高应变率下花岗岩动态力学特性分析

为探究冲击荷载作用下花岗岩的动态力学参数的变化规律,文中利用分离式霍普金森压杆试验技术（SHPB）对花岗岩试件进行冲击试验。结果表明,花岗岩的峰值应力随着应变率的增长呈线性增长,表现出明显的应变率效应。动态弹性模量与应变速率间存在正相关性,峰值应变与应变率呈现S型函数关系,极限应变随应变率的增长呈现出线性递增趋势。     

花岗岩动态压缩力学特性研究

由于岩石材料动态破坏的复杂性,理论分析和实验研究都还很不充分,岩石的动力特性越来越受到重视。本文采用霍普金森压杆对花岗岩圆柱试样进行了动态压缩试验,建立了加载速率与花岗岩冲击破坏时的弹性应变能、结构破坏能及岩石破坏形态之间的关系。试验结果表明:甘肃地区弹模在17~21 GPa的花岗岩在瞬时加载条件下,强度随着加载速率的增加而提高;动态压缩强度平均强度为240 MPa,动态模量为31.5 GPa;应变率的变化范围在81~210 s^-1,动态压缩强度随着应变率的增加有明显增大的趋势;当冲击速度增加时,岩石破坏后释放的能量显著增长,应变率越大,岩石破碎块越小。该试验结果能够评价动态荷载作用下花岗岩的强度参数,为类似区域的工程设计与施工提供依据。     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究

 通过对600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性试验研究及花岗岩体遇水热破裂劣化机制的探讨,发现高温状态花岗岩遇水冷却过程中,由于岩体内温度急剧变化,岩体内产生热破裂或热冲击现象,岩体力学性能劣化,从而导致超声波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量随温度逐渐减小。具体表现为：(1) 高温状态花岗岩遇水冷却后超声波速随着经历温度的升高呈负指数函数关系降低;(2) 花岗岩经过高温遇水冷却处理,峰值应力和峰值应变及其单轴抗压强度都受到很大影响;(3) 高温状态遇水冷却处理对花岗岩的抗拉强度影响明显,抗拉强度随温度的变化规律符合负指数函数关系;(4) 高温状态花岗岩遇水冷却后其弹性模量随温度的升高呈负对数规律减小。     

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。     

中低应变率范围内花岗岩单轴压缩特性的尺寸效应研究

 利用变频动态加载岩石力学试验系统对直径为50 mm,长度分别为50,75,100,125 mm的花岗岩试样进行中低应变率范围内的加载试验。研究结果表明：(1) 试样强度具有显著的应变率依赖性,随着应变率增大,压缩强度近似以乘幂关系增大。(2) 静载和准动态加载条件下,岩石强度基本上随试样长度的增加而减小。(3) 不同应变率加载条件下,直径为50 mm的试样,长径比不小于2时,方能取得基本稳定的试验结果。(4) 峰值应变随试样尺寸的增大逐渐减小。(5) 割线模量E50和线性段弹性模量Et随试样尺寸的增大而增大,且Et＞E50。(6) 破裂形式具有显著的应变率效应,随着应变率的增高,破碎程度加大;其尺寸效应则表现为：应变率 ＜10－3 s－1时,随着尺寸的增大,破裂形式表现为劈裂–锥形破裂–剪切破裂的过程;应变率 ＞10－2 s－1时,破裂形式则直接由锥形破裂变为剪切破裂。     

高温作用后混凝土动态压缩力学性能的试验研究

采用φ100 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验装置,分别对常温和经历200、400、600、800℃高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验,分析了高温和应变率对混凝土动态压缩力学性能的影响,并对其关系进行了拟合。结果表明:经历不同温度作用后的混凝土动态抗压强度、峰值应变以及比能量吸收都表现出较强的应变率效应。高温对混凝土动态力学性能影响显著,400℃是混凝土各项力学指标发生转折的温度:动态抗压强度、比能量吸收在400℃时回升至与常温接近,在400℃后又迅速下降;峰值应变在400℃以后增加明显,并随着应变率的提高而迅速增加。混凝土经400℃以上高温作用后,虽然强度损失严重,但在冲击荷载作用下,尤其是在较高应变率下,仍表现出良好的抗冲击韧性。     

高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用φ50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温(25 ℃)、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃7个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。     

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。     

花岗岩的动态压缩实验和力学性能研究

 在Hopk inson 压杆上利用预留间隙法对花岗岩材料实施了高应变率动态实验, 有效地避免加载波上升沿对这类脆性材料实验精度的影响, 发现花岗岩材料有很明显的应变率硬化效应和损伤软化效应。并初步研究了花岗岩材料在动态和静态重复加载条件下的力学行为。     

高温中与高温后混凝土的冲击力学特性

采用φ100mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,结合高温电阻炉,分别对常温和200,400,600,800℃高温中和高温后的混凝土进行了冲击压缩试验,分析了高温和弹速对混凝土冲击力学特性的影响.结果表明:高温对混凝土冲击力学特性影响显著,600,400℃分别是高温中、高温后混凝土各项力学指标发生明显改变的转折温度,高温中、高温后混凝土的动态抗压强度、比能量吸收分别在600,400℃以后下降明显;水冷却将造成400℃以上高温的混凝土强度损失严重,这在消防过程中应引起注意;混凝土经400℃以上高温作用,虽然强度损失严重,但是在较高速率的冲击载荷作用下,仍表现出良好的抗冲击韧性,说明混凝土是一种耐高温、抗冲击性能优越的材料,这对于其在军事防护工程中的应用极为重要.     

碳纤维混凝土动态压缩力学性能的试验研究

采用φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了不同体积掺量(Vcf)的碳纤维混凝土(CFRC),在多个应变率条件下的动态压缩力学性能,得到了应力-应变曲线.结果表明,CFRC的强度随应变率的增加而近似呈线性增长,纤维体积掺量为O.3%碳纤维混凝土变形能力较好.分析了试件的加载波形图和应变率时程曲线,试验中近似恒应变率加载时间比例大于50.2%.在相同应变率范围内,CFRC的破坏程度与素混凝土相比较轻,说明碳纤维的加入增强了混凝土的抗冲击件能.     

云驾岭煤矿无烟煤的动态本构特性试验研究

利用大直径单轴分离式霍普金森压杆装置对云驾岭煤矿无烟煤进行了冲击压缩试验。试验发现云驾岭煤矿无烟煤的动态本构曲线总体上可以分为4个阶段：（1）初始非线性加载段；（2）塑性屈服段；（3）应变强化段；（4）最终的卸载破坏段。具有相应的初始弹性模量、屈服强度与极限强度3个特征参数，并且3个特征参数都随着应变率的增加而提高，但屈服强度与应变率的相关性最好。     

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。     

中低应变率范围内单轴压缩下花岗岩断口细–微观特征研究

岩石宏观破裂状态及其细–微观形貌是表征岩石破坏机制的重要特征,而断口形貌则由岩石破裂过程中的能量特征确定。花岗岩在中低应变率加载条件下宏观上均成剪切破裂模式。利用扫描电镜(SEM)和3D激光扫描仪,研究不同应变率加载条件下花岗岩断口的细微观形貌特征;采用分形原理,对岩石破裂表面的粗糙程度进行定量表征。结果表明:随着应变率的增高,花岗岩细微观断裂模式变化规律为沿晶断裂→沿晶断裂和解理断裂→穿晶断裂(路径弯折)→穿晶断裂(路径较平直)。应变率的不同导致岩石破裂过程中吸收能量的差异,进而影响裂纹扩展的难易程度以及参与扩展裂纹的数量,最终导致岩石强度随应变率的增加而增加。     

饱水冻结花岗岩动态力学性状的应变率效应

从某场地钻取典型花岗岩岩芯试样,借助75 mm直径SHPB装置和低温冻结设备,分别对-15 ℃和25 ℃饱水花岗岩试件施加应变率大小近乎相等的4种冲击荷载,以探究饱水冻结花岗岩动力学特性的应变率效应。试验结果表明:同等应变率冲击加载下,饱水冻结花岗岩的峰值强度更高,抗剪切强度增加,动态弹性模量变为近似直线型增长;相比25 ℃饱水花岗岩,-15 ℃饱水冻结花岗岩破坏需要更高的冲击应变率,破坏时的峰值应变减小。饱水冻结花岗岩内部复合结构裂纹的形成与耗散能紧密相关,耗散能越大,裂纹越多,用耗散能表征的损伤变量值可以判断岩石的破碎程度,-15 ℃冻结饱水花岗岩破坏时的损伤变量值为0.22。研究方法为确定高寒地区冻结岩体的动力学参数提供依据。     

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为l0^-5～l0^-2/s的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应．对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。