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。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

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.     

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

 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,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。     

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。     

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。     

高应力岩石围压卸载后动力扰动的临界破坏特性

 利用改造的动静组合分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,系统研究砂岩历经三维加载–围压卸载–轴向冲击的临界破坏特性。试验结果表明：砂岩受外界冲击时的临界破坏特性受轴向静压影响明显,冲击强度随着轴向静压的增加出现先增加后减小的趋势;当无轴压和轴向静压为单轴抗压强度的20%时,应力–应变曲线为典型的I型曲线;随着轴向静压的增大,应力–应变曲线逐渐转变为II型曲线。试样破坏过程中能量变化逐渐由吸收扰动能量转变为释放弹性储能,该现象可以较好地反映岩爆发生过程中高静应力和动力扰动的相互作用机制,为深部岩爆机制的深入研究提供试验支持。另外,利用数字散斑相关计算方法对试样应力加载过程进行表面位移场监测;结果表明,常规冲击加载下,试样表现出为整体膨胀特性,当轴向静压为72 MPa时,则表现为入射端张剪性破坏和膨胀性破坏的共同作用,反映出轴向静载对试样动态破裂面断裂方式的影响。     

动静加载下煤的破坏特性及机制的试验研究

动静加载下煤的破坏特性及机制是研究动载冲击地压机制的基础问题,利用改进的霍普金森杆对该问题进行试验研究。首先,通过试验结果的回归分析发现煤在动静加载下有其不同于均质致密岩石的独特的破坏特性。然后,通过对试验结果的讨论对动静加载煤的破坏机制进行分析,发现较多裂隙的存在是导致独特破坏特性的主要原因。破坏模式以裂隙脆性扩展为主;动载的作用主要是使裂隙扩展,进而发生破坏;而静载的作用主要是改变原生裂隙的数量和裂隙尖端的蓄能。最后,基于试验结果对动静加载下煤的冲击危险性进行分析,得出动静加载下煤具有临界静载和最优动载;并将动静载荷下煤的强度作为动载抵抗指数,用来反映抵抗动载能力的强弱;将碎片的分维值作为动载冲击能量指数,用来衡量动载冲击破坏的剧烈程度。     

断续预制裂隙脆性大理岩变形破坏特性单轴压缩试验研究

 采用岩石力学伺服试验机,对断续预制裂隙脆性大理岩进行单轴压缩试验,基于全程变形曲线的试验结果,分析裂隙参数(岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目与裂隙倾角)几何分布对大理岩变形破坏特征的影响规律。研究结果表明,与完整大理岩相比,断续预制裂隙大理岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度与预制裂隙参数分布形式密切相关;但变形模量除裂隙间距48 mm(降幅24.8%)、含119°岩桥倾角(降幅23.7%)以及含60°裂隙倾角(降幅43.8%)的岩样以外,其他含2条预制裂隙岩样的变形模量降幅均为－3.8%～7.8%,差异较小。裂隙长度越长、裂隙数目越多及裂隙倾角越大,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变也越低;而岩桥倾角和裂隙间距与力学参数之间规律性不明显。岩样宏观贯通模式主要呈现出拉贯通、压贯通、剪贯通和混合贯通4种,且与预制裂隙的几何分布密切相关。完整岩样呈典型的轴向劈裂拉贯通模式。含较短裂隙长度(16 mm)及较小裂隙倾角(30°)的岩样呈现出拉贯通模式;而含较长裂隙长度(24 mm)和较大裂隙倾角(60°)的岩样呈现出拉剪混合贯通模式。裂隙间距越小以及裂隙数目越多,岩样的贯通模式趋于复杂,呈现出拉剪压混合贯通模式。     

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。     

含不同节理倾角深部巷道砂岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为探讨含不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用50 mm杆径分离式霍普金森压杆试验装置对7种不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩试件进行冲击试验,借助高速摄像仪实时捕捉裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明:砂岩的动态抗压强度、峰值应变随着节理倾角的增加呈先减小后增大的趋势;随着节理倾角的增加,节理试件的塑性降低、脆性增加,0°,15°和30°节理试件的应力–时间曲线存在明显的塑性平台段,45°,60°,75°和90°节理试件无明显的塑性平台段,45°节理试件的应力–时间曲线"应力双峰"现象显著;节理倾角控制试件的最终破坏模式以及节理和岩石基体的破坏顺序,不同倾角的充填型软弱贯通节理试件的最终破坏模式可分为劈裂拉伸破坏、剪切–拉剪复合型破坏、剪切破坏;随着节理倾角的增加,破坏顺序逐渐由充填型软弱节理先破坏演变为岩石基体先破坏。     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

注浆裂隙砂质泥岩力学特性和破坏模式研究

为研究含注浆裂隙砂质泥岩试件的力学特性和破坏模式,对类岩石材料制作的裂隙试件进行试验.结果 表明:①注浆试件应力-应变曲线峰后"台阶式"下跌现象不及开放型裂隙试件明显,且已不存在水平延伸式缓慢下跌的现象.②注浆的峰值强度、弹性模量峰值应变最高增长率分别达到36.76％、11.41％、12.71％.③裂隙倾角,裂隙数量越...     

3D打印裂隙岩体动态力学性能及能量耗散规律初探

地下岩体结构经常遭受到地震、爆炸、冲击振动等产生的动力扰动,利用3D打印技术的优势研究冲击荷载下岩体动态力学性能对实现3D打印技术在工程领域的应用具有重要意义。采用φ50 mm的变截面霍普金森压杆(SHPB)装置,对含预制裂隙的3D打印岩体试样进行动态单轴压缩试验。研究结果表明：试样的动态抗压强度随着预制裂隙倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势,当预制裂隙倾角为30°时试样强度最小,当预制裂隙倾角为90°时试样强度最大。与3D打印岩体试样的静态单轴压缩强度对比发现,3D打印砂性材料具有明显的率效应,当应变率为139.65 s^-1时,3D打印岩体试样的动态抗压强度是静态抗压强度的4.34倍。预制裂隙缺陷在一定程度上加剧了试样的能量耗散和破碎过程,并且30°倾角预制裂隙对试样能量耗散和破碎结果的影响程度最大。同时,3D打印岩体试样的能量耗散过程与破碎块度表现出明显的自相关性,所用的3D打印砂性材料的宏观破碎结果与能量耗散之间的关系与天然岩石材料有一定相似性,为今后3D打印材料模拟天然岩体应用于动态力学试验的可行性奠定了基础。     

冲击荷载下复合岩体动力响应力学特性及本构模型研究

为研究工程中冲击作用下不同复合岩体的动力响应差异,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统和数字图像相关系统(DIC),对煤–岩和岩–煤2种复合岩体进行不同应变率下的动态冲击试验,对比动力冲击后2种复合岩体的应力波传播特征、动态强度、能量耗散、破碎分形特征以及破坏模式。并建立考虑复合煤–岩特性的本构模型。试验和理论分析结果表明：在相同应变率条件下,2种复合岩体的入射能基本一致,由于应力波传播过程中冲击杆与岩–煤的波阻抗匹配优于煤–岩体,在应变率较小时岩–煤体的动态强度、耗散能明显大于煤–岩体,随着应变率的增加二者差别逐渐减小;复合岩体耗散能越大其破碎块度分形维数越大,表现出明显的线性相关;不同复合岩体在冲击作用下的破坏主要集中在煤体侧,且以劈裂破坏为主,受界面效应的影响,煤体侧裂纹会发育至岩体侧,从而发生贯通破坏。基于元件组合建立考虑应变率效应和损伤演化的本构模型,其结果与试验结果吻合较好,验证了构建模型的正确性。     

三维动静组合加载含水煤样强度特征试验研究

为探讨含水煤样动静组合加载下的力学特征,利用改进split Hopkinson pressure bar(SHPB)和RMT–150试验系统对自然和饱水7 d煤样进行了三维动静组合加载、三维静载对比试验。结果表明:三维静载试验中,自然煤样峰值强度变化幅度为10.49%,饱水7 d煤样峰值强度变化幅度为59.98%,饱水强度软化系数为0.81;三维动静组合加载试验中,轴压强度低于单轴静载煤样强度的55%时,饱水7 d煤样的动态强度高于自然煤样动态强度,饱水7 d煤样比自然煤样动态强度分别提高了7.85%~18.44%(围压4 MPa)和8.71%~19.84%(围压8 MPa);不同围压相同轴压试验中,自然和饱水7 d煤样的动态强度随着围压增大均呈增大趋势,饱水7 d煤样动态强度增加幅度比自然煤样动态强度增加幅度大,表明饱水煤样对围压变化的响应较强。揭示饱水对煤样的强度影响较显著,但应变率起到控制作用,中或高应变率条件下裂隙水与裂隙耦合形成较大刚度,三维动静组合加载饱水煤样动态强度呈增高特征。     

天然裂隙性流纹岩三轴力学特性试验研究

 作为隧道裂隙性围岩开挖扰动滞后性破坏特性研究的基础,对含天然微裂隙的流纹岩进行三轴加卸围压试验和单轴预加载后再进行常规三轴压缩试验,在得到2种应力路径和不同裂隙发育流纹岩试样破裂特征和应力–应变曲线基础上,对流纹岩三轴试验下的破裂特征和力学参数进行分析,分析结果表明：(1) 天然裂隙性流纹岩表现出强烈的脆性特征,没有明显的屈服阶段;(2) 2种应力路径下,裂隙初始发育特征及优势方向对流纹岩力学性能影响表现为：初始优势发育方向近垂直于最大主应力方向的裂隙不易扩展贯通,试样的力学性能较好;(3) 初始优势发育方向与最大主应力方向夹角较小,并且初始连通或相互交叉搭接呈树枝状的裂隙极易贯通形成宏观拉裂面,显著削弱试样的力学性能;(4) 常规三轴压缩作用下,裂隙初始优势角为46°时,流纹岩的力学性能最差;(5) 单轴预加载使试样内部横向微裂隙闭合,再进行常规三轴压缩时,其强度、弹性模量和变形模量都增大,泊松比基本不变,而脆性特征更加明显。     

含气页岩破坏模式及力学特性的试验研究

采用MTS815试验机对取自北美Barnett,Haynesville,Eagle Ford和中国南方下志留统龙马溪组含气页岩进行三轴压缩试验,获得不同应力条件下含气页岩的破坏模式和力学行为,并对比分析中美含气页岩力学特性上的差异。破坏模式上,低围压测试时含气页岩破坏模式以劈裂式、双剪切破坏为主,高围压测试时以单剪切破坏为主。页岩种类、天然埋深、取芯角度和测试围压与其力学特性关系明显;矿物组成中脆性矿物含量越高,脆性特征越显著,碎裂越完全。页岩极限承载力与围压大小关系显著,围压增加,极限承载力升高,弹性模量总体趋势为缓慢增加,围压超过30 MPa后弹性模量迅速增加,页岩的峰值强度与围压大致呈线性关系。Barnett页岩的强度高于Haynesville页岩,低于Eagle Ford页岩;中国南方页岩与北美页岩相比强度和弹性模量更高,泊松比更低,脆性特征大致相当。