率的变化更加敏感。较低应变率下,砂岩试件的动态压缩破坏呈外围剥落式径向拉伸破坏模式,斜长角闪岩呈轴向劈裂破坏模式;但在较高应变率下,由于破碎程度严重,砂岩呈现粉碎破坏模式,斜长角闪岩呈现压碎破坏模式。本文研究成果可以为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。     

基于数值分析参数选取的岩石力学试验

工程岩体力学参数的合理确定是岩石力学界存在的一大难题。针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况,对某边坡的岩石进行常规及三轴试验,结合野外工程岩体结构特点及相关经验性资料,以获得边坡稳定分析的岩石力学参数。用这些参数对开挖边坡作非线性有限元分析,所确定的岩石力学参数提高了数值建模的合理性和分析的准确性。     

岩石SHPB试验信号的小波包去噪

根据岩石霍布金逊压杆（SHPB）试验测试信号的高噪声与瞬态非平稳特点，利用小波包分析技术对其进行消噪处理。所得结果与传统方法所得结果比较发现：通常经过应变仪滤波和数据邻值平均法所得的测试结果是不准确的。用能够进行时频多尺度分辨的小波包变换方法进行信号的去噪处理。在揭示信号本身的时频信息的同时，能尽可能不失真地在强噪环境下重现有效信号，将这种方法用于岩石SHPB测试信号的去噪处理，能够得到可靠的结果。     

岩石动态力学性能试验研究

为了解花岗岩的动态力学性能,采用φ 50 mm Hopkinson压杆对岩石进行动态冲击压缩试验,应变率范围为25.4～193.4 s-1,采用波形整形技术获得平滑的脉冲荷载,得出岩石的动态应力-应变曲线.试验结果表明:岩石抗压强度具有明显的应变率效应,破坏强度随着应变率的增加而增大,相对于静态强度120 MPa,最高动态强度增大至365 MPa,约为静态强度的3倍;冲击荷载较低时,试样内部出现损伤及微小裂纹,荷载强度增大时,试样出现宏观裂纹及破碎成块,当荷载进一步增大时,试样呈粉碎性破坏. 研究结果可为国防工程结构设计提供参考.     

三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的三维霍普金森动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下砂岩力学特性试验的初步研究。选取3个围压水平(0,5,和10 MPa)和3个典型轴压水平(60,80和100 MPa),开展不同应变率下的三维组合加载试验。研究结果表明,当围压一定,轴压比在0.52～0.87范围内变化时,砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小。当轴压一定,围压为5 MPa时砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10 MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。本文的研究结果也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得割线模量会增加。研究结果还表明,在本文轴压比范围内,当围压一定时,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6～0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加载下,砂岩会呈现出“单锥”压剪破裂形式。     

岩石力学的发展方向

国际岩石力学学会(ISRM)曾在全世界范围内特邀了四位著名权威人士就岩石力学发展方向在第五届国际岩石力学上做报告.每一位专家负责一定的专题(如奥地利L.Muller教授强调工程地质工作的重要性).做为四位专家之一、我国陈宗基教授就岩石力学发展方向中的岩石力学及岩石力学与地球物理,地球动力学实行多种合作等问题做了重要报告,在大会上引起广泛的注意和好评.现在该报告译成汉语,以飨读者。出版前陈宗基教授对原稿进行了某些补充.     

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

 简要论述岩石循环的地质作用,提出并讨论岩石地质本质性命题,侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,探讨岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。     

岩石破坏瞬间压机-岩石系统振荡特性研究

岩石的单轴压缩实验是获得岩石力学特性的通用方法。虽然单轴压缩实验在岩石力学测试中被广泛引用,但始终缺少对岩石和仪器所组成系统的动态响应的认识。本文通过对川南龙马溪组高脆性页岩的单轴压缩实验,研究了破坏瞬间岩石与压机的动态相互作用。通过提取动态破坏瞬间的实验数据,分析了压机和岩石对动态破坏的响应,建立了压机岩石的全系统振荡模型,并对模型进行了求解。同时对压机岩石系统进行颗粒流建模,得到了岩石破坏瞬间的全系统声发射响应。结果表明,离散元数值模拟方法得到的压机岩石系统对岩石破坏的动态响应与实验测得的声发射动态响应相吻合,脆性岩石破坏瞬间整个系统进行横向和纵向高频阻尼振动,压机岩石系统在岩石峰值破坏时的动态声发射响应主要来自类似拨弦振动的横向振动,振动的频域特性取决于压机岩石系统的尺寸以及力学特性。     

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.     

侧爆作用下硐室锚杆受力动态响应数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D, 研究了在侧爆应力波的作用下硐室锚杆支护受力动态响应。数值分析结果表明:通过对比相同比例距离的试验和数值模拟压应力时程曲线,说明数值模拟结果可信;基于不同位置锚杆中间单元轴向应力时程曲线分析,发现迎爆侧受到应力波的作用明显大于背爆侧;迎爆侧侧墙锚杆既受压又受拉,并且锚杆8受压最大;受拉较强部位主要集中在迎爆侧,锚杆7拉应力峰值最大;从锚头到锚端锚杆拉应力峰值和压应力峰值都是先增加再减小,最大压应力峰值偏向锚端,而最大受拉位置与应力波的幅值和波长有关。     

高应力矿柱在动力扰动下力学响应研究

针对高应力矿柱在遭受爆破、震动、远场地震等外界动力扰动时,往往发生整体失稳,甚至坍塌的现象,对深部矿山二步骤回采预留矿柱进行简化并建立了地质和力学模型,并对应力波在矿柱中传播进行了力学分析;进而采用FLAC^3D数值模拟的方法研究了高径比为4的典型圆柱形矿柱分别在20 MPa、30 MPa、40 MPa静应力作用下竖向应力和塑性区的分布以及在此基础上分别受到峰值为10 MPa、20 MPa、30 MPa动力扰动时的力学响应特性。研究结果表明:矿柱在40 MPa高静应力作用下依然处于弹性变形阶段,可以保持自身的稳定;而高应力矿柱在遭到外界动力扰动时,会产生不同程度的塑性区,稳定性变差;静应力越大,动力的峰值越高,矿柱的稳定性越差,越容易失稳。得到了它们之间的定量关系并给出了保护矿柱稳定性的建议。     

地震动特征对岩体边坡动力响应的影响

岩体边坡在地震动荷载作用下的变形破坏过程受岩体介质和结构特征、赋存环境和动荷载特征的控制,是这三类因素共同作用的结果。结合松动岩体和强震极震区地震动的研究成果,应用数值分析的方法研究了在不同地震动峰值、频率和加载方向情况下,岩体边坡的动力响应。结果表明,岩体中的动力响应随动荷载的峰值的增加和频率的降低而显著增大,双向加载的动力响应远大于单向加载;岩体动力响应表现出极大的不均匀性;分析了其机理和数值模拟研究的局限性,提出物理模拟和现场调研资料的积累和定量化研究是解决岩体地震动力破坏问题的关键。     

岩石的高温动态统计损伤本构模型研究

结合连续强度理论和随机统计分布假设,在常温统计损伤演化方程的基础之上引入温度影响因素,推导了大理岩的高温统计损伤演化方程;采用组合建模的方法,以损伤力学为基础,将统计损伤体引入到粘弹性本构模型中,构建了能够反映温度影响效应的大理岩高温动态统计损伤本构模型。利用带高温装置的分离式霍普金森压杆试验系统进行了大理岩在不同高温与不同加载速率共同作用下的动态力学试验,基于试验结果,确定大理岩高温动态统计损伤本构模型的参数,并对理论模型进行验证,拟合程度较好,可为岩石类脆性材料动态本构关系的进一步研究和工程应用提供参考依据。     

岩石边坡随机地震响应及动力可靠度分析

地震动是个动态随机过程,而传统岩石边坡地震可靠性分析往往基于拟静力法,忽略了地震的随机性。现有基于数值分析软件的地震响应功率谱法虽可考虑地震随机特征,却相对费时费力。提出一种岩石边坡随机地震响应及动力可靠度分析方法。首先,运用虚拟激励法建立了岩石边坡随机地震响应的快速计算方法。根据响应计算结果,基于首次穿越破坏准则建立了岩石边坡动力可靠度计算方法。算例分析表明,本文随机地震响应快速计算方法简便可行,且具有较高的计算精度。本文动力可靠度计算方法低估了边坡的地震可靠性,能更真实地反映边坡在地震中的实际安全情况。地震作用下边坡可靠性受地震设防烈度、场地类别和地震时间的影响。而对于传统拟静力法,地震力仅根据设防烈度确定。因此,当对于不同的场地类别和地震时间时,本文动力可靠度计算法将更具优越性。     

基于FLAC2D的岩质单面边坡爆破响应规律研究

基于FLAC2D程序,建立了二维岩质单面边坡在爆破荷载作用下的数值模型,并对模型建模中发现的一些问题进行讨论,揭示了边坡的自振频率随着坡高的变大而减小的趋势。在此基础上,通过改变边坡的坡高和坡角,以系统的速度峰值为边坡动力响应评判标准,验证了在动荷载作用下,边坡不但会出现边坡放大效应,而且随着坡高的增大,速度值有先增大,后减小的趋势。当边坡坡角为同一角度时,随着坡高的逐渐增大,质点的最大速度极值存在逐渐变大的趋势。     

基于全应力应变曲线岩石破坏动力学特征分析

长期的地质运动与地质构造作用,使得岩石力学与工程系统复杂,岩体的变形、损伤、破坏和演化包含多种相互耦合的动力学过程.基于MTS试验得到的不同岩性岩石试件单轴压缩全应力-应变曲线,对轴向应力分量进行功率谱分析、最大Lyapunov指数计算和Kolmogorov熵提取.其功率谱含有丰富频谱成分,具有连续、噪声背景和宽峰的特...     

基于Weibull分布的岩石损伤软化模型及其修正方法研究

利用岩石微元强度服从Weibull随机分布的特点，引进能合理描述岩石微元强度的参量，基于岩石三轴应力．应变试验曲线，建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化本构模型。在此基础上，探讨了基于Weibull分布的岩石损伤软化模型参数与围压的关系，并结合模型参数对该模型的影响规律以及岩石破裂过程全应力．应变试验曲线的特点，对其参数进行了合理修正，从而建立了更加符合实际的岩石损伤软化本构模型，并与试验结果及前人研究结果进行了对比分析。分析结果显示了该模犁的合理性，表明该模型具有广泛的工程应用前景。