早龄期混凝土动态力学性能实验研究

采用75 mm 的SHPB 实验装置对5种不同龄期的C20和C40混凝土分别进行单次和重复冲击实验,从养护龄期和应变率两方面系统研究了冲击荷载作用下早龄期混凝土的力学性能。单次冲击实验结果表明:相同应变率条件下混凝土的动态抗压强度与龄期呈对数关系,峰值应变随应变率的增加而增大;每一龄期的单轴抗压强度与应变率为幂函数关系,峰值应变则随冲击龄期的增加而减小。重复冲击实验结果表明:龄期小于3 d 的混凝土试件受到冲击作用,达到标准养护龄期后其变形能力有所减弱,龄期超过5 d后,早期冲击作用则使其变形能力增强;当首次冲击的应变率超过25s-1,达到标准养护龄期后混凝土的动态抗压强度随早期冲击应变率的增加而减小,龄期越大,降低幅度越大。结合C20和C40混凝土实验结果分析认为,混凝土强度等级越低,其力学性能受应变率和冲击龄期的影响越大。     

不同长径比石灰岩动态压缩SHPB试验研究

为了研究不同长径比石灰岩应力-应变曲线、动态单轴抗压强度、动态弹性模量、峰值应变随应变率增大的变化规律,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对2组不同长径比石灰岩试样,进行7种不同应变率等级下的冲击加载试验。结果表明:随着应变率的增大,应力-应变曲线在峰值点后表现出不同的变化规律,呈现明显的率相关性;2组试样动态单轴抗压强度均随应变率的增大呈幂指增大,且长径比为1.0的试样强度的应变率敏感性强于长径比为0.5的试样,有明显的尺寸效应;动态弹性模量和峰值应变均随应变率的增大而增大,相同应变率下,长径比为1.0的试样动态弹性模量大于长径比为0.5的试样;试样的动态压缩破坏形态在相同应变率下,长径比为0.5的试样破坏程度比长径比为1.0的大,应变率较低时呈轴向劈裂破坏,应变率较高时呈颗粒状粉碎破坏。     

孔隙水压对高强混凝土抗压性能影响的试验研究

为模拟深部井筒不同工作环境下高强混凝土力学性能,将高强混凝土试件浸没入不同高压(1、2、3、4 MPa)水体中48 h,以形成孔隙水压,并在TAW-3000试验机上进行单轴抗压试验,对孔隙水压作用后高强混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变、体应变等指标的变化及其破坏形态进行了研究分析,并与未经水压作用的高强混凝土进行对比。研究结果表明,经孔隙水压作用后的高强混凝土应力-应变曲线和应力-体应变曲线的弹性极限提高了约10%。孔隙水压每提高1 MPa,高强混凝土的抗压强度损失率平均为2.93%、弹性模量损失率平均为2.96%。高强混凝土的开裂速度加快,脆性破坏特征更明显,且随着孔隙水压的增加,混凝土的抗压强度和弹性模量都表现出降低的趋势。     

基于深地复杂应力条件下混凝土冲击倾向性试验

针对深地复杂应力条件下,混凝土发生了类似岩爆的瞬时破坏现象。对不同强度等级的混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和声发射参数进行试验研究,提出以脆性系数、 动态破坏时间、冲击能量指数作为评价混凝土冲击倾向性指标。结果表明:脆性系数小于20、动态破坏时间大于500 ms、冲击能量指数小于1.5的混凝土无冲击倾向性,C50强度等级以下的混凝土无冲击倾向性,强度越高冲击倾向性越强;对高强混凝土进行声发射监测,声发射能量随混凝土强度增加而增大,临近峰值应力时,声发射参数会剧增,可据此监测高强混凝土的冲击破坏;活性粉末混凝土显著提高了动态破坏时间,降低了脆性系数和冲击能量指数,是一种无冲击倾向性的材料,对深地复杂应力条件下混凝土的冲击破坏有明显改善。     

不同负温和含水率模拟月壤SHPB试验与分析

为了解月球永久阴影区月壤的动态力学性能,以玄武质模拟月壤进行动态冲击试验,研究不同负温、不同含水率及不同应变率加载下模拟月壤的动态应力-应变曲线特性、动态抗压强度和破坏特征,分析动态抗压强度、动弹性模量与模拟月壤负温、含水率、应变率的关系。试验结果表明:动态抗压强度与应变率呈正相关关系;破坏形态类型主要为锥形剪切破坏和颗粒状粉碎破坏;破碎块度分布具有良好的分形特征。研究结果能为未来月球资源研究提供参考。     

CF80高强钢纤维井壁混凝土力学特性研究

为了改善高强井壁混凝土的脆性特征,配制出了CF80高强钢纤维井壁混凝土,并对其基本力学性能和三轴抗压强度进行了试验研究。试验结果表明:在混凝土中加入20～40 kg/m3钢纤维,抗拉强度值可提高47.0%～68.3%,明显地改善高强混凝土的脆性特征;钢纤维掺量的改变对高强混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度影响不大,对弹性模量和泊松比几乎没有影响;三轴抗压试验表明,钢纤维的加入能够提高试件破坏的峰值应变和残余强度,显著改善试件的破坏形态。因此,高强钢纤维混凝土能够满足深井高强井壁对混凝土高性能特性需求。     

负温下白垩系岩石的物理力学性能试验研究

 摘要：通过对常温（20℃）和负温（5℃~-15℃）下内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层的物理力学性能试验,获得了不同负温条件下岩石的单轴抗压强度、弹性模量、应力-应变关系曲线等力学性能,分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系,为内蒙鄂尔多斯地区白垩系地层的冻结法施工和井壁结构设计提供参考数据。     

不同应变率下岩石破裂与声发射响应特征研究

为揭示冲击倾向性砂岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,基于MTS岩石力学试验系统与PAC声发射信号采集系统,试验研究了不同单轴应变率作用下岩石损伤演化与声发射参量响应特征。研究表明,随着加载应变率增加,岩样极限强度明显提升,峰值强度对应应变值整体降低,达到峰值强度所需时间随应变率呈幂函数减少。应变率与AE累计撞击数、事件数、振铃数之间具有显著的负幂函数关系;相反,应变率越高,微裂隙在发育、扩展过程中所释放的AE平均能量越高。     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。     

弱胶结砂岩在冲击荷载下的动力学性能研究

为研究粉砂岩在冲击荷载下的动力学性能，选取内蒙古东胜煤田红庆河煤矿副井-680 m 处的弱胶结 粉砂岩，运用 Hopkinson杆测试技术进行不同冲击能量下的冲击荷载实验。通过实验数据分析，得出结论如下：选取 的弱胶结砂岩为侏罗系延安组粉砂岩，强度较低，均值为 39.08 MPa。遇水易崩解，且极易风化，内部颗粒较细、多为 泥质胶结。弱胶结砂岩冲击荷载条件下的峰值强度均较单轴抗压强度下的峰值强度有大幅度提高，提高值为单轴 抗压强度的 1.14 倍。但相比于中部地区砂岩，其动、静强度较低，动载强度提高值有限，达不到中部砂岩静载强度。 冲击荷载越大，应变率越高，峰值强度越大。应变率与峰值强度间存在良好的指数增长或线性增长关系。其应力— 应变曲线按照应力的增速大致分为 3个阶段：应力骤升阶段、应力—应变平缓上升阶段、应力陡然下降阶段。     

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

人工冻黏土单轴无侧限抗压强度试验研究

对祁南矿井3个不同层位的原状冻土样及同含水率下的重塑冻土样进行单轴无侧限抗压强度试验。试验分析表明:原状冻土试样破坏时均发生沿斜向下45°～55°方向的剪切破坏,而重塑冻土试样破坏时表面产生网状裂纹,呈塑性破坏;试验过程中原状冻土和重塑冻土试样的应力-应变曲线均呈现出软化现象,采用改进后的软化模型能够较好拟合试验曲线的发展趋势;同一土样在相同含水率下,负温对重塑土抗压强度的影响程度大于原状土,且负温越大,影响程度越大,当负温达到一定值后,重塑冻土的抗压强度接近原状冻土的抗压强度;试验建立了以温度为变量的指数函数强度模型以及幂函数峰值强度比模型。     

冲击荷载作用下速凝剂对喷射混凝土破坏强度研究

为研究喷射混凝土的动态力学性能,采用74 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对掺入占胶凝材料0%、2%、4%、6%速凝剂的喷射混凝土进行不同养护龄期RMT静态力学试验和冲击试验。对比分析表明:静压条件下,喷射混凝土随着龄期的增加,强度显著增大,喷射混凝土早期强度随速凝剂掺量增加而增大,中后期强度与之相反;冲击荷载作用下,喷射混凝土动态强度增长规律与静态强度相似,但动态强度是静态强度的1.1～1.4倍,结合试件破坏状态与动态应变发现早期喷射混凝土,表现出黏弹性,养护7 d以后表现出脆性材料的性质;当速凝剂掺量为胶凝材料2%时,喷射混凝土总体性能最好。     

砂岩Holmquist-Johnson-Cook模型参数确定

HJC模型在混凝土动态破坏数值模拟中应用广泛,但由于模型中包含参数较多,确定参数需要大量实验,目前缺乏准确可信的岩石材料HJC模型参数。为合理确定砂岩HJC模型参数,对取自四川威远的粉砂岩进行相关静力学实验,获得岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。应用三轴压缩实验和单轴SHPB冲击实验,分别得到了该砂岩极限面参数、率效应参数、压力参数和损伤模型参数的取值。基于上述模型参数利用有限元程序LS-DYNA对粉砂岩SHPB冲击实验进行数值模拟,结果表明,实验和模拟的应力-应变曲线形态吻合较好,模拟得到的动态峰值强度和峰值应变与实验结果的平均误差均未超过10%,验证了该HJC模型参数实验测定方法的合理性和有效性。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

原状与重塑冻结黏土单轴抗压对比试验

以某矿区地下不同深度的黏土为研究对象,采用冻土的单轴压缩试验,在3种温度下对原状与重塑人工冻土进行压缩指标及破坏特征的测定,并分析了因不同温度及不同深度下压缩特征的变化规律。结果表明:原状冻黏土在-5℃时呈现腰鼓状的塑性破坏,-10℃与-15℃下则为脆性破坏,重塑冻黏土在-5℃与-10℃下呈现塑性破坏,-15℃下则为脆性破坏;冻土的抗压强度随温度降低而增强,抗压强度与温度的关系可用指数函数来进行拟合,3种温度中-10℃情况下的峰值应变最大;温度越低弹性模量越大,弹性模量与温度的关系呈线性关系,相比于重塑冻黏土,温度对原状冻黏土弹性模量的影响更大;温度越低,深度对抗压强度比值的影响越小,重塑冻黏土的抗压强度越接近原状冻黏土的抗压强度。     

稀硫酸浸矿过程氧化铜矿岩力学特性演化规律

为了研究稀硫酸浸矿过程中氧化铜矿岩力学特性演化规律,通过不同浸矿时间下氧化铜矿岩单轴压缩试验,对矿岩单轴压缩破坏下应力-应变曲线、应力特征值和弹性模量等参数的变化规律进行了分析。研究结果表明:随浸矿时间逐渐增加,矿样孔隙闭合点的应力逐渐减小,应变逐渐增大,并且弹性变形阶段应变量显著减小,屈服变形阶段应变量增加,岩石达到峰值强度所需应变量增加;在化学浸矿初期即浸矿时间0～20h,矿样单轴抗压强度降低趋势最为显著,在浸矿80h后单轴抗压强度降低速率逐渐减小;矿岩单轴抗压强度和弹性模量均与浸矿时间呈多项式相关。     

单轴冲击下填充泥体花岗岩力学特性试验

基于SHPB装置加载进行了花岗岩试样中空或含泥的单轴冲击试验,通过分析在近同应变率下不同内孔径,填充不同含水率泥浆花岗岩的强度变化和动态力学性能,来研究花岗岩夹泥状态下抗冲击荷载能力变化规律、受力特性.采用霍普金森杆装置进行花岗岩试件动态冲击试验,结果表明:花岗岩峰值应力随内孔径的增大而减小,开口孔径和峰值应力呈负相关关系,孔径越小,初始动态弹性模量越大,应力应变曲线切线斜率大;泥浆含水率越大,峰值应力越大,且会逐渐出现曲线峰后塑性现象.