岩石动静组合加载力学特性研究

 根据深部岩石力学研究的需要,在分析深部开挖中岩石受力特点的基础上,提出岩石动静组合加载问题。通过对多载荷凿岩机、INSTRON系统、SHPB装置的不断改进和尝试,研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统,该系统可实现岩石轴向静压0～200 MPa、围压0～200 MPa和冲击动载0～500 MPa的同时加载。基于新研制的试验系统,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究。结果表明：冲击动载一定,轴向静压从0增大到其单轴静压强度70%时,岩石的组合加载强度大于其纯静载强度或纯动载强度。轴向静压不变,随着冲击动载的增大,岩石的组合加载强度逐渐增大,表现出率相关性。动静组合加载下,岩石的破坏呈拉伸破裂模式,岩石的破碎块度在冲击动载或轴向静压增大时都向细粒端发展。岩石的吸能率随着动静组合加载的不同而不同,通过选择合适的动静组合加载,可使岩石的吸能率最大。     

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用 ANSYS 软件对花岗岩 在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明：静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。     

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。     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验分析

依据动载诱发冲击地压是动静组合加载下煤岩体结构失稳这一科学认识,采用改进的霍普金森杆,开展一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验研究.选取强度和碎片分维作为特征参数,采用4种典型轴压,进行不同应力波能量下的冲击试验.获得组合煤岩的动态强度和碎片分维随动静载荷的变化规律,从而揭示裂隙数目、煤岩结构特性及动静载荷对组合煤岩破坏失稳的影响.结果表明:组合煤岩试样的动态强度和碎片分维随应力波能量的增大而增大,随静载的增大呈现先增大后减小的趋势.含有裂隙越多的组合煤岩对高动载的抵抗能力越强,而破坏的剧烈程度越低,说明煤层卸压措施不但能增强煤岩体结构对高动载的抵抗能力,还能降低冲击发生的剧烈程度.煤岩体结构特性增强了煤层对动静载荷的抵抗能力以及煤层破坏的剧烈程度;同时结构特性削弱了高动载对煤层的作用效果,而加强了高静载的作用效果,其原因在于动、静载荷作用的时间尺度差异较大.     

二维动静组合加载下岩石破坏的试验研究

为模拟地下深部开采中二维应力状态下矿岩采掘及某些矿柱的稳定性问题，将特制的一维水平静压装置和Instron电液伺服材料试验机组合进行二维动静组合加载下红砂岩破坏的试验，研究当动载固定不变时红砂岩在不同水平静载和不同竖向静载下破坏的基本规律和特征，为深部采矿和矿柱等的稳定性分析提供理论与试验依据。     

动静组合载荷破岩声发射能量与破岩效果试验研究

 在动静组合载荷多功能试验装置上,以脆性岩石(花岗岩)为研究对象,进行不同载荷作用下的破碎试验。运用声发射系统AEwin采集岩石破碎过程中的声发射数据。基于不同加载模式下的声发射总能量和破碎体积的实测数据,分析两者之间的关系;采用破岩体积和破岩比能2个指标作为表征破岩效果的参量,综合分析各种加载模式下的破岩效果。结果表明：岩石破碎声发射累计能量与破碎体积有密切相关性,动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量分别为WD,WS+D,WS,且WD＜WS+D＜WS;组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大,且存在最优加载参数组合,可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。     

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水胜力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服摔制材料试验机卜进行了红砂岩中心变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。     

一维动静组合加载下磁铁矿石力学特性及破碎特征试验研究

以改善矿石破碎效率和能耗为目的,采用改进的霍普金森压杆(SHPB)试验装置,开展一维动静组合加载下磁铁矿石力学特性及破碎特征试验研究,分析轴压比与冲击速度对磁铁矿石破碎效果与能量利用率的影响。结果表明：冲击速度主要影响磁铁矿石在动态冲击作用下的抗冲击性能和破碎程度,在轴压比一定时,随着冲击速度的增大,试样破碎块度越小、加载轴压的影响作用越显著、累积应变越大,且轴压比越大累积应变的增幅越大;轴压比主要影响磁铁矿石在动态冲击载荷作用前其内部结构的损伤程度和冲击载荷的能量利用率,随着轴压比的增大试样的动态抗压强度存在一个最大值;一维动静组合加载下磁铁矿石破碎效果和能量利用率受轴压比和冲击速度双重控制,“低轴压+高速度”增强了磁铁矿石的抗冲击性能;“高轴压+低速度”的压剪作用效果不显著、破碎效果差;“高轴压+高速度”使试样破碎成大量岩屑粉末,破碎效果好但能量利用率低。因此,在利用“挤压+冲击”破岩方式破碎磁铁矿石时,应在明确破碎块度要求的前提下,综合考虑轴压比和冲击速度的组合作用,提出轴压比和冲击速度的最佳组合,以提高磁铁矿石破碎效果和能量利用率。     

组合载荷作用下冷却塔的应力分析

针对某工程组合荷载对冷却塔应力分布的影响问题，用一般的薄壳有限元分析方法，计算了某冷却塔在风载和温度载荷作用下冷却塔应力的分布，对塔的安全性进行了评估。     

Mechanical properties of rock under coupled static-dynamic loads

Rock drilling machine,INSTRON testing system,and SHPB device are updated to investigate the characteristics of rocks at great depth,with high loads from overburden,tectonic stresses and dynamic impacts due to blasting and boring.It is verified that these testing systems can be used to study the mechanical properties of rock material under coupled static and dynamic loading condition and give useful guidance for the deep mining and underground cavern excavation.Various tests to determine the rock strength,fragmentation behavior,and energy absorption were conducted using the updated testing systems.It is shown that under coupled static-dynamic loads,if the axial prestress is lower than its elastic limit,the rock strength is higher than the individual static or dynamic strength.At the same axial prestress,rock strength under coupled loads rises with the increasing strain rates.Under coupled static and dynamic loads,rock is observed to fail with tensile mode.While shear failure may exist if axial prestress is high enough.In addition,it is shown that the percentage of small particles increases with the increasing axial prestress and impact load based on the analysis of the particle-size distribution of fragments.It is also suggested that the energy absorption ratio of a specimen varies with coupled loads,and the maximum energy absorption ratio for a rock can be obtained with an appropriate combination of static and dynamic loads.     

Innovative testing technique of rock subjected to coupled static and dynamic loads

A new testing technique, which relates the physical stress state of rock subjected to simultaneous coupled static and dynamic stresses, is presented. The method involves modification of a split Hopkinson pressure bar, such that the test specimen is subjected to coupled axial static pre-stress, axial impact loading, and optional confining pressure. Tests on siltstone specimens with different coupling loads showed that the strength of the specimens under coupling loads was higher than their corresponding individual static or dynamic strengths. In the grade size distribution, the percentage of small size particles of fractured specimen increases with higher coupling loads. The strength of rock under coupling loads decreases rapidly when the axial pre-compression stress is greater than 70% of the static strength of rock (with identical impact loading). However, with constant axial pre-compression stress and increasing impact loading, the strength of siltstone increases initially and reaches a maximum constant value.     

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。     

连续刚构桥静动载试验研究

介绍了预应力混凝土连续刚构桥静动载试验的主要内容和测点布置以及理论计算的方法等，并给出了试验中的3个主要工况的理论与试验结果对比值，最后得出了有益的结论。     

冻结粉土的动静蠕变特征比较

通过动、静荷载作用下冻结粉土的蠕变试验,发现在初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段,动蠕变的应变值小于静蠕变,而由于稳定蠕变阶段动蠕变的蠕变速率大,应变迅速增加,导致动蠕变的稳定蠕变阶段很短,迅速进入渐进流阶段,此时其应变值大于静蠕变;动、静蠕变的破坏特征与加载应力的变化趋势相同,但数值不同,动蠕变的破坏时间、破坏应变都小于静蠕变,最小蠕变速率值大于静蠕变,且加载应力越小,二者的差别越明显。     

钢管结构K型相贯节点的静动态极限承载力

平面K型节点是钢管结构节点主要形式之一。对平面K型圆钢管搭接节点在静力荷载和冲击荷载作用下的弹塑性响应和极限承载力进行了非线性有限元分析。首次得到相贯节点的动力极限承载力,发现节点的动力极限承载力一般小于静力极限承载力。K型圆钢管搭接节点在静、动荷载作用下弹塑性力学特性有较大的区别,节点动力破坏主要发生在节点相贯处,规范计算公式给出的节点静力极限承载力是偏于保守的,所得计算结果和结论对实际工程有一定的应用价值。     

动静荷载作用下混凝土路面应力对比分析

对混凝土路面板在动态荷载及静态荷载两种荷载作用下的应力进行计算对比分析,得出行车静荷载作用下路面板疲劳寿命比行车动荷载作用下疲劳寿命大的结论,为混凝土路面板的疲劳寿命设计提供了一定的参考依据。     

地铁列车荷载作用下隧道的静动力响应分析

以某地铁区间隧道为研究对象,依照列车动荷载激励力公式,设计列车振动模型装置,观测了隧道衬砌模型和周围介质在静荷载及列车动荷载作用下的应变、加速度等力学参数,分析了动荷载作用下隧道结构的受力状态,并和初始静应力做了比较,得出了一些有指导意义的结论。     

动、静荷载作用下细粒土的冻胀特性实验研究

随着列车速度的不断提高,季节冻土区路基工程的冻胀问题也越来越突出。为研究细颗粒土在动荷载作用下的冻胀特性,进行了无荷载、静荷载和动荷载条件下室内开敞系统的冻胀实验,对比分析了无荷载、静荷载和动荷载条件下细粒土的冻胀变形、水分迁移速率及土中含水量的分布。实验结果表明：静荷载、列车动荷载对土的冻胀都具有一定的抑制作用,随着外荷载值的增大,该细颗粒土的冻胀率逐渐减小;且当静荷载值等于动荷载幅值的二分之一时,动、静荷载对细颗粒土冻胀的影响基本相同;土冻结过程中水分迁移速率随着冷却温度的降低而逐渐增大,而随列车动荷载值的增大而相应降低;土的冻胀特性基本不受列车动荷载频率变化的影响。