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。     

恒轴压卸围压条件下粉砂岩应力应变特征与能量演化

为了获得高陡山区地下工程顶部粉砂岩在开挖后的应力应变和能量演化特征,开展了不同围压下粉砂岩恒轴压卸围压三轴试验,分析其应力应变、应变能转化以及能量耗散特征。结果表明,恒轴压卸围压条件下,围压越高,试样围压卸载率越低,且试样破坏越快、变形越大。不同围压下能量转化特征曲线趋势基本一致,与应力应变曲线有较好的相关性。围压恒定轴压升高阶段,除围压产生的应变能密度基本恒定外,其他能量演化曲线具有呈指数升高的特征;主要表现为原生孔隙压密,能量转化率较低。轴压恒定围压卸载至试样破坏阶段,轴向应力与能量曲线两者突变点基本对应;产生较大程度宏观破裂,能量转化率较高。试样破坏后围压恒定和继续施加轴向应变阶段,低围压能量释放更强,试样破坏更为碎裂。能量耗散具有总体上先升高后降低再陡增的特征,围压越低,试样破坏时应变越小、能量耗散比越大,试样破坏更加碎裂;围压越高,对试样能量耗散抑制作用越强,有利于弹性应变聚集,更容易产生岩爆现象。     

压缩作用下砂岩变形破坏过程中的能量特征

为探索岩石在载荷作用下变形破坏过程中能量的能量演化机制,对红砂岩进行了单轴、三轴压缩试验,获得了岩石加载过程中能量随应力、应变的演化与分配规律.结果表明:岩石的变形破坏过程是能量耗散与释放的结果;单轴压缩及较低围压下岩石在峰值后积聚的能量突然释放,这也是其呈现脆性破坏的主要原因;在较高围压下,岩石峰后能量随围压的升高由释放向逐渐耗散转变.     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同卸荷路径下大理岩破坏过程能量演化规律

为寻找破坏过程中能量的实时演化规律,对大理岩进行不同路径的加、卸载试验,探讨岩体轴向能量、实际吸收的总能量随应变的演化规律。研究结果表明:在不同应力路径下,岩样轴向能量随应变的增加而呈非线性增大,初期能量增长速率较小,随后速率慢慢增大,在达到岩样临界破坏点时,出现1个速率的拐点,随后增长速率趋于稳定;在不同应力路径下,岩样破坏的轴向能量-应变曲线与总能量-应变曲线都存在1个速率突然变化的拐点,轴向能量的拐点出现在对应应力-应变曲线的破坏处,而总能量的拐点出现在对应峰值处。围压的变化没有改变不同路径下岩样的轴向能量-应变曲线的形式,但在不同围压下,加轴压、卸围压路径的总能量-应变曲线呈现不同的形式。卸围压速率没有改变轴向能量与总能量曲线的形式,只是改变曲线在不同阶段的变化速率。围压的增大,不同路径下岩样的轴向能量与总能量差增大,而卸荷速率的影响正好相反。     

蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩三轴试验及本构模型

利用岩石全自动伺服试验仪对重庆蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩的砂岩试样开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,进而构建了包含统一硬化/软化函数的弹塑性本构模型并进行了验证。试验结果表明,随着围压的增大,由原生缺陷闭合引起的初始非线性变形阶段逐渐减小,试样破坏时的峰值强度随围压增大而增大,由单轴压缩时的84.8MPa增大到围压10MPa时的168.5MPa;峰值强度和围压之间呈现较好的线性关系,黏聚力和内摩擦角分别为15.2MPa和52°。数值模拟与试验数据的比较表明,提出的弹塑性本构模型能够描述砂岩的主要力学现象,验证了该模型的可靠性。     

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。     

冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型

为研究冻融砂岩受载过程中的损伤劣化规律,首先,对冻融0,25,50,75和100次的砂岩进行单轴压缩试验,获得不同冻融循环后损伤砂岩的应力-应变关系以及破坏模式;其次,基于能量演化及能量分配规律,分析不同冻融次数砂岩的损伤特性;最后,提出利用耗散能变化规律确定应力-应变曲线分段压密点的方法,建立冻融砂岩的分段损伤本构模型。研究结果表明：砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低,砂岩的破坏模式逐渐由剪切破坏为主向张剪复合破坏转变;破坏后的裂纹数量逐渐增多,破坏表现为由脆性逐渐向延性破坏过渡;峰值应力处的总能量、弹性能、耗散能均随冻融次数增加,表现出“减小—增加—减小”三段式变化规律;弹性能耗比(耗散能与弹性能的比值)的最小值K_min是判断砂岩从稳定状态转向非稳定状态的重要标志,是冻融砂岩破裂前的预兆指标。基于冻融和受荷损伤因子,建立了考虑压密段的分段损伤本构模型,能够更合理地描述冻融损伤砂岩的变形破坏过程。     

三轴SHPB岩石材料动力学特性试验研究的现状和发展趋势

岩石材料的三维动力特性试验研究是岩石冲击动力学中很重要的一个领域,也是目前研究的一个热点.本文论述了三轴SHPB岩石力学试验机的研制情况,对各类试验机的特点进行了比较.综合分析了三轴SHPB试验相关研究文献,总结了一些共有规律:①在围压一定的情况下,岩石的动态抗压强度会随着应变率的增加而增加,呈现出线性函数或者指数函数增加形式,并且脆性减弱,塑性显著增加;②在应变率一定的情况下,岩石抗压强度会随着围压的增大而增大,线性关系比较显著:③岩石动静组合加载时,在轴压一定时,岩石的动静组合抗压强度会随着围压的增大而增大,呈现出近似线性增加趋势;在围压固定时,抗压强度随着轴向静压的增大呈现出先增大后减小的趋势.由于SHPB试验装置和岩石材料本身的特点.目前在一些基本问题上.如加载应力波形、试样尺寸要求等方面.还没有统一的试验规范要求,很多试验结果只能进行定性比较.无法在统一尺度上进行定量分析.最后,针对该领域的发展趋势进行了论述,指出尽快建立一套国际性的建议试验方法是将来的一个关键问题.     

被动围压下早龄期补偿收缩钢纤维混凝土冲击压缩性能试验

为了研究被动围压约束条件下早龄期混凝土动态力学性能,利用直径74 mm分离式霍普金森压杆进行试验。在不同加载气压钢质套筒被动约束条件下,测试7 d龄期补偿收缩钢纤维混凝土试件轴向或径向的应力和应变变化趋势。结果表明:补偿收缩钢纤维混凝土材料在被动围压下,延性和抵抗破坏能力显著加强,试件轴向应力-时间历程曲线和轴向应力-应变曲线可知,整个加载过程分为三个阶段。第一阶段为弹性阶段,由于试件刚性所致,应力增幅快;第二阶段为弹塑性阶段,试件逐步压缩变形,应力增长缓慢,应变增幅大;第三阶段为试件塑性破坏阶段,应力直线下降;在0.6 MPa、0.7 MPa和0.8 MPa气压作用下,试样典型轴向应力峰值为无围压条件单轴压缩SHPB实验时的1.5~1.8倍;试件破坏应变高达(23~27)×10-3,是无围压SHPB试验试件破坏应变的4~6倍;从试件破坏形态看,由于钢纤维掺入,试件仍保持较好的整体性,裂缝分布表征试件为压剪破坏。     

不同加载速率下的矿岩劈裂破坏特性试验研究

为研究不同加载速率对矿岩劈裂破坏特性的影响,基于数字图像相关(DIC)技术开展矿岩巴西劈裂试验,从抗拉强度、能量演化和水平应变分布等方面分析铁矿石及其围岩在不同加载速率下的劈裂破坏特性。研究结果表明：1)矿岩抗拉强度均随加载速率的增加而增大,其中,围岩抗拉强度随加载速率增大而呈线性增大,而铁矿石抗拉强度先急剧增加后缓慢增加,与加载速率呈幂函数关系。2)随着加载速率增加,矿岩内部总能量和弹性应变能均增大,耗散能则呈下降趋势。加载速率增大后的铁矿石弹性能相比于围岩提升25.78%,岩爆危险性高,合理减缓开采进度可确保矿产开采安全。3)铁矿石和围岩的水平应变随加载速率变化的规律相似,即当加载速率为0.02 kN/s时,铁矿石和围岩应变带从中部向两端延伸,而在高加载速率下,铁矿石和围岩的应变带由两端向圆盘中部汇合;4)不同加载速率变化对矿岩破裂结果的影响不同,当加载速率较低时(0.02 kN/s),矿岩表面水平应变均呈现正态分布,而当加载速率增加后,矿岩端部水平应变突出,且铁矿石相比于围岩更早产生由加载速率变化引起的端部应变集中倾向。     

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。     

泥质砂岩动变形模量的演化规律试验研究

研究动三轴试验中泥质砂岩动变形模量的演化规律。借助自编的试验数据分析程序,研究不同动变形模量定义方法的规律性和适用性,以及结合应变硬化和应变软化机制研究动变形模量与累计残余体积应变、耗散能的演化规律,并对三者之间进行了拟合处理。研究表明,文中提出的加载、卸载段线性回归法定义动变形模量具有良好的适用性,动变形模量的全程演化过程可划分为3个阶段。第1阶段为强化阶段,表现为动变形模量随循环次数的增长;第2阶段为稳定发展阶段,即具有长时间的动态承载力,在此阶段存在动变形模量的突降或突升现象;第3阶段为降低阶段,表现为动变形模量的快速下降,直至岩样发生破坏。     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

循环荷载作用下泥岩动力特性

利用微机伺服岩石三轴试验机TAW-2000,对泥岩进行了不同围压(σ₃=0.5 MPa、2 MPa)和加载频率(f=0.2 Hz~2 Hz)下的变幅循环荷载试验,研究了围压、加载频率及加载幅值对泥岩的破坏形式、动抗压强度、滞回曲线面积及动弹性模量(E_d)的影响。试验结果表明:在0.2 Hz~2 Hz的加载频率下,岩石破坏形式受围压影响较大,以剪切破坏为主,部分岩样出现劈裂破坏;在0.2 Hz~1 Hz的加载频率和0.5 MPa~1 MPa的围压下,动抗压强度主要呈现减小趋势,仅在2 Hz的加载频率下,岩石抗压强度有较大提高;滞回曲线面积随加载幅值增加逐渐增加,同一幅值作用下,滞回曲线面积随循环次数的增加呈现减小趋势;E_d随加载幅值增加而减小后趋于稳定。     

循环载荷作用下岩石声发射时空演化规律

利用先进的声发射测试分析系统对细粒砂岩进行了声发射定位试验。通过对循环载荷作用下细粒砂岩声发射定位试验研究,分析循环载荷作用下岩石变形破坏全过程的声发射时空演化特征及其损伤演化规律。试验结果表明:静态加载阶段的声发射信息很好地反映了岩石在压密阶段、弹塑性变形阶段的损伤演化规律;循环阶段初期声发射都由小裂纹产生的小事件组成,持续时间及能量值都比较小,空间定位结果显示了事件大都在静态加载阶段形成的成核区产生,且空间事件点变化不快;循环中期声发射能量在时间上变化不大,偶有起伏,空间上事件点变化缓慢,每循环只有少量增加,在时空上都处于一个稳定发展阶段;循环末期每循环的声发射事件数、能量值都急剧增加,特别是破坏阶段达到最大值,事件点由能量高、持续时间长的大事件组成,空间演化迅速,事件点在成核区不断聚集并快速连接,不断向顶部扩散,最后容汇贯通形成宏观破裂面;峰后由于破裂面相互滑动摩擦带动附近的弱结构单元形成新损伤,继续产生声发射,且在完全停止加载后因岩石内部寻求新应力场平衡仍有少量声发射。