一维静载及循环冲击共同作用下矽卡岩力学特性试验研究

利用改进的基于SHPB装置的岩石动静组合加载试验系统,对取自冬瓜山铜矿井下900 m深处的矽卡岩岩样进行一维静载及循环冲击共同作用下的加载试验。研究结果表明:在一维静载与循环冲击共同作用下,岩石具有疲劳损伤特性;预加载轴压不同,变形特征也不同,岩石应力-应变曲线呈现回弹、不回弹2种特性;随着循环冲击数增加,动态峰值应力及定义的动态变形模量减小,动态峰值应变却增大;累计冲击数与轴压呈一元二阶多项式关系;同时还表明"岩爆"的发生是动力扰动诱发岩石内部弹性能突然释放的结果;预加轴压影响岩石出现拉伸破坏或剪切破坏的效果,也影响岩石破坏块度及在动态扰动情况下发生的"岩爆"概率。     

黔西南金矿砂岩动静组合加载岩石力学特性研究

为探究巷道开挖后围岩不同深度切向应力不同程度的增加对围岩动力学性能的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验系统,对黔西南金矿砂岩试件在0,10,20,30,40 MPa的轴压下进行动静组合加载试验,旨在分析砂岩在不同轴压下的力学行为、变形特征与能量演化规律。研究发现：动静组合加载试样应力-应变曲线分为压密阶段、弹性阶段、塑性破坏和峰后阶段;轴压使得峰值应变逐渐增加,极限应变逐渐降低;动态弹性模量、动态抗压强度、应变率及各能量的演化规律均呈现以10 MPa为转折点的变化规律。     

一维动静组合加载下石灰岩力学特性试验研究

为研究岩石承受高地应力和动力扰动作用下破坏问题,利用改进的SHPB试验装置,开展一维动静组合加载下石灰岩试件动态力学试验研究。选取有无轴压两种情况对试件进行不同应变率的冲击压缩试验。结果表明:石灰岩试件动态应力—应变曲线受轴压影响较大,轴压不同时曲线形态有所不同,轴压相同时曲线形态基本相似。试件动态强度增长因子与应变率之间呈现较好的线性关系,随应变率增加而增大。试件单位体积吸收能随入射能增加而增大;入射能相同,有轴压时试件单位体积吸收能比无轴压时小;随入射能增大,透射能相对趋于稳定,此时试件单位体积吸收能迅速增加。试件破坏形态与轴压密切相关,无轴压时为劈裂破坏,有轴压时为压剪破坏。     

动静组合加载数值模拟砂岩损伤演化规律

为了定量分析砂岩在应力波作用下的损伤演化规律,利用LS-DYNA软件,对砂岩进行SHPB动静加载数值模拟,并基于裂纹密度法所建立的损伤模型,计算岩石的损伤变量,对不同冲击速度(8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s、16 m/s）,不同轴压（6 MPa、10 MPa、14 MPa、16 MPa）,不同轴压和围压组合（6 MPa、3 MPa;6 MPa、6 MPa;6 MPa、9MPa;12 MPa、3 MPa;12 MPa、6 MPa;12 MPa、9 MPa）下进行砂岩损伤规律模拟研究。研究结果表明：三种状态下砂岩的损伤随应变率的增大而增大;有轴压无围压作用时,砂岩的初始损伤速率较缓;两者共同作用下,当轴压和应变率固定时,损伤随围压增加而降低（围压值大于等于轴压值）,当围压和应变率固定时,损伤随轴压增加而降低。可见施加围压和轴压对砂岩的内部裂纹扩展具有一定的抑制作用。     

考虑围压影响下的层状岩体压缩特性

为了研究围压作用情况下的层状岩体压缩特性,采用数值方法建立分析模型,计算不同围压下岩体的应力和应变后发现,随着结构面倾角的增大,层状岩体的抗压强度呈现先减小后增大的趋势;结构面倾角为60°时试件的三轴抗压强度最小;层面倾角为90°时对应的三轴抗压强度最大;对于相同倾角的试件,三轴压缩强度与围压呈显著的线性关系。数值试验反应的岩石应力-应变曲线与试验得到的结果相符,随着围压的增大,试样的刚度不断增大,弹性模量与围压之间呈线性关系。     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

围压对珊瑚岩动态力学行为影响

珊瑚岩的深层打桩工程提出了研究珊瑚岩在围压作用下动态力学性能的新科学需求. 通过带围压的霍普金森压杆（SHPB）对珊瑚岩开展冲击试验,得到了不同围压下珊瑚岩的力学响应. 研究表明:无围压情况下,珊瑚岩动态抗压强度与常规岩石一样,具有明显的应变率敏感性;随着围压增加,珊瑚岩动态抗压强度不仅有显著的提高,而且其应变率敏感性更强,并归纳出含围压和应变率效应的破坏强度公式. 本文提出的强度公式对深厚覆盖层珊瑚岩地质桩基工程具有重要的参考价值.      

不同加载路径下盐岩蠕变特性试验

为了研究加载路径对盐岩蠕变特性的影响,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了3种不同加载路径的蠕变试验,分析了盐岩在不同加载路径下的蠕变变形规律。结果表明,在恒围压、分级增加轴压加载路径下,随着轴向应力增加,盐岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大,衰减蠕变阶段持续的时间也逐渐延长;在恒轴压、分级卸围压加载路径下,当围压小于某个特定值时,围压的变化对盐岩蠕变特性产生一定的影响,当围压高于该值时,盐岩的蠕变特性似乎与围压无关,且从试验结果来看,该值应在4 MPa以上;在恒轴压、循环围压加载路径下,围压及其循环周期对盐岩蠕变特性的影响非常大,降围压阶段盐岩蠕变速率明显高于升围压阶段,且围压循环周期越小,降围压阶段蠕变速率与升围压阶段蠕变速率的比值越大,周期越大,该比值越小。     

加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

基于三轴压缩试验的红砂岩本构模型

利用RMT150B型岩石力学多功能试验机对红砂岩试样在不同围压条件下的三轴压缩应力应变全过程曲线进行了系统试验研究。研究表明：围压增大，岩石的峰值强度也随着增高；红砂岩的体积应变在峰值后区表现出很大的剪胀性。基于试验结果，分析了岩石屈服强度、峰值强度、残余强度与围压之间的关系，根据试验得到了典型三轴压缩应力应变全过程曲线，建立了一个由线弹性段Ⅰ、线弹性段Ⅱ、线性软化段、线性残余塑性流动段组成的线性本构模型，给出了红砂岩4个阶段的本构方程，并确定了相关参数。     

化学腐蚀作用下围岩的动态力学性能

基于深部地下工程多场耦合的环境特点,配制了不同离子、不同pH的化学溶液,并于不同工程现场取灰质石灰岩、粉质砂岩、浅红石灰岩等围岩试样置于不同化学溶液中养护,然后采用霍普金森压杆实验系统(SHPB)进行动态压缩实验,分析化学腐蚀以及化学腐蚀-温度耦合、化学腐蚀-损伤耦合作用对岩石动态性能的影响及其机制。结果表明:化学腐蚀作用下围岩的动态强度下降,经中性盐溶液腐蚀后,灰质石灰岩、浅红石灰岩、粉质砂岩的强度分别下降了25.8%、54%和79.5%; 且随着溶液pH的降低,化学腐蚀效果越明显; 化学腐蚀-温度耦合以及化学腐蚀-损伤耦合的存在,使岩样的动态强度下降加剧。     

低温岩石冲击破碎分形特征与断口形貌分析

通过霍普金森压杆（SHPB）动态冲击试验，研究负温状态下红砂岩的动态力学性能，分析不同负温对岩石强度性能、分形维数及耗散能的影响，并结合微观断口形貌剖析较低负温下岩石动态力学性能劣化的原因.研究表明，较低的负温会使红砂岩出现"冻伤"，在高应变率加载下岩石会迅速丧失承载能力，动态力学强度急剧下降，这与静载实验中岩石强度随温度降低逐渐增大的趋势有着较大的差异；冻结岩石试件的耗散能W_L与分形维数D呈正相关性，且与宏观破坏特征有着密切的联系，即耗散能越大，岩石破碎越严重，相应分形维数也越大，但分形维数与耗散能的增速比存在阈值；断口形貌分析结果显示，较低的负温会使红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹，这些裂纹尖端塑性变形能力差，在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏，而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响，因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏，进而引起红砂岩整体破裂.      

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置对砂岩进行动态冲击压缩试验,通过不同的加载气压实现不同应变率条件下对煤矿区的砂岩进行冲击压缩,以此来分析煤矿区砂岩的动力学特性以及能量损耗规律。根据试验结果分析可得,应力-应变曲线反映出砂岩的动态弹性模量及峰值应力都表现出明显的应变率效应,动态压缩强度表现出很强的应变率效应,两者之间呈现线性关系;在动态冲击压缩中,动态抗压强度高于静态抗压强度,通过动态强度增长因子DIF可以反映岩石在动载条件下的强度指标;随着应变率的增大,砂岩试样单位体积吸收破碎耗能增加,试样破坏更严重,破坏程度与单位体积破碎耗能之间形成很好的对应关系。同时借助SEM扫描电镜分析冲击压缩后试样微观条件下的破坏模式,结合宏观上的破坏形态共同分析岩石的损伤特性。     

大理岩三轴压缩动态卸围压与岩爆模拟分析

对岩爆研究的现状进行较详细阐述，为分析岩爆形成机理，采用大理岩分别进行了三轴压缩峰前峰后动态卸围压实验，结合分岔过程，对三轴压缩过程的剪切断裂能进行分析，其结果表明：峰前卸围压过程听剪切断裂能远低于峰后卸围压过程和常规三轴压缩过程，而此过程岩体的破坏程度则强烈得多，由此也说明，张拉破坏是岩爆产生的根本内因。     

改良土填筑过渡段基床底层的动力特性分析

通过动三轴试验及拟合参数法获得软岩改良土的动强度,以允许动强度为标准,评判软岩改良土可以作为基床底层以及路堤本体填料.同时,基于D'Alembert原理的能量弱变分和整体Lagrange格式,建立路桥过渡段半空间垂向耦合的动力计算模犁,进一步分析不同列车速度下路桥过渡段的动态响应特征,并通过现场实测数据对比验证模型的正确性.研究结果表明:在列车荷载下,竖向动位移幅值波动范围为0.05-0.35 mm,小于控制值;弹性应变幅值小于3×10~(-5),处于小变形阶段;竖向动应力幅值波动范围为15.5～19.5 kPa,远小于改良土的动强度;采用刚性过渡较合理,掺入5%水泥的改良土可用于其基床底层及路基本体的填筑.     

裂隙矿岩的动载特性

用ＳＨＰＢ高速冲击试验机，对４种不同裂隙类型的矿岩进行高速冲击试验，测定矿岩在高速冲击作用下的应力波形，应变历史，应变率历史，应力历史，应力－应变曲线，应力－应变－应变率的关系，应力－应变－裂隙类型的关系。算出动态破坏强度和动态弹模，定量进行动静态矿力学物性比较，得出裂隙矿岩与完整矿岩在不同力学状态下的数值关系。     

Experimental study on dynamic mechanical property of cemented tailings backfill under SHPB impact loading

Cemented tailings backfill(CTB) have increasingly been used in recent years to improve the stability of mining stopes in deep underground mines. Deep mining processes are often associated with rock bursting and high-speed dynamic loading conditions. Therefore, it is important to investigate the characteristics and dynamic mechanical behavior of CTB. This paper presents the results of dynamic tests on CTB specimens with different cement and solid contents using a split Hopkinson pressure bar(SHPB). The results showed that some CTB specimens exhibited one to two lower stress peaks after reaching dynamic peak stress before they completely failed. The greater the cement-to-tailings ratio is, the more obvious the strain reaction. This property mainly manifested as follows. First,the dynamic peak stress increased with the increase of the cement-to-tailings ratio when the impact velocity was fixed. Second, the dynamic peak stress had a quadratic relationship with the average stress rate. Third, the cement-to-tailings ratio could enhance the increase rate of dynamic peak stress with strain rate. In addition, the dynamic strength enhancement factor K increased with the increase of strain rate, and its value was larger than that of the rock samples. The failure modes of CTB specimens under low-speed impact were tensile failure and X conjugate shear failure, where were nearly the same as those under static uniaxial and triaxial compression. The CTB specimens were crushed and broken under critical strain, a failure mode similar to that of low-strength concrete. The results of the experimental research can improve the understanding of the dynamic mechanical properties of CTB and guide the strength design of deep mining backfills.     

基于FDM-DEM耦合的岩石动态冲击特征方法

为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method, FDM)-离散元(discrete element method, DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar, SHPB)冲击数值模型,在模型入射杆端部施加半正弦冲击波进行动态冲击模拟,对三维离散元试样的动态应力时程曲线、裂纹时空演化等特征进行讨论,从细观力学角度分析岩石的动态冲击破坏过程。结果表明：三维耦合模型在动态冲击过程中能够很好地满足应力有效性检验,保证了冲击过程的可靠性;利用Fish语言编写的半正弦冲击波等效替代室内试验撞击杆的撞击作用可以在一定程度上消除入射波的弥散效应;动态冲击过程中,试样内部的裂纹发展可分为平静阶段、缓升阶段、陡增阶段和稳定阶段,且裂纹主要产生于应力峰后阶段,裂纹总量呈反Z形变化。     

循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究

为研究循环动力扰动下岩石细观损伤特性,本文选取花岗岩为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行循环冲击试验,并结合核磁共振系统(NMR),得到了循环动力扰动后花岗岩孔隙度、横向弛豫时间T2谱分布以及核磁共振图像(MRI).试验结果表明:在岩石弹性极限范围内,动力扰动结束后,岩石材料孔隙度降低;初始与最终横向弛豫时间T2缩短,循环扰动过程促使了小孔隙生成,大孔隙尺寸与数量减小;孔隙度降低不意味着所有类型孔隙的数量均减少,相反小孔隙数量是增加的,大孔隙数量减少是动力扰动后花岗岩孔隙度降低的根本原因.     

消除岩石动态实验曲线振荡的有效途径

就岩石动态应力－应变－应变率曲线测定中存在的严重振荡问题进行了讨论，提出了消除这一振荡的有效途径：改传统的矩形波加载为半周期正弦波加载。并就实现半周期正弦波加载的冲头结构进行了研究。