高温作用后花岗岩抗拉特性变化试验研究

以含有石英、长石与黑云母矿物成分的花岗岩为试验对象,利用高温SHPB(split hopkins on pressure bar)装置展开动态劈裂拉伸试验,研究高温作用后花岗岩的抗拉特性变化情况,并采用X射线衍射仪获取了花岗岩矿物质成分的抗拉特性参数;依据SHPB装置一维应力波与应力均匀性基本假设,推理获得了花岗岩应力分布与抗拉强度的计算公式﹒试验结果表明：高温作用后,花岗岩抗拉强度随冲击气压的提升而增加;其抗拉特性变化仅与石英和长石成分有关;当温度一致时,冲击气压与花岗岩平均抗拉应变率成正比,且温度越高,花岗岩平均抗拉应变率趋于稳定的速度越慢;当高度一致时,随着温度的提升,花岗岩抗拉强度先下降后增长再下降,最终趋于稳定,且高度与抗拉强度呈正比﹒     

花岗岩动态劈裂拉伸实验及动力作用机制

岩石作为一种常见的工程材料,其动态拉伸力学性能的准确核定及其破坏机理至关重要。借助霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)实验装置,对75块花岗岩试样进行了不同冲击速度下的动态劈裂拉伸实验,分析其动态强度与变形的应变率效应,以及冲击劈裂后的破坏形态,进而得到花岗岩试样的应变率、应力峰值、弹性模量等相关力学参数之间的关系。研究表明,在动态劈裂实验中,应变率约在100 s^-1左右,花岗岩试样开始出现裂纹;应变率在100～150 s^-1内,花岗岩试样在冲击后为破碎状态;当应变率超过150 s^-1后花岗岩在冲击加载后试样为粉碎的状态。随着应变率的逐渐增大,动态拉伸弹性模量逐渐增加,但峰值应变却随着应变率的增大而逐渐减小,表明随着应变率的提高,花岗岩的变形能力变差,更易破坏。同时提出了动态拉伸敏感性指标,该指标物理意义明确,能够准确反映岩石类准脆性介质在动态拉伸受力情况下的率效应。进而通过数值模拟,分析验证了冲击劈裂实验的应力波传播三阶段、试样破坏特性及裂纹衍生规律。进一步地,基于Hop...     

岩石冻融循环及抗拉特性试验研究

通过开放饱水状态下的冻融循环试验研究了红砂岩和页岩2种岩石的冻融损伤劣化及破坏行为,将经历不同冻融次数后的岩样进行抗拉试验,分析了冻融循环作用对岩石损伤及抗拉特性的影响。研究表明:由于岩性及初始损伤状态不同,红砂岩的冻融损伤劣化模式为剥落模式和断裂模式,而页岩为裂纹模式;岩石抗拉压特性的冻融效应具有相同的规律性,2种岩石的劈裂抗拉强度均随冻融循环次数的增大而减小,但其抗拉特性对冻融循环反映更敏感,损伤劣化更显著;红砂岩受冻融循环次数影响引起的损伤较页岩大;寒区岩体工程稳定性评价中必须考虑应力状态对岩石冻融损伤的影响。     

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力-应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力-应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。     

均质度对脆岩压缩破坏及裂纹扩展的影响规律

为研究均质度对脆性岩石单轴压缩力学特性、破裂特征及裂纹扩展的影响规律,应用离散元UDEC软件建立了Voronoi块体集数值试件,借助FISH语言及Weibull分布函数实现了块体弹性模量及块体接触面抗拉强度的非均匀分布,开展了不同均质度系数下脆性花岗岩的单轴压缩模拟试验.结果表明:试件的抗压强度、弹性模量均随均质度系数增大而增大,而破坏前变形量则随均质度系数增大而减小,并都趋于稳定;试件宏观破裂形态呈X形共轭斜面剪破坏,细观破坏类型包括晶粒间及晶粒内部的拉、剪破坏;应力峰值前试件以拉破坏裂纹扩展为主,峰值后以剪破坏裂纹扩展为主;均质度系数越小,裂纹扩展及分布越分散,裂纹累计长度也越小,但在轴向应变小于0.2%时,拉破坏裂纹长度与均质度系数变化成反比,说明非均质程度较高的试件在压缩初期已开始出现拉破坏裂纹的扩展;此外,均质度系数为6.0的试件与均质试件的力学特性及裂纹扩展已较为接近,故在采用Weibull分布来描述岩石的非均质性时,均质度系数的取值不应过大.     

岩石料层动态冲击粉碎的应变率效应

对岩石料层的动态粉碎机理进行了理论分析,并对花岗岩料层进行了冲击粉碎和损伤细观观测实验,从宏观和细观两个角度研究了应变率对岩石料层粉碎效果的影响,实验结果和理论分析具有较好的一致性·研究表明岩石料层在冲击载荷作用下具有显著的应变率效应,粉碎产物的比表面积和活化裂纹密度随应变率的增大而增大;粉碎产物的粒度分布指数,活化裂纹平均长度随应变率的增大而减小,应变率是影响岩石料层动态粉碎效果的一个主要因素·     

黑云母花岗岩对冲击荷载的动态力学响应

为了研究黑云母花岗岩对冲击荷载作用时的动态力学响应,采用大直径分离式Hopkinson压杆装置对黑云母花岗岩进行了动态压缩及动态劈裂抗拉试验,分析了黑云母花岗岩的动态压缩应力-应变曲线、动态压缩破坏形态以及动态劈裂抗拉强度等动态力学参数随着冲击荷载的变化规律。结果表明:黑云母花岗岩的动态抗压强度随着子弹冲击加载速度的增加而明显提高,在15.0 m/s左右时,动态抗压强度达到347.1 MPa; 随着子弹冲击加载速度的增加,黑云母花岗岩破坏的形式是从块状到粉状; 与静态劈裂抗拉强度相比,动态劈裂抗拉强度也有较大幅度的提高。     

含中心裂纹石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数,研究了含中心裂纹扶手椅型单层石墨烯薄膜的破坏过程.得到了相应的应力-应变曲线及破坏形态,分析了裂纹尺寸、应变率以及温度变化对含中心裂纹石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响.研究结果表明:随着裂纹尺寸的增大及温度的升高,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均减小,裂纹开始扩展时对应的应力减小;随着应变率增大,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均增加,裂纹的起裂应力及扩展过程中的平均速度均增加;薄膜的破坏均是从中心裂纹附近开始,随着裂纹尺寸、应变率及温度的变化,石墨烯薄膜表现出不同的破坏机制;较高应变率作用下,薄膜中心和边缘处均出现C—C键断裂.     

岩石SHPB劈裂分析理论研究

为了分析岩石在冲击载荷下的动态劈裂破坏情况,通过分析巴西圆盘在动态劈裂和静态劈裂时表面应力分布均匀化的相似性,可以将静态劈裂时的弹性理论应用到动态劈裂当中,得到巴西圆盘在动态劈裂下的动态抗拉强度、动态抗压强度、应变率和应变的计算公式.应用三维非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟巴西圆盘在分离式霍布金逊压杆实验装置上受冲击时动态劈裂的整个实验过程.基于动态抗拉强度公式和动态抗压强度公式,对试件的实际拉应力曲线与计算拉应力曲线进行对比,以及对实际压应力曲线与计算压应力曲线进行对比,通过对比曲线的相互吻合性证明数值模型适用于对岩石冲击劈裂破坏性质的研究.通过分析试样表面的应力均匀化过程以及试样表面对心压缩轴线上拉应力方向的应力分布情况,得出试样在对心压缩轴线表面上的破坏顺序是由从两个冲击端部向中心发展的;通过分析试样沿对心压缩轴线所切剖面上的拉应力分布,得出试样在厚度方向上的破坏顺序是由表面向内部发展的.     

砂岩和花岗岩的动态性能与能量耗散分析

利用直径100mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,对砂岩和花岗岩在应变率49~97s-1下进行了冲击压缩试验,对比分析了两种材料的动态力学特性和破坏形态.结果表明:两种材料的动态抗压强度,破坏程度和能量吸收随应变率的增大而增大,而花岗岩的能量耗散率则随着应变率增大而逐渐减少,呈现出较强的应变率相关性;初始弹性模量、峰值应变和砂岩的能量耗散率在3种应变率下的差别不大,应变率敏感性较弱.分析加载过程中两种试件能量吸收和耗散率的曲线,并从微观结构的角度对其动态破坏形态进行归纳分析.通过试验有效性的验证,证明试验较好地满足了均匀性假定.      

高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响

干热岩开采等实际工程中高温-水冷循环和强扰动加剧了岩体力学性能的劣化,极易影响工程安全性和经济性。为研究高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响,对400℃下经历不同次数（0、2、4、6次）高温-水冷循环后的色季拉山花岗岩进行物理性质试验,采用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）进行冲击压缩试验,通过破碎形态和分形维数分析花岗岩试件破碎规律。结果表明:随着循环次数的增加,花岗岩外观颜色变暗、变黄,表面裂纹增多,粗糙程度增大;花岗岩密度、P波波速、动态抗压强度与循环次数均呈负相关,P波波速和动态抗压强度在前2次循环期间分别急剧下降42.53%和4.57%～10.80%;在相同循环次数下,花岗岩动态抗压强度随加载速率的增大而显著增加,表现出明显的应变率强化效应;在相同加载速率下,花岗岩破碎程度随循环次数的增加而加剧,在相同循环次数下,花岗岩主要破坏形式随加载速率的增加由劈裂破坏变为块状、粉碎破坏;花岗岩分形维数变化规律与破碎形态变化规律一致,经历6次高温-水冷循环,分形维数增幅为3.44%～11.52%。     

黑云母花岗岩动力学特性与强度准则分析

为了研究黑云母花岗岩动态特性与强度准则的应变率效应,文章采用高压动三轴仪对不同应变率、不同围压下的试样进行动三轴压缩试验。结果表明:相同应变率下,随着围压的增大,岩石破坏模式由轴向劈裂转变为剪切破坏;相同围压下,随着应变率的增大岩石破碎程度加剧;花岗岩的抗压强度随应变率和围压的增大均呈增大趋势,但增长幅度在应变率超过10-3/s和围压大于60 MPa后逐渐减小;弹性模量整体上随应变率的增加而减小,且与围压间变化规律不明确;泊松比与应变率、围压均未见明显关系,其值集中分布在0.33左右。此外,对比分析中等应变率下经典莫尔-库伦强度准则及其2种改进形式的适用性,发现考虑平均主应力修正的莫尔-库伦准则对试验数据的吻合度较高,而直线型莫尔-库伦准则和抛物线型莫尔-库伦准则拟合误差较大,且随应变率的增加,误差有增加趋势。     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

大鼠皮肤的循环力学性能研究

通过循环疲劳试验,研究了平均应力和应力幅值对大鼠皮肤力学性能的影响.结果表明:大鼠皮肤在拉-拉循环载荷作用下表现出明显的应变累积特性(即棘轮效应),棘轮应变曲线可划分为瞬态、稳态和加速失效3个阶段;棘轮应变及其应变率随平均应力或应力幅值的增加而增大,导致大鼠皮肤的损伤累积加速进而降低其疲劳寿命;循环应力-应变曲线中的滞后环面积、切线模量能够表征大鼠皮肤的循环特性,滞后环面积和切线模量呈现负相关的关联;对应循环疲劳失效的整个过程,滞后环面积经历减小、稳定、迅速增加3个过程;应力-应变滞后环面积随应力幅值的增加而增大,但平均应力对应力-应变滞后环面积的影响没有线性关系,在试验范围内当平均应力为12,MPa时滞后环的面积最小.结合Basquin模型和SWT模型,可以预测在不同平均应力与应力幅值作用下大鼠皮肤的低周循环疲劳寿命.通过石蜡切片技术和HE染色方法,研究拉伸和循环加载对皮肤微观结构的影响.结果表明,拉伸破坏和循环疲劳破坏都归因于纤维束的滑移和断裂,但两者发生断裂破坏的表现形式不同,前者表现为长裂纹扩展导致的拉伸断裂,后者则为短裂纹扩展导致的疲劳断裂.     

循环动载下大理岩的力学响应及裂隙扩展规律

为研究大理岩在循环冲击载荷下的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)及核磁共振装置(NMR),研究循环动载(1～10 s~(-1))冲击下岩石内部的裂隙发展规律.结果表明:岩石在循环动载冲击下,峰值应力随应变率的增大变化很小,但是随着冲击次数增加,存在一个临界应变率或冲击次数,当达到该临界值时,峰值应变快速增大;岩石在最初冲击时,表现出明显的弹性后效,随着冲击次数增加,岩石内部裂纹起裂时间越来越早,且裂纹扩展越来越快,应变幅值增大;通过核磁共振成像发现,随着冲击次数的增加,裂隙集中发育(白色亮点)愈来愈明显,呈条带状分布,并逐渐贯通.从最终破坏形态来看,大理岩在动载下为轴向劈裂破坏,大块较多.     

柔性混凝土的抗拉特性及其破坏准则研究

通过极限抗拉强度试验和围压作用下的拉伸试验，研究了柔性混凝土的抗拉破坏特性，研究表明：柔性混凝土与普通混凝土相比，拉压强度比、极限拉应变明显增大；围对抗拉强度影响较小，对拉应变影响较大，当发生拉断破坏时，应以抗拉强度作为破坏准则，当发生剪断时，就以莫尔－库化理论作为破坏准则。     

不同试验方法的沥青混合料强度特性

为了研究沥青混合料弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验的拉应变破坏原因,采用不同试验方法对沥青混合料强度特性进行研究,得到沥青混合料强度、破坏应变和临界应变能密度参数随加载速度的变化规律。研究结果表明:沥青混合料强度和临界应变能密度随加载速度的增大而增大;以极限承载能力作为破坏准则,导致在强度参数取值时存在随意性问题,影响路面结构设计的科学性;拉应变是导致沥青混合料发生破坏的主因;以主拉应变作为破坏准则,可以通过加载速度统一不同试验方法的各个力学参数,解决沥青混合料强度的不确定性问题和破坏原因不明的问题。     

岩石巴西圆盘的SHPB试验分析

为了研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩不同应变率下三种岩石的拉伸敏感系数、弹性模量、能量耗散特征和破坏方式的变化规律,利用霍普金森试验装置对三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,试验结果表明:三种岩石的拉伸敏感系数随应变率的提高而增大,且应变率对拉伸敏感系数存在突变阈值;千枚岩和磁铁石英岩的弹性模量随应变率的增加而增大,花岗岩的弹性模量在应变率达到247.1 s-1以后基本不变;入射能、反射能、吸收能随着应变率的提高而增加,但试件吸收的能量相对于入射能是减小的,而透射能基本保持不变;三种岩石均沿加载直径方向劈裂,由中心起裂,满足了巴西圆盘试验的有效性,当应变率较大时,会在试样的加载端部的三角区出现粉碎区.     

砂岩在不同应变率条件下的劈裂破坏特性

为了研究围岩内3种典型砂岩材料在静载荷与冲击载荷作用下破坏行为的差异,采用巴西圆盘试样进行静态与动态劈裂试验,获得不同应变率条件下的抗拉强度,并从细观结构角度进行深层分析,获得抗拉强度差异的主要原因,并利用有限元程序进行数值模拟分析圆盘劈裂试验中的破坏机理.研究结果表明:抗拉强度从大到小的砂岩材料依次为黑砂岩、红砂岩、...     

弯应力作用下混凝土结构水力劈裂试验研究

混凝土重力坝坝踵在运行期间易出现拉应力,是坝体的薄弱区域。为研究该区域的水力劈裂问题,采用四点弯曲弯矩+高水压的联合施载方式,模拟混凝土重力坝坝踵受拉状态下的水力劈裂破坏过程。基于不同弯矩与水压值组合,研究坝踵因施工应力出现初始裂缝情况下的水力劈裂问题。结果表明,裂缝发展过程中,混凝土试件的应变可分为线性段及指数段,当应变进入指数段时,试样临近破坏;较小的荷载增量即会打破稳态,促使裂缝失稳扩展;劈裂水压与拉应力存在叠加效应,若最值作用位置相同,裂缝尖端应力集中现象明显,易引起水力劈裂破坏,若作用位置不同,则受拉截面应变分布较均匀,较大限度地发挥了混凝土受拉截面的抗劈拉能力,减弱了水力劈裂作用。