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。     

高温状态下加载速率对砂岩的动态力学影响研究

为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,通过采用自行组装?50mm分离式Hopkinson压杆高温实验装置,对25℃~1000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级不同加载速率下的动态单轴压缩试验。结果表明：高温下砂岩的峰值强度与加载速率呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1000℃时,加载速率效应最弱。砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加;峰值应变在1000℃时,加载速率效应最强,在25℃时,加载速率效应最弱。总体表现出一定的加载速率强化效应。不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大。从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关。可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关。分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据。     

不同加载速率下胶结充填体损伤特性与能量耗散特征分析

针对矿体回采所导致的充填体破坏可近似看作不同加载速率下的加载过程,在实验室开展了5种加载速率下的胶结充填体单轴压缩试验,在得到充填体应力-应变曲线的基础上,根据能量耗散原理及损伤力学,计算了不同加载速率下的充填体能耗值并构建了相应的损伤演化方程,研究了不同加载速率下胶结充填体的能量耗散与轴向压缩时间、应变间的内在关系,探讨了胶结充填体受压破坏的能量损伤演化过程.研究结果表明,不同于高强度的岩石,胶结充填体存在临界加载速率现象,当加载速率超过临界值后,充填体强度随加载速率增加而降低;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与加载速率呈二次函数曲线关系;充填体的总能耗量随轴向压缩时间、轴向应变的增大呈现Logistic函数形式增长规律,但加载速率的不同使得能耗值增长速率及充填体达到相同轴向变形所需能耗量存在明显差异;不同加载速率下充填体的压缩破坏均属同一类损伤过程,充填体受压破坏的能量损伤演化过程可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段.     

不同加载速率下煤岩组合体碎块分形特征与能量传递机制

为了研究不同加载速率下煤岩组合体破坏碎块的分布、分形特征以及失稳破坏机制,对细砂岩煤（FC）、粗砂岩煤（GC）、细砂岩煤粗砂岩（FCG）3种煤岩组合体开展0.001,0.005,0.01,0.05,0.1 mm/s加载速率下的单轴压缩试验,结果表明：1）0.001 mm/s速率下破坏煤块粒径较小,为完全充分破坏,破坏类型属于塑性破坏。0.1 mm/s加载速率下,试件破坏碎块粒径最大,形状不规则,为不完全不充分破坏,破坏类型属于脆性破坏。加载速率对试件破坏的影响主要表现在：裂隙发育程度、破坏块体粒径、破坏块体数目、能量释放速度、破坏形式、失稳机制。2）试件碎块具有明显的分类特征。随着加载速率增大,4.75~<10 mm、10~<20 mm两种粒径等级的碎块数量逐渐减少,试件的破碎程度减小;3种试件的长/厚值随着碎块粒径的减小呈现先增加后减小的趋势;对于相同粒径等级内的碎块,其长/厚值随加载速率增大而增大,增大加载速率会促进薄形态碎块生成。3）5种加载速率下,FC、GC、FCG组合体的粒度数量分形维数分别在1.53~0.55、1.27~0.26、1.45~0.46之间,粒度数量分形维数随着加载速率增大而减小,加载速率越大,分形维数越小;FC、GC、FCG组合体粒度质量分形维数分别在2.35~1.48、2.36~1.34、2.34~1.58之间,粒度质量分形维数均随加载速率增大而减小。4）针对煤岩组合体破坏形态,分析了组合体破坏过程的能量传递机制。组合体不断受载,煤组分最先发生破坏,释放的能量直接传递给岩石组分,若达到岩石组分的储能极限,则导致岩石组分发生破坏。煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

摘要：
采用CCCD SHPB(Central Cracked Circular Disk Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷P(t)随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50~350 GPa·m1/2/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.
关键词：
动态断裂韧度; 加载速率; 霍普金森压杆; 中心裂纹圆盘
中图分类号： TU 45
文献标志码： A     

考虑加载速率与厚径比影响的 巴西圆盘劈裂强度分析

为综合研究加载速率和厚径比2个因素对测定茅口灰岩抗拉强度的影响关系,开展了一系列采用对称小圆弧加载方式下的巴西试验;通过ANSYS有限差分软件模拟巴西劈裂试验,结合Griffith强度理论分析不同厚径比圆盘试样在不同加载速率下的等效应力分布规律.试验研究结果表明:岩石抗拉强度会随试验加载速率的增加而增大,同时随厚径比的增大呈三次函数衰减关系.数值计算结果表明:越靠近圆盘试样端面中心点,等效应力值越大;除个别点处应力集中外,端面中心点的等效应力值也会随着加载速率的增加而增加;圆盘的起裂位置亦发生在端面中心点处.在此基础上对岩石抗拉强度公式进行修正,建立了更加真实的考虑加载速率与厚径比影响的巴西圆盘劈裂强度修正公式.     

冻融作用下玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉性能试验

在保温混凝土优化配合比的基础上,选定水灰比、水泥用量、砂率和外加剂掺量四个影响因素,设计正交试验,采用快冻法对混凝土进行0、15、30、50次冻融循环,观察各组试件表面剥蚀情况,确定混凝土强度及其退化特征。试验结果表明,0.50为最佳水灰比,经过50次冻融循环作用后,强度下降为初始值的66.7%。建立了冻融后保温混凝土劈裂抗拉强度值与冻融循环次数之间线性函数关系,并通过极差分析确定了水灰比是影响混凝土冻融后强度的主要因素。     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

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。     

不同缺口尺寸试样在不同加载速率下缺口前的应力应变分布

用动态有限元法计算了两种不同缺口尺寸的16MnR钢试样(3V,3I),在-110℃和v=1～500mm/min时的不同加载速率下三点弯曲(3PB)时的试样缺口根部应力、应变及应变率的分布.研究结果表明,3PB加载时加载速率对缺口前应力、应变和应变率影响的总体规律与四点弯曲(4PB)加载时相同;3PB加载下直缺口试样(3I)的整体屈服载荷及缺口前的应力、应变和应变率值比V缺口试样(3V)大;3I与3V缺口前的峰值正应力σyymax之差随加载速率v和外加载荷P/Pgy的增加而增大,表明尖锐缺口试样(3I)的应力提高对加载速率和外加载荷更敏感.     

加载速率对不同温度状态石灰岩力学性能影响的试验研究

借助美国MTS810电液伺服材料试验机和高温炉,对常温和600℃两种温度状态下石灰岩试件进行不同加载速率下的单轴压缩试验,得到石灰岩力学性能随加载速率的变化规律。结果表明:常温时,石灰岩岩样在3×10-4~3×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-3~3×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-3~3×10-1 mm/s的加载速率区段中,随加载速率的增加,劈裂面逐渐增多;600℃时,石灰岩岩样在不同加载速率下均为剪切破坏。     

加载速率对红砂岩力学效应的试验研究

采用伺服刚性试验机对５４块红砂岩试件进行了９级不同应变加载速率下的单轴压缩室内测试，定量分析了应变速率对材料单轴抗压强度、与峰值强度对应的应变、破坏后的变形模量，以及破裂形式等物理力学性态的影响，按实测数据回归得出的经验公式可用于估算应速率变化剧烈状况下岩石的修正强度和变形量。     

加载速率对分层充填体强度特性的影响

随着阶段嗣后充填采矿法的广泛应用,相邻矿体的开采扰动必然会对分层充填体的力学性能产生影响。为了研究不同加载速率对分层充填体强度特性和破坏模式的影响,分别对养护3、7、28天的分层充填体进行了0.2 、0.5、1.0、1.5、2.0 mm/min 5种加载速率下的单轴压缩试验,根据不同加载速率的单轴抗压强度试验结果,分析了不同养护龄期的分层充填体强度及破坏模式与加载速率之间的关系并建立了回归方程。试验结果表明:不同加载速率下分层充填体的应力应变曲线与完整充填体类似。养护龄期3天时,分层充填体的单轴抗压强度随加载速率的增加而逐渐减小,养护龄期7、28天时,存在临界加载速率现象。在临界加载速率范围内,提高加载速率可以限制初始缺陷的发育,达到临界加载速率后,加载速率将会促进分层结构面的分离、错动及原始缺陷的扩展延伸,抗压强度降低。分层充填体的破坏模式随加载速率变化,在临界加载速率时破坏模式有明显转变,随着加载速率的增加,养护3天时,分层充填体的破坏模式由拉伸剪切混合破坏变为拉伸破坏。养护7、28天时,当达到临界加载速率时破坏模式转变共轭剪切破坏,中间层破坏严重且与上下两层产生明显分离、错动。本研究通过室内试验得到临界加载速率,为研究分层充填体的强度特性提供了重要的研究依据。     

加载速率对白云岩力学特性影响的颗粒流数值试验研究

青川县东河口滑坡是2008年汶川地震诱发的一处典型深层岩质滑坡,体积约1500×104m3。地震过后,针对该滑坡的形成机制展开了不少研究,但在考虑组成该滑坡体材料的力学参数时,均尚未考虑到岩体在动荷载条件下的力学特性,导致研究结果与实际有出入。为了获得滑坡岩体在不同加载速率下的力学行为,同时借助于颗粒流程序（Particle Flow Code, PFC）在模拟岩体微细观损伤演化过程上的优势,本研究首先对从滑坡现场取得的白云岩试样开展了室内常规单轴压缩试验,以试验结果作为拟合依据确定了白云岩试样的PFC数值模型以及细观参数,进而开展了白云岩在不同加载速率下的力学特性、宏观破裂形态、裂隙扩展规律等的研究。结果表明：在0.5 m/s和1 m/s的较高速率加载时,白云岩力学性能出现 “伪增强”现象,岩体表现为延性破坏,最终的破坏形态为粉碎状。当加载速率≤0.05 m/s时,岩体表现为脆性破坏,破坏形态较为完整,主要在端部发生局部剪切破坏,裂纹并未在整个岩样内发育,并且,高加载速率下破坏时的裂隙总数明显多于低加载速率下的裂隙总数,在峰值强度后微裂隙的产生速率明显较大。尽管本研究只是对组成该滑坡的其中一类岩体开展了研究,暂无法用于准确解释该滑坡的地震诱发机制,但研究结果预示了在实际地震过程中,由于加载速率时刻在变化,岩体在高、低加载速率交替变化的荷载作用下将变得更加破碎,从而为滑坡的形成创造了先决条件。     

混凝土冻融损伤特性的神经网络研究

根据连续介质损伤力学理论,将混凝土的冻融损伤定义为抗压强度的劣化;研究在经历不同冻融循环次数后混凝土损伤的演化规律．首次运用RBF神经网络的理论和方法,建立了混凝土在不同冻融循环次数作用下抗压强度劣化的神经网络模型,对混凝土冻融损伤特性进行了研究．本文的工作为复杂应力状态下经受冻融循环作用的普通混凝土的损伤特性提供了一个崭新的研究途径．     

结构加载系统的动态特性分析与试验研究

介绍了自行研制的微机控制电液伺服结构加载系统，阐述了它的组成及工作原理，建立了通用型电液伺服加载系统在载荷控制和位置控制两种控制方式时的数学模型，并运用控制理论分析了这类系统的动态特性。     

不同替代率风积砂混凝土冻融损伤特性

为探讨风积砂混凝土冻融损伤特性,对替代率为0%、20%、40%、60%、80%、100%的风积砂混凝土,开展冻融循环试验,结合扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)等表征手段,从宏观、微观及细观角度多尺度分析风积砂混凝土冻融损伤劣化规律。研究发现：风积砂混凝土质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度损失率随冻融循环次数的增加分别呈现先减小后增大、不断减小和逐步增大的趋势;随着风积砂替代率的增加,呈现总体下降、不断上升和小幅降低的趋势,表明混凝土抗冻性增强,当达到100%时,其抗冻性最佳。从微观角度分析,随着冻融循环次数的增加,风积砂混凝土界面过渡区(ITZ)结构劣化明显。随着风积砂替代率的增加,骨料与砂浆基质剥离程度减小,水化产物由密变疏,高硫型水化硫铝酸钙(AFt)、封闭小孔隙增多,抑制冻融损伤作用增强。从细观角度分析,随着冻融次数的增加,风积砂混凝土内部孔隙结构经历着新孔隙生成、大孔隙向小孔隙转换的复杂过程。随着风积砂替代率的增加,T₂谱小孔隙峰值逐渐增大,孔隙结构劣化程度减小,混凝土抗冻性增强。     

基体预处理及初始加载速率对微弧 氧化膜层生长速率的影响

在硅酸盐体系电解液中对AZ91D镁合金进行微弧氧化处理,通过正交实验研究了机械清理、酸碱洗和初始加载速率及其彼此之间的交互作用对膜层生长速率的影响.结果表明:机械清理和酸碱洗对微弧氧化膜层的生长速率有非常显著的影响,初始加载速率及其与酸碱洗的交互作用对膜层的生长速率也有显著的影响.在实验室场合,获得较高膜层生长速率的工艺方案为砂纸打磨和无酸碱洗的预处理方式,并且初始加载速率快慢均可.但对实际工业生产应用,更为合适的工艺应采用喷砂和酸碱洗的预处理方式,并且缓慢加载.