高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性研究EI北大核心CSCD

基于MTS815及SHPB装置,分别进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性试验。针对该区域的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的静态拉伸、静态单轴压缩、动态拉伸、动态压缩,以及一维动静组合拉伸加载试验。特别是,该批次试验所用岩芯均取自同一深度处(深度360 m左右)的花岗岩,所获得的对比与分析结果对于同一岩石力学特性研究更有代表性意义。测试结果显示:该花岗岩的静态拉伸强度约为11.75 MPa,单轴压缩强度约为175 MPa。单轴压缩强度约为抗拉强度的14倍。在加载率为0.34×10~6~0.51×10~6MPa/s时,其动态拉伸强度约为25~35 MPa。在应变率为80~160 s^(-1)时,其动态压缩强度测试值区间为138~208 MPa。并且随着加载率或应变率的提高,无论是动态拉伸强度特性或动态压缩强度特性均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。进一步的实施了该花岗岩的一维动静组合拉伸加载试验,发现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。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值,随后平缓减小。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载拉伸强度的3倍,抗冲击拉伸动载的1.5倍。同时,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。综上表明,该地段试验深度处的钻孔岩芯,其力学特性较为稳定,从工程建造角度而言,可作为高放废物地质处置的一个参考预选地段。但试验获取数据尚未充足,需通过不同钻孔以及不同深度处岩石的动、静力学特性试验及渗透试验、地应力测试等其它试验项目,进一步深入研究其在不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值等力学特性。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性研究

基于MTS815及SHPB装置,分别进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性试验。针对该区域的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的静态拉伸、静态单轴压缩、动态拉伸、动态压缩,以及一维动静组合拉伸加载试验。特别是,该批次试验所用岩芯均取自同一深度处(深度360 m左右)的花岗岩,所获得的对比与分析结果对于同一岩石力学特性研究更有代表性意义。测试结果显示:该花岗岩的静态拉伸强度约为11.75 MPa,单轴压缩强度约为175 MPa。单轴压缩强度约为抗拉强度的14倍。在加载率为0.34×10~6~0.51×10~6MPa/s时,其动态拉伸强度约为25~35 MPa。在应变率为80~160 s~(-1)时,其动态压缩强度测试值区间为138~208 MPa。并且随着加载率或应变率的提高,无论是动态拉伸强度特性或动态压缩强度特性均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。进一步的实施了该花岗岩的一维动静组合拉伸加载试验,发现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。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值,随后平缓减小。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载拉伸强度的3倍,抗冲击拉伸动载的1.5倍。同时,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。综上表明,该地段试验深度处的钻孔岩芯,其力学特性较为稳定,从工程建造角度而言,可作为高放废物地质处置的一个参考预选地段。但试验获取数据尚未充足,需通过不同钻孔以及不同深度处岩石的动、静力学特性试验及渗透试验、地应力测试等其它试验项目,进一步深入研究其在不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值等力学特性。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

不同赋存深度新疆天湖花岗岩的动态拉伸力学特性研究

基于SHPB装置,进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的动态拉伸力学特性试验,试验所用岩芯均取自于同一钻孔的不同深度处（深度范围为350 m~580 m）。测试结果显示:该花岗岩在加载率处于105 MPa/s这一中高等加载率下,其动态拉伸强度一般在15 MPa~35 MPa。并且随着加载率的提高,无论哪一赋存深度的花岗岩样品,其动态拉伸强度均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。此外,对该花岗岩冲击破坏后的形态进行了观测,发现其加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸加载下的劈裂破坏特征基本一致。进一步分析试验数据,认识到花岗岩样品其动态拉伸强度之所以随着深度会产生增大或者减小的现象,是因为深部岩石其自身的物理特性已经发生了变化,从而造成了岩石力学特性随之发生改变。其密度、孔隙度等均不相同,正是这些物性的差异导致了其力学特性的差别。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

一维动静组合加载下深部石英片岩破坏研究

为研究锡铁山铅锌矿深部石英片岩的力学特性,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对埋深863¹ 264m的试样进行25、30、35MPa轴压下的一维动静加载实验,和采用LS-DYNA软件模拟了25、30、35、40、45、50 MPa轴压情况下的冲击实验。研究结果表明:在冲击作用下,试样的一维动态抗压强度和破坏所需的入射能随着埋深的增加而增加,并呈现出常见的压剪破坏模式;当轴压40MPa左右,埋深1 428m的岩石动态抗压值达到最大;当轴压低于40 MPa时,轴压的增大能加强试样的抗压能力;当轴压大于40MPa时,轴压的增加反而减弱了试样的抗压能力。     

1050车轮钢组织和力学性能各向异性的研究

研究了1050车轮钢组织和力学性能的各向异性,在经热处理后的1050钢冷轧棒材上并与轧制方向成0°、30°、45°3个不同方向取标准圆棒拉伸试样,在室温条件下进行拉伸试验,在0°、15°、30°、45°4个不同方向取标准Charpy-U型冲击试样进行冲击试验,并观察断口形貌。结果表明:随着与轧制方向角度的增加,试样显微组织的均匀性逐渐变差;拉伸性能随着试样与轧制方向角度的增加而降低,其中屈服应力与抗拉强度下降比例分别为10.3%、7.4%,断口都是韧性断裂;冲击韧性随着试样与轧制方向角度的增加而降低,冲击吸收功下降的比例为27%。随着与轧制方向角度的增加,1050车轮钢的强度、塑性与韧性逐渐降低,综合力学性能降低,会导致车轮承受多向应力时失圆并出现偏轴磨损现象,加速车轮的磨损失效。     

汽车用2024-T351铝合金的动态力学行为各向异性

采用拉伸机、扫描电子显微镜(SEM)及光学显微镜(OM)等研究了汽车用2024-T351铝合金的动态力学行为各向异性与微观组织演变。结果表明,2024-T351铝合金表现出明显的各向异性且应变率对力学性能与微观组织有一定的影响。相同应变率下,0°方向上的应力最大,45°方向上的应力最小。在0°方向上,合金的抗拉强度随应变率的增加变化相对较小,而屈服强度、延伸率和断面收缩率呈现先增加后保持不变最后持续增加的趋势;在45°和90°方向上,合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率与断面收缩率均随着应变率的提高呈现先增加后保持不变最后持续增加的趋势;90°方向相比于其他两个方向有着更强的应变率敏感性。拟合得到三个方向上的Johnson-Cook本构方程,其可以很好地预测2024-T351铝合金在各个方向上的动态力学行为。所有试样断口表面均有大小不一的韧窝,且应变率越高形成的韧窝就会越大且越深。断后晶粒尺寸与方向和应变率基本无关,但晶粒纵横比受方向和应变率的影响较大。     

高应变率下砂岩的动态力学性能研究

利用直径30 mm的分离式霍普金森压杆,对不同弹速下砂岩试样进行巴西圆盘劈裂实验,研究砂岩在高应变率下的动态抗拉强度及试样的破坏模式,得到了砂岩的动态抗拉强度随着应变率的提高而增加。其中,在应变率小于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而大幅增大,在应变率高于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而平缓的增加。考虑了压杆撞击速度及试样尺寸对试样的破坏时刻、应变率的影响,通过试样表面贴应变片观测发现试样是由中心向两端发展的起裂顺序。同时,利用ANSYS-LYDYNA有限元对巴西圆盘试样的动态应力分布进行数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

运用仪器化冲击开展材料动静态加载性能联合评测

对管线钢试样分别开展准静态拉伸及以冲击拉伸与仪器化冲击为主的动态加载试验,加载水平分别达到102/s及5×105MPa.m1/2/s。动、静态同试样联合测试比对的结果显示,X80管线钢为一类典型的速率敏感材料,即随着加载速率从10-2/s增加4个数量级达到102/s,其屈服强度与抗拉强度增加约100MPa。为精确确定流变屈服应力yσd,取动态拉伸应力-应变曲线前两个波峰、谷值的算术平均值作为其指标数值。基于实测的yσd及Fgy指标,证实了Server公式由Fgy估算yσd的有效性。然而在研究的范围内,Fm与bσd不具有显著的相关性。此外,通过建立动态裂纹扩展阻力曲线J-Δa,揭示了裂纹形成与扩展的力学本质,表征出金属材料在动态加载条件下的韧性性能。     

含倾斜裂纹三点弯动态断裂试验研究

为研究冲击荷载下巷道围岩不同角度径向裂纹的破坏机制,采用落锤冲击加载平台和数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃为试验材料,设计冲击荷载下半圆孔上不同角度裂纹的三点弯动态断裂试验,记录预制裂纹的角度α的改变对裂纹动态力学行为的影响,通过分析动态应力强度因子和裂纹扩展轨迹的分形维数对实验现象进行归纳总结。研究发现:①预制裂纹角度对裂纹尖端应变能的积累和释放的快慢有较大影响,随着角度的增大,起裂时间变短,起裂更容易,裂纹尖端应变能积累的更快;②裂纹尖端应变能释放的快慢在α=45°两侧表现出不同的规律;③不同角度裂纹的Ⅰ型动态应力强度因子随时间的变化规律具有相似性,但最大值却具有差异性;④不同角度裂纹的扩展轨迹满足一定的分形规律。     

大断面隧道新浇二衬混凝土爆破振动控制安全阈值

大断面隧道新浇二衬混凝土的强度较低，在爆破施工过程中易受到破坏。为研究新浇二衬混凝土爆破振动控制标准，结合大断面龙南隧道工程，采用现场监测与数值模拟相结合的研究方法，分析不同龄期大断面隧道新浇二衬混凝土在爆破振动作用下的动力响应特征，得出新浇二衬混凝土爆破振动控制安全阈值。研究结果表明：隧道二衬拱顶z方向振动速度和拉应力大于其他部位，峰值振动速度6.66 cm/s和峰值拉应力1.57 MPa出现在拱顶，拱顶是最危险位置；不同龄期下二衬拱顶的爆破振动速度随爆心距的增大呈指数衰减趋势，随着混凝土龄期的增加而衰减，且不同方向衰减趋势有差异；基于数值模拟结果和动态抗拉强度理论，大断面龙南隧道新浇二衬混凝土爆破安全振动速度阈值为2.80 cm/s。     

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.     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

不同初始静载混凝土轴向拉伸试验研究

为研究混凝土材料的动态性能,利用MTS-810NEW液压伺服试验机对尺寸为100 mm×100 mm×510 mm棱柱体混凝土材料试样进行了初始静态荷载为0~20 k N的动态轴向拉伸试验,研究了混凝土材料经历不同初始静态荷载后的动态拉伸破坏特征、应力应变关系和动态抗拉强度。结果表明:荷载值由静态过渡到动态荷载时,混凝土材料的动弹性模量发生较大变化,且随着初始静态荷载值的增加,混凝土材料动弹性模量有增大趋势;混凝土材料动态应力应变关系曲线中,峰值应力所对应的应变值与初始静态荷载值无关;随着初始静态荷载的增加,混凝土材料动态拉伸破坏断面面积逐渐增大,且粗骨料被拉断的数目随着初始静态荷载的增加而先增加,后趋于平稳;随着初始预加静态荷载值的增加,混凝土材料的动态轴向拉伸强度先增加,然后趋于稳定。     

冲击荷载作用下非贯通节理岩体细观破坏模式研究

地应力作用下节理岩体的动态力学特性及对应力波传播规律的影响对深部地下工程的稳定性有着重要影响,采用颗粒流离散元软件(PFC2D)建立了含非贯通节理岩体的冲击作用数值模型,并通过与室内试验的对比验证了模型的有效性.通过对不同节理倾角、节理长度非贯通节理岩体的冲击压缩仿真试验,分析了岩体的变形特征、破坏模式及应力波传播规律.结果表明:随节理倾角从15°增加至75°,岩石强度呈现先减小后增大的近"V"字型变化规律,节理试件始终处于拉伸主导作用下,并在45°倾角时拉伸作用最为明显;随着节理长度的增大,岩体的初始损伤增大,动态抗压强度减小.15～25 mm"短"节理试件的贯通破坏由反翼裂纹主导,而30～35 mm"长"节理试件是在反翼裂纹和共面裂纹共同作用下断裂破坏.     

混凝土单轴动态拉伸强度随机性的统计特性分析

混凝土拉伸破坏行为是混凝土试件及结构力学行为的重要组成部分,其与加载速率密切关联。针对混凝土材料静、动态拉伸强度的随机性和离散性,探讨了骨料分布形式的影响规律。从细观角度出发,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑各相材料动态加载下力学特性的应变率效应,建立了混凝土动态力学行为研究的细观尺度力学模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对5组不同应变率下64个具有不同骨料分布形式的混凝土试件的单轴动态拉伸力学行为进行了数值试验。基于概率统计分析理论,对不同应变率下混凝土动态抗拉强度的离散性进行了统计分析,包括均值、方差及分布形式等概率统计特性。研究表明:混凝土动态抗拉强度服从双参数Weibull分布;随着应变率的增大,混凝土抗拉强度离散性逐渐减小。     

一维动静组合加载下深部石英片岩破坏研究

为研究锡铁山铅锌矿深部石英片岩的力学特性,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对埋深863~1 264m的试样进行25、30、35MPa轴压下的一维动静加载实验,和采用LS-DYNA软件模拟了25、30、35、40、45、50 MPa轴压情况下的冲击实验。研究结果表明:在冲击作用下,试样的一维动态抗压强度和破坏所需的入射能随着埋深的增加而增加,并呈现出常见的压剪破坏模式;当轴压40MPa左右,埋深1 428m的岩石动态抗压值达到最大;当轴压低于40 MPa时,轴压的增大能加强试样的抗压能力;当轴压大于40MPa时,轴压的增加反而减弱了试样的抗压能力。     

碳纤维束间的摩擦磨损特性

为了对碳纤维束的磨损程度进行定量分析以及探索碳纤维束间摩擦磨损机制,采用自制的摩擦模拟实验装置,研究了摩擦次数、加载力、摩擦角度对碳纤维束摩擦损伤的影响。通过对比摩擦前后碳纤维束的拉伸断裂强力、毛羽量和表面浆膜形态评价了其磨损程度。结果表明:随着摩擦次数、加载力的增大,碳纤维束的磨损程度逐渐加剧;当摩擦角度在90°~30°范围变化时,碳纤维束的拉伸断裂强力随着角度的减小而小幅度下降;而当摩擦角度为0°时,碳纤维束的拉伸断裂强力急剧下降。同时,结合纤维束接触理论和黏性薄膜压痕法揭示了碳纤维束摩擦损伤机制,发现有效接触面积的变化是导致碳纤维束磨损程度改变的主要因素,且纤维束间的有效接触面积随加载力的增大而增大,随摩擦角度的增大而减小。      

加载速率对FRP粘接修理铝板结构力学性能的影响

通过FRP修复金属结构在不同加载速率下的拉伸试验,研究了树脂组成和纤维布种类对加载速率效应的影响,分析了修复结构的破坏模式、载荷-位移关系、抗拉强度、弹性模量和断裂延伸率随加载速率的变化关系。同时,从树脂和复合材料的角度对不同加载速率下修复结构力学性能的变化进行了初步探讨。结果表明:低加载速率下,修复结构的抗拉强度和断裂延伸率随加载速率增加而增大,修复结构更多地表现出韧性材料的特点;当加载速率较大时,修复结构的抗拉强度和断裂延伸率变化不大且有所下降,加载速率效用也逐渐减弱。同时,修复结构的非线性区域逐渐向高载荷、低应变区域移动,表现出较为刚性的特点,弹性模量则始终变化不大。     

电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响

针对航空结构用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板结构在低电流(安培级)作用下对其冲击性能和吸能特性的影响进行研究。结果表明，电热作用使得CFRP层板的温度迅速升高，随着电流强度增加，电热作用产生的焦耳热显著增加；同时，CFRP层板的电阻率随电流强度增大而降低，呈现出温敏效应。在相同冲击能量下，随着加载电流强度增加，CFRP层板的冲击响应完全不同，临界损伤冲击应力和最大冲击应力随加载电流强度增大而减小，且下降幅度随之增大；随着加载电流强度增加，CFRP层板对冲击能量吸收显著增加。冲击损伤分析可知，在相同冲击能量下，CFRP层板的冲击损伤面积随着电流强度增加而增大，损伤程度越严重，失效机制由基体裂纹、微小分层转变为大量纤维断裂、基体破碎等，即冲击损伤模式由微弱的冲击损伤转变为可见的冲击损伤；冲击凹坑深度也随着电流强度增加而显著加深，冲击凹坑回弹率也显著降低。     

交替爆破开挖下分岔隧道中夹岩损伤特征研究

明确在左右交替爆破施工情况下分岔小净距隧道中夹岩损伤规律，将有助于更好地保障隧道现场施工及围岩稳定。采用三维有限差分软件FLAC^3D模拟了爆破荷载作用下分岔小净距隧道交替开挖过程，重点研究了中夹岩在不同开挖工况下损伤分布及演化规律，最后通过厦门海沧疏港通道分岔隧道工程项目现场声波损伤范围检测结果进行了验证。研究结果表明：爆破产生应力波在分岔口产生反射形成拉应力，使得分岔口断面损伤更严重；隧道中夹岩损伤呈不对称“V”字分布，由中夹岩内部至轮廓线损伤逐渐增大，主隧道侧中夹岩最大损伤在90°～120°范围内，匝道侧中夹岩最大损伤在90°范围内，中夹岩厚度对中夹岩损伤有较大影响，随着厚度的增加中夹岩损伤程度降低且损伤范围未贯通左右隧道；通过模拟改变不同进尺、开挖错距及开挖顺序发现，与2 m进尺相比，5 m进尺完全损伤区提高了58.5%,损伤贯通区提高了70%,错距1步较错距4步工况完全损伤区增加了1.27 m,损伤贯通范围也出现一定增加，先开挖较小断面有利于中夹岩稳定，围岩损伤对称性较好，但远离中夹岩一侧岩体损伤会出现扩大，数值模拟结果与现场实测结果基本一致。模拟结果为该...