高长径比锚固树脂动力特性实验研究

锚杆、锚索的锚固树脂易受岩层断裂引起的冲击载荷影响,研究锚固树脂的动力学特性对提高锚杆、锚索的抗冲击性能具有重要的指导意义。为进行分离式霍普金森压杆实验,首先采用弹性波检测仪测定了分离式霍普金森压杆装置的入射杆(透射杆)、锚固树脂的波速;然后理论分析了锚固树脂在入射杆、透射杆的夹持下的波动特征,得到了基于入射杆、透射杆动态信号的锚固树脂两端动态应力计算式,最后利用分离式霍普金森压杆装置进行了不同长度的锚固树脂试样的动力加载实验。结果表明:长度大于100 mm的锚固树脂具有波动衰减特性、应力不均匀性和破坏模式长度效应;试样长度越长,侧向自由面的反射越强,在有轴向压力情况下的压曲、拉断效应越明显,且其受损破坏强度越低。     

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。     

冲击荷载下节理数对类岩石动力学特性的影响

用水泥砂浆材料模拟岩样并人工形成节理裂隙,以研究冲击荷载作用下节理数目对层状岩石动态力学特性的影响。借助分离式霍普金森压杆装置,研究完整岩石和含1~3条节理试件在相似冲击速度下的能量传递规律、强度特征及破坏形态。试验结果表明,相同入射能条件下,随着节理数从1条增加到3条,试件中的反射波形由近似的"V"形变成"U"形,透射波的幅值则逐步衰减;试件整体随着节理面的增多破坏更加严重,呈多块状;节理岩石动态承载力与节理组数呈负相关性。研究结果为地下工程多节理裂隙软岩的动力特性分析及不稳定围岩的开挖支护研究提供参考。     

温度损伤大理岩不同含水条件下的动态压缩特性研究

深部岩石工程围岩处于三高一扰动的复杂地质环境,岩石的力学性质表现出与浅部岩石不同的特征。因此研究温度损伤后岩石在不同含水条件下动态压缩特性在岩石工程中具有重要意义。研究选取均质的细颗粒房山大理岩,利用自主研发的50 mm直径的分离式霍普金森杆压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系统,进行4种温度(25℃,105℃,450℃,700℃)损伤梯度下,干燥和饱水2种状态的单轴动态压缩加载试验;研究小孔隙率岩石温–水作用下的动态压缩特性。研究结果表明:随着温度的增加,大理岩的纵波波速均呈先上升后下降趋势,超过450℃时下降幅度明显;在试验所得加载率范围内,每级温度载荷下大理岩的动态压缩强度均有明显的率相关性,且和室温相比其他温度下岩石动态强度随着加载率的增加更加明显;当加载率一定时,温度损伤后干燥状态的岩石动态抗压强度随着温度的升高呈现明显的下降趋势,饱水状态的岩石呈现同样的变化趋势。经过105℃处理的损伤岩石,饱水和干燥状态下动态压缩强度近乎一致,而在450℃条件下,饱和岩石的动态压缩强度比干燥条件岩石的动态强度有所增加,压缩强度存在饱水强化现象,在700℃条件下,损伤岩石的饱水强化现象更加明显,并在高加载率下(加载率大于1500GPa/s),随着加载率的增加饱水大理岩动态强度增加较干燥大理岩更快。     

不同加载率下水饱和砂岩的力学特性研究

为揭示水和加载率对岩石力学性质的共同作用效应,利用分离式霍普金森压杆试验系统对干燥和饱水砂岩进行一系列动态压缩、劈裂及断裂试验。试验结果表明,在静态加载条件下,岩石饱水后其强度和断裂韧度均会发生不同程度的降低;在动态加载条件下,岩石的强度和断裂韧度随着加载率的增加而升高,且相较于干燥试样,饱和岩石表现出更高的率相关性。在较高加载率下,岩石内部的自由水可产生惯性效应、弯液面效应以及黏性作用,阻碍裂纹的产生和扩张。特别地,当加载率超过1 290 GPa/s后,饱和试样的压缩强度甚至可以超过干燥试样。     

冲击荷载作用下砂岩动态力学性能与耗能规律

采用直径为Ф50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对砂岩进行动态冲击试验,研究砂岩在不同冲击荷载作用下的动态力学响应及耗能规律。结果表明:应力-应变曲线峰值随冲击荷载增加而渐进性增大,且出现“滞后”现象;岩石材料的破碎特征有明显的率相关性,随着平均应变率的增大,单位体积吸收能越高,岩石碎块的大块占比越小,砂岩的试样的破碎程度越大。     

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。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

不同排水条件下砂岩应力渗流耦合试验研究

应力渗流耦合是岩石力学基本问题之一。以砂岩为研究对象进行不同排水条件下(排水和不排水)的三轴压缩试验研究。结果表明:围压对岩石有强化约束作用,岩石的弹性模量、峰值强度、启裂应力及扩容应力随围压增加而增大;在排水条件下,孔压一定程度上减弱了围压作用,弱化岩石的力学特性,且对黏聚力影响比对内摩擦角更加敏感;对于不排水条件,孔压变化峰值应力出现在扩容应力附近,是岩石内部裂纹开启的反映;同一初始孔压下围压越高相应孔压变化值越大,围压相同时初始孔压越大,其孔隙水压力变化越显著;同一围压下,不排水条件试验的岩石峰值强度、闭合应力、启裂应力和扩容应力一般低于排水条件下各项指标值。     

岩石的高温动态统计损伤本构模型研究

结合连续强度理论和随机统计分布假设,在常温统计损伤演化方程的基础之上引入温度影响因素,推导了大理岩的高温统计损伤演化方程;采用组合建模的方法,以损伤力学为基础,将统计损伤体引入到粘弹性本构模型中,构建了能够反映温度影响效应的大理岩高温动态统计损伤本构模型。利用带高温装置的分离式霍普金森压杆试验系统进行了大理岩在不同高温与不同加载速率共同作用下的动态力学试验,基于试验结果,确定大理岩高温动态统计损伤本构模型的参数,并对理论模型进行验证,拟合程度较好,可为岩石类脆性材料动态本构关系的进一步研究和工程应用提供参考依据。     

加载和卸围压条件下岩石力学特性的对比研究

为了研究岩石在加载和卸围压试验条件下的岩石力学特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机,通过三轴加载和固定轴向应变卸围压的试验方法对辉绿岩进行了试验研究,分析了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学特性.并引入由Hoek-Brown屈服准则定义的主应力包络线切线,计算岩石峰值强度和残余强度时的粘聚力c和内摩擦角φ,获得了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学参数的变化特征.结果表明:在卸围压试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂膨胀特性,但由于在卸围压条件下应变能的释放,岩石力学特性受围压的影响表现得更为突出.通过对加载和卸围压试验条件下的岩石力学参数进行比较分析,得到了岩石力学参数c、φ随围压的变化的规律.研究成果可为地下工程开挖过程中围岩受力变形特性研究提供参考.     

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

 在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40 ℃～80 ℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明：在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s－1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

花岗岩材料在动态压应力作用下力学特性的实验和模型研究

 博士学位论文摘要　岩石材料动态力学特性是评价岩石结构在爆炸以及地震载荷作用下稳定性的重要参数, 是国防和民用防护工程研究的基本资料, 具有重要的学术价值和应用价值。对花岗岩材料在动态压应力(单轴和三轴) 作用下的力学特性进行了较系统的实验和理论研究。首先通过实验研究了花岗岩材料的动态断裂特性以及在单轴和三轴动态压应力作用下的强度以及变形特性。结果表明, 花岗岩的动态断裂韧度随加载速率的增加以及加载时间的减小而增加。在单轴情况下, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化很小。在三轴情况下, 花岗岩的抗压强度也随应变速率的增加而增加, 强度的增加幅度随围压的增加有减小的趋势, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化不大; 花岗岩的杭压强度随围压的增加明显增加, 在不同的应变速率下具有相同的趋势, 花岗岩的杨氏模量以及泊松比随围压的增加有小幅度的增加趋势。在实验研究的基础上, 应用滑移型裂纹模型对花岗岩材料在压缩应力作用下的力学特性进行了理论研究。在单轴情况下, 采用一组与轴向应力平行的滑移型裂纹系列模拟岩石材料的劈裂破坏模式同时考虑裂纹间的相互作用。根据裂纹的动态扩展准则以及能量平衡理论, 得到了不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系, 这些理论结果与实验结果符合得非常好。本部分的研究还表明, 在动载荷作用下, 裂纹的扩展速率以及岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性导致岩石材料的单轴抗压强度随应变速率的增加而增加。当应变速率为10- 4～ 100S- 1范围时, 裂纹的扩展速率对岩石材料的破坏影响可以忽略, 岩石材料的抗压强度随应变速率的增加仅仅由于岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性造成。在三轴情况下, 用一组与轴向应力成一定夹角的滑移裂纹系列模拟岩石材料的剪切破坏模式, 并根据虚拟力方法得到了该裂纹系列的应力强度因子表达式。根据动态裂纹扩展准则以及能量平衡理论, 也得到了不同围压以及不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度以及应力应变关系随应变速率的变化规律与实验结果符合得比较好。模型结果还表明, 由模型得到的强度以及应力应变曲线随围压的变化规律在较低围压时(小于110M Pa) 与实验结果符合得比较好。本项研究在实验研究的基础上, 创新性地从研究岩石内部固有的微裂纹在动载荷作用下的扩展聚合特性入手, 结合细观力学以及动态断裂力学的相关理论, 揭示了花岗岩的率相关特性机理, 初步建立了岩石材料宏观动态力学特性与岩石内部固有的裂纹动态扩展特性的关系以及岩石材料强度与应变速率的关系和率相关的岩石材料本构模型, 构筑了系统研究岩石材料率相关特性的基本框架。     

基于拉格朗日分析方法的冲击作用下砂浆层裂特性试验研究

对混凝土材料的动态力学特性,主要研究其应力波及应变率效应。分离式霍普金森压杆装置(SHPB)是研究冲击作用下混凝土力学特性的主要试验技术手段之一。基于SHPB装置,主要研究了冲击作用下砂浆的动态本构关系。以往的研究主要针对砂浆材料的应变率效应,通过连续介质守恒方程和试件实测应变波来求解方程,从而得到冲击荷载下砂浆的动态本构关系,与此同时还研究了砂浆材料两种加载模量的计算方法,并对两个计算结果进行了比较分析。     

基于SHPB试验的岩石动态力学响应分析

采用分离式霍普金森压杆试验系统对砂岩进行冲击压缩试验,得到了砂岩的动态冲击压缩应力-应变曲线,研究了砂岩在冲击荷载作用下的动态力学响应,分析了砂岩的动态抗压强度、峰值应变及冲击破碎后的粒径分布等随应变率的变化规律。试验结果表明:在冲击荷载作用下,应变率对砂岩的力学行为有很大的影响,随着应变率的升高,砂岩的动态抗压强度及峰值应变均有较大程度的提高,表现出明显的应变率效应;砂岩破坏后的粒径分布呈现渐进性变化,大体分为三种类型,对岩石试件破坏后的粒径和块度分布进行研究能很好的表征试件破坏后的状况。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

围压条件下岩石循环冲击损伤的能量特性研究

在不同围压等级和冲击荷载循环作用下,利用带围压装置的霍普金森压杆设备,对斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩的动态力学性能进行试验研究,得到不同循环作用次数下岩样的应力-应变曲线.通过理论分析建立岩石损伤度的判定标准,并定义累积比能量吸收参量来表征围压条件下岩样冲击损伤的能量特性.3种岩石损伤度与围压和累积比能量吸收值的关系研究表明:累积比能量吸收参量能很好的描述围压条件下岩样的冲击损伤程度,岩石循环冲击损伤演化过程存在围压效应,当围压逐渐增大时,岩石损伤度的增加随累积比能量吸收值增加的趋势变缓,其抗冲击损伤的能力增强,即围压越高,试件达到相同损伤度所需要耗散的能量越多.得出围压条件下岩石损伤度与累积比能量吸收值的关系式.随着围压的增加,砂岩达到损伤阈值时的累积比能量吸收值增长率最大,斜长角闪岩次之,绢云母石英片岩最小.     

基于SHPB实验对橡胶材料研究力学性能的方法

主要研究分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术。通过不同应变率下的冲击压缩实验求弹性模量和吸能系数的方法.