冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

水温循环条件下千枚岩动态力学特性研究

对0°层理倾角千枚岩分别在温度循环自然降温、温度循环冷水降温、干湿循环3种水温劣化条件下开展1、3、5、8、11次劣化处理,而后采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验系统开展水温循环条件下千枚岩动力学特性研究。结果表明：温度循环作用将有效缩短千枚岩应力-应变曲线的屈服阶段,干湿循环条件下千枚岩屈服阶段则较为明显,水温耦合作用后延性增强;千枚岩动态峰值抗压强度随着水温循环次数的增加不断减小,服从负指数分布规律;温度循环冷水降温、干湿循环水温耦合作用下千枚岩峰值抗压强度降幅大于温度循环自然降温作用下的抗压强度;千枚岩耗散能比随着水温循环次数的增加均呈动态增长的规律,因此水温循环对千枚岩耗散能比增幅具有放大效应;水温循环次数较少时,千枚岩发生贯穿层理面的压致张裂破坏;随着水温循环次数的增加,千枚岩破坏碎块数逐渐增多,碎块尺寸逐渐减小,分形维数不断增加,破坏模式也逐渐转为张剪破坏的复合破坏模式;水温耦合作用下,千枚岩更易产生多碎块破裂,碎块平均尺寸总体上更低。     

循环冲击载荷作用下岩石的力学特性分析

随着工程规模的不断扩大,深部岩体工程项目越来越多,深部岩体的开挖以爆破法为主。在岩体爆破开挖过程中,多数围岩在一定静载条件下承受循环冲击荷载作用。相关学者以SHPB系统为平台,以砂岩等作为分析研究对象,利用动静加载组合加载装置,开展常规冲击试验和循环冲击试验,分析总结砂岩在循环冲击载荷作用下的动态力学特性与破坏特征,分析岩石在循环冲击载荷下的损伤演化规律。     

砂岩冲击压缩和卸载力学特性

<正> 核爆炸、高能炸药爆炸时,爆心附近的压力可达数千吉帕(GPa),温度可达摄氏数千度,使邻近岩石汽化或液化,形成弹坑和洞穴。离爆心稍远的地方,岩石仍处于大变形的塑性状态,使岩体结构和地下构筑的各种设施受到不同程度的破坏。当对爆炸引起的地冲击效应进行数值计算或预言时,都需要确切地了解地壳岩石从高压到低压的力学特性。通常,将反映岩石在高温、高压下气体和流体状态的各力学参数之间的关系式称为状态方程,而将在弹塑性波作用下的固态力学性质称为本构关系。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

单轴压缩条件下层状砂岩各向异性力学特征

层状岩体力学性质具有明显的各向异性特征,直接涉及工程设计论证和安全性等。文章通过单轴压缩试验获取了成都地区层状砂岩力学性质随层面倾角变化的规律,结果表明:岩体强度随倾角α的增加先减小后增大,整体近似呈"U"型变化的规律,并在45°左右达到最小值;弹性模量随着倾角α的增加呈现先减小后增加,在倾角α为30～40°段内出现最小值,90°时最大;泊松比随着倾角α的增加而增加,在0～30°增加较缓,30～90°增加较快。通过对岩体物理力学性质与α的拟合,获取了准确度较高的计算公式,为相关工程的设计论证和安全评价等提供了可靠依据。     

强冲击载荷下岩石的力学性质

利用一级压缩空气炮进行高速平面撞击实验，分别测量了砂岩、花岗岩和石灰岩试件组成的靶板中的应力脉冲波形。利用改进的拉格朗日分析方法对应力－距离－时间的实验数据进行分析处理，得到岩石的动态本构关系，了解了岩石在强冲击载荷下的某些力学性质和变形特征     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

循环载荷作用下混凝土的压缩特性研究

在MTS815电液伺服岩石试验系统上对40个混凝土圆柱形试件进行了循环荷载作用下的单轴压缩试验.研究了初始荷载、循环频率、循环增幅对混凝土力学行为的影响.结果表明,在初始荷载和循环增幅不变的情况下,循环频率对混凝土强度影响不大.在初始荷载和循环频率不变的情况下,随着循环增幅增加,试件强度减小.在循环频率和循环增幅不变的情况下,随着初始荷载的增加,混凝土强度趋于减小.不可恢复变形随着初始荷载、循环增幅和循环次数的增加而增大,随着循环频率的增加而减小.     

冲击载荷下新型炮眼堵塞器的力学特征研究

针对煤矿井下炮眼堵塞大量采用粘土炮泥存在运输量大、装填费时以及劳动强度大等问题,开发研制出一套堵塞密实、装填快捷、运输方便的新型炮眼堵塞器。利用电液伺服试验机和改进SHPB试验系统分别对堵塞器和粘土炮泥进行静载、冲击试验,检验其堵塞效果。结果表明:堵塞器和粘土炮泥在静载条件下的峰值荷载分别为18.8 kN、4.3 kN,与粘土炮泥相比,堵塞器提高了340%;在相同冲击入射能条件下,采用堵塞器比粘土炮泥压缩变形量减小22%～66%,在孔内运动时间延长14%～63%。研究结果表明,该堵塞器能够实现多级压紧缓冲胀裂,改善炮眼堵塞效果,为炮孔爆破堵塞提供了一种新方法。     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

花岗岩动态压缩力学特性研究

由于岩石材料动态破坏的复杂性,理论分析和实验研究都还很不充分,岩石的动力特性越来越受到重视。本文采用霍普金森压杆对花岗岩圆柱试样进行了动态压缩试验,建立了加载速率与花岗岩冲击破坏时的弹性应变能、结构破坏能及岩石破坏形态之间的关系。试验结果表明:甘肃地区弹模在17~21 GPa的花岗岩在瞬时加载条件下,强度随着加载速率的增加而提高;动态压缩强度平均强度为240 MPa,动态模量为31.5 GPa;应变率的变化范围在81~210 s^-1,动态压缩强度随着应变率的增加有明显增大的趋势;当冲击速度增加时,岩石破坏后释放的能量显著增长,应变率越大,岩石破碎块越小。该试验结果能够评价动态荷载作用下花岗岩的强度参数,为类似区域的工程设计与施工提供依据。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

高应力下原煤三轴压缩力学特性研究

 基于取自淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤的试件,通过MTS815.04电液伺服试验系统进行高应力下原煤的常规三轴压缩试验,研究煤岩的变形、强度、参数及破坏特征。研究结果表明：(1) 煤岩偏应力–轴向应变曲线主要由弹性、屈服、峰后脆性破坏阶段或应变软化段构成。其中,弹性段明显较长,且围压越大,曲线越陡,弹性模量越大;屈服段则总体较短。(2) 煤岩在单轴或低围压条件下,峰后脆性破坏特征明显;随着围压升高,峰后开始呈现延性特征,且围压越高,延性特征越明显。当围压达到50 MPa时,峰后轴向应变几乎呈现塑性流动状态。(3) 随着围压的增加,峰值轴向应变呈抛物线趋势增加,峰值侧向应变则呈线性增加趋势。(4) 煤岩偏应力–体积应变曲线,在低围压条件下表现出扩容机制,且围压越低扩容特征越明显;在高围压下,从峰前越至峰后,则始终向右延展,呈现出不断收缩的状态;而峰值体应变随围压的增加呈抛物线形式增加,收缩特征明显。(5) 煤岩强度随围压增加呈线性趋势增加,且强度参数c,φ值分别为12.72 MPa,24.12°。(6) 煤样的破坏模式主要以剪切破坏为主,破断角大小为23°～35°,且随着围压的增加,以抛物线趋势增加。采用Mohr强度理论可以较好地解释这一变化。     

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。     

层状软岩力学特性现场试验研究

水布垭水电站地下厂房薄层页岩、粉砂岩互层岩体及层间剪切带属于层状软岩,针对其进行原位承压板法变形试验、直剪试验及三轴试验,对通过不同试验得到的力学参数进行了对比分析,结果表明：变形模量的围压效应明显,通过三轴试验得到的变形模量大于承压板法变形试验的变形模量,且随围压的增加而变大;三轴试验有整体拉裂破坏和较软层首先拉裂而导致破坏两种破坏方式;通过三轴试验求出的抗剪强度参数明显大于以层面为剪切面的直剪试验抗剪强度参数。