层状复合岩体冲击动力学特性试验研究

为探究岩石工程中较为常见的层状复合岩体的动态力学性能,采用波阻抗差别较大的红砂岩和灰砂岩"拼接"成层状复合岩体试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,分别对灰砂岩靠近入射杆和红砂岩靠近入射杆2种情况进行不同冲击速度下的冲击压缩试验,对比研究应力波由硬入软和由软如硬2种情况下复合岩体应力波传播特征、动态应力–应变关系以及能量耗散规律。理论分析复合岩体的受力特征和强度条件,同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对复合岩体的破坏特征进行研究。研究结果表明:(1)复合岩体的动态力学特性及能量耗散规律均具有明显的应变率效应。(2)相同冲击速度下,受波阻抗匹配关系影响,应力波由硬入软和由软入硬时复合岩体动力学特性差异性明显。但是随着冲击速度的增大,两者之间的差异逐渐减小,趋于一致。(3)复合岩体两部分岩石破坏程度和破坏形式明显不同。波阻抗小的红砂岩破坏程度较波阻抗大的灰砂岩更为剧烈。红砂岩以剪切破坏为主,且交界层面处红砂岩后于其他区域红砂岩发生破坏;灰砂岩以张拉破坏为主,高速下产生局部剪切破坏,且交界层面处灰砂岩先于其他区域灰砂岩发生破坏。     

高温作用后硅质砂岩力学性能试验

为了研究高温作用后硅质砂岩的力学性质,采用三轴压力试验机,对常温(25℃)、200℃、400℃、600℃和800℃温度作用下的硅质砂岩试件进行单轴压缩试验,同时利用声波测试仪测量不同温度作用后硅质砂岩试件的超声波波速,分析了岩石强度和变形特征及岩石波速随温度的变化规律.结果表明:高温对岩石成分有显著影响,进而导致岩石纵...     

起爆方式对间隔装药应力场分布及裂纹扩展的影响

通过模型实验研究了不同起爆方式对空气间隔装药炮孔两侧损伤分布的影响规律,借助数字图像相关实验系统,获取了全场应变场演化过程及空气段应变衰减规律,同时借助透射式焦散线实验系统,探究了起爆方式对预制裂纹动态断裂行为的影响.实验结果表明：柱状药包炮孔两侧产生的损伤范围具有显著的分形特征.采用外侧起爆时,空气段中心两侧均产生损伤,而采用其他起爆方式时,空气段均未出现损伤.不同起爆方式对空气段应变场径向压应变的影响主要体现在应变大小、衰减速度两个方面,对轴向拉应变的影响主要体现在时效性、衰减速度两个方面.不同起爆方式下预制裂纹端部断裂行为差别较大.采用内侧起爆、外侧起爆时,裂纹均为水平扩展,呈现典型Ⅰ型裂纹,裂纹起裂主要由拉伸破坏引起,异侧起爆时裂纹起裂为Ⅰ-Ⅱ混合型,具体表现为拉-剪破坏.基于数值模拟软件LS-DYNA,解释了预制裂纹端部起裂成因,得到了孔壁处应力场分布规律,不同起爆方式对炮孔轴向孔壁处压力分布影响显著,装药段主要体现在压力峰值位置和压力分布形态两个方面,空气段主要体现在压力峰值大小和压力分布形态两个方面.     

低温条件下红砂岩动态力学性能试验研究

应用SHPB试验和分形方法研究饱水冻结红砂岩的动态力学性能和破碎分形特性,分析负温变化对红砂岩动态强度性能和变形破坏规律的影响,结合SEM扫描实验,探究应力波作用下饱水冻结红砂岩的微观破裂机制。研究结果表明,负温变化显著影响红砂岩的动态力学性能和分形特性,其中动态强度随温度降低(25~-40℃)呈先增大后减小的趋势,形似"几"字形,峰值应变则是先减小后增大,这与冻岩的静载试验结果迥然不同。经引入分形维数D,建立冻结红砂岩块度分形计算模型,经模型计算得到红砂岩在25,-5,-10,-20,-30,-40℃时的分形维数分别是2.37,2.12,2.29,2.35,2.41,2.44,这与试验筛分结果基本吻合。通过对红砂岩断口形貌的观察和分析,发现低温条件下红砂岩最终断口多发生于黏土胶结物上或其与矿物颗粒的交界处,常温条件下红砂岩断口形貌较为复杂,很难看出规律性,但在引入低温梯度后,由黏土胶结物和矿物颗粒组成的断口形貌会逐渐呈现出规律性,在对相应规律分析总结后推断,负温条件下胶结物的性质和断裂性能对红砂岩力学性能有着更为显著的影响。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。     

动载作用下铁矿石能量耗散规律及破坏特征试验研究

为研究攀枝花铁矿开采境界内铁矿石的动力学性能,利用动静组合分离式霍普金森杆实验系统,开展 4 种典型铁矿石的动态单轴压缩试验。 以动态强度、能量耗散、碎屑分布为切入点,分析 4 种矿石的动力学响应特征。 试验结果表明:4 种铁矿石的动态强度均具有明显的率效应,随冲击速率的增加而增大;所研究冲击速率范围内,中低 品位铁矿石的动态强度显著大于高品位铁矿石和表外矿的强度;随着冲击速率的增加,单位体积耗散能随之增大,且 单位体积耗散能的增加幅度与铁矿石的品位相关;基于分形理论分析 4 种铁矿石破坏后碎屑块度的分形维数,发现碎 屑块度的分形维数随冲击速率增大而增加;最后,分析了单位体积耗散能与分形维数的关系,发现二者呈现非线性正 相关关系。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

非静水压条件下深部岩石能量耗散规律及破坏特征试验研究

深部岩石常处于非静水压初始应力场,岩石所处应力状态的不同导致其对动态荷载的响应有所差异,为研究非静水压及动载耦合作用下岩石的动力学行为,利用分离式霍普金森杆试验系统,开展多种初始应力组合下的岩石动态压缩试验,分析不同非静水压条件对岩石能量耗散及破坏规律的影响规律。通过试验结果发现,轴压和围压均对岩石动态强度产生显著影响,以8 MPa时为临界点,岩石动态强度随着轴压提升呈先增加后减小的趋势,但岩石动态强度随着围压的增加持续增大;岩石耗散能随着轴压的增加逐渐减小,但随围压变化趋势较为复杂,在轴压较低时,耗散能随着围压的增加而减小,在轴压较高时,耗散能随围压提升表现出先增加后减小的特征。根据试样的表观及内部破坏形态,结合分形理论及CT扫描技术,分析不同非静水压力条件下岩石的破坏模式发现,岩石表观裂纹与轴围压比存在显著关联,当轴围压比较低时,岩石侧面及端面裂纹较少,随着轴围压比的提高,岩石表观裂纹明显增加。通过对岩石扫描后横向及纵向切片分析发现,岩石内部同时存在环向和径向裂纹,且岩石破坏由贯穿型剪切裂纹控制。同时可以发现,非静水压条件下岩石的破坏可分为中心圆台形岩块和周边破碎岩块2部分,当轴压...     

波阻抗对岩石动力学特性影响的模拟试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明:岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。波阻抗相同时,反射波和透射波信号幅值均随冲击速度增大呈线性增大,同时应变率效应明显,随着应变率的增大:峰值应力呈线性增大,动态弹性模量增大,应变软化阶段延长;破碎程度增大,破碎块度分形维数呈线性增大。应变率相同时,随着波阻抗的减小:反射波幅值增大、透射波幅值减小;峰值应力减小,应变软化阶段延长,塑性段趋于明显,且有塑性流动现象出现;破碎程度增大,破碎块度分形维数增大。同时随着波阻抗减小,应变率增大对动态抗压强度的增大以及对破碎程度的加剧效果减弱,应变率效应减弱,逐渐趋于不明显。     

圆孔缺陷对爆生裂纹扩展行为影响的试验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸荷载作用下空孔缺陷对裂纹扩展行为的作用关系,以及裂纹扩展行为的规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,空孔缺陷能够促使预制裂纹起裂并扩展,且空孔对爆生裂纹扩展方向有明显的导向作用;当爆生裂纹向空孔扩展时,空孔对爆生裂纹扩展行为有促进作用,使爆生裂纹与空孔贯通时速度和应力强度因子值增大;次生裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子值都小于爆生裂纹相应值,且次生裂纹扩展初始阶段速度最大,裂纹的起裂韧度在0.8~1.1 MN/m~(3/2);随着空孔直径的增大,次生裂纹扩展长度先增大后减小,说明存在一个最优的空孔尺寸,使次生裂纹扩展距离最大,对裂纹扩展的促进作用最为显著。