冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1～2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。     

不同加载速率下岩石变形场演化试验研究

开展不同加载速率条件下岩石变形场演化特征的试验研究,对岩石安全施工及岩石工程灾害预测预警等具有重要意义。通过不同加载速率下红砂岩单轴压缩试验,在以数字散斑相关方法分析试件变形场的基础上,对加载速率与岩石变形局部化演化特征、泊松比变化及能量积累和释放特征的对应关系进行分析。结果表明:随着加载速率的增加,岩石试件的峰值强度及脆性呈增加趋势。加载速率越大岩石试件的变形局部化启动应力越接近强度峰值,且变形局部化启动时对应的应力量值总体上呈增加的趋势。在不同量级加载速率下岩石试件泊松比量值差别明显,总体趋势表现为:在岩石试件变形局部化启动前,随着加载速率增加,岩石试件泊松比减小;在岩石试件变形局部化阶段,随着加载速率增加,岩石试件泊松比增大。在能量积累阶段,岩石试件最大变形能密度随加载速率增加而增大;在能量释放过程中,岩石试件能量释放速率随着加载速率增加而增大。     

动载确定方法对岩石动态断裂韧度测试的影响

为了考察不同方法确定的动态载荷对测试岩石动态断裂韧度的影响,在SHPB压杆系统上动态冲击直径80 mm的大理岩圆孔裂缝平台巴西圆盘,获得了弹性压杆上的应力波形,间接计算得到3种不同的作用在圆盘端部的动态载荷。将载荷输入ANSYS动态有限元模型中,求得了相应的动态应力强度因子,并根据试验-数值分析方法确定了岩石的动态断裂韧度测试值。结果表明,在加载速率约为4.0×104 MPa•m1/2/s的条件下,采用三波法确定的大理岩的平均动态断裂韧度为 3.92 MPa•m1/2,采用一波法比三波法计算的结果偏低11.22%,采用二波法比三波法计算的结果偏高20.15%,3种方法得到的结果差异较大。应力波在传播过程中,通过圆盘表面和预制裂缝面发生散射,部分能量不断发生释放是造成圆盘试件两端加载载荷不相等的主要原因。三波法是3种方法中比较理想的动态载荷确定方法,但需要考察试件的动态应力平衡性。     

岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出：岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。     

冲击作用下花岗岩的Ⅰ型裂纹形态及断面粗糙度研究

岩体工程中岩石常因动载作用产生断裂，研究岩石在冲击荷载下Ⅰ型裂纹的响应规律，采用分离式霍普金森压杆试验系统开展了侧开单裂纹三角形(single cleavage triangle，简称SCT)花岗岩试样的动态冲击断裂试验。采用Hough变换方法实现了表面裂纹形态长度及角度分布的定量描述，分析了表面裂纹形态与试样吸收能量的关系；并利用三维表面形貌仪获取了断面的三维点云数据，提出了基于拟合曲面阈值检测的断面重构方法，有效解决了断面三维点云数据误差点出现导致的误差问题；讨论了断面粗糙度与试件吸收能量间的关系。结果表明：随着吸收能量的增大，裂纹长度的指数分布λ值有增大的趋势；裂纹角度的分布较为平均，水平方向上的裂纹相对较少，试件能量耗散较低时，裂纹具有明显的方向性，能量耗散较高时，裂纹的弯曲程度更高且贯通性较好；断面重构方法在x、y方向点数的0.03～0.08，阈值为0.25时能够较好的完成断面处理，试件A、B断面的粗糙度统计参数随能量耗散的增大呈下降趋势。     

断裂岩石蠕剪中的细观接触损伤试验研究

为深刻理解构成断裂岩体长期抗剪强度的细观机制,对岩石断裂面的细观接触和损伤演化进行了试验研究。采用压剪方式和巴西劈裂方式制作出两类断裂岩石,在恒定法向力作用下对破坏岩石试件进行分级施加剪切力的蠕变试验。在加载前、中、后对断裂岩石分别进行CT和激光扫描,观察到不同蠕变阶段断裂岩石的细观接触和损伤状态,获得不同性质的断裂岩石抗剪强度特征。试验研究表明：构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个：一是细观凹凸啮合体的抗剪断能力;二是表观凹凸接触体的抗摩擦能力。拉破裂岩石表面局部粗糙度相对较大,抗剪强度以第1种破坏机制为主,剪切破坏岩石表面宏观起伏度较大,抗剪强度是以第2种破坏机制为主。在蠕变剪切过程中,两种机制交织在一起,并随时间或剪位移的增加而相互转换。     

三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究

为了研究含水状态下泥质粉砂岩的动态力学性能,进行了不同冲击速度下的分离式霍普金森压杆动载试验,重点研究泥质粉砂岩动力冲击过程中的能量耗散特征。结果表明:加载速率及含水率的变化将对岩样破坏均产生较大的影响。含水率的变化对岩样能量耗散特征产生较大影响,冲击速率越高时,试件的应变率越高,含水率越大时,比能量值及破碎程度也越高,平均破碎块度d越小;含水率的变化是导致断裂韧度变化的重要影响因素,含水率增加将导致试件的断裂韧度降低,在相同的冲击荷载下更容易断裂成碎块。     

空孔形状对岩石定向断裂爆破影响规律的研究

利用新型数字激光动态焦散线试验系统,采用有机玻璃板试件进行模型试验,研究了含预制不同形状空孔对岩石定向断裂控制爆破的影响规律。试验结果表明：在定向断裂控制爆破中,设置菱形空孔更有利于实现精细化定向断裂控制爆破,可有效保证巷道周边眼爆破的成型效果;对比含3种不同形状空孔试件爆生主裂纹扩展速度可知,含菱形空孔的扩展速度最大,含圆形空孔的次之,含带刻槽圆形空孔的最低;含圆形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子总体比含菱形和切槽圆形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子大;主裂纹扩展中后期阶段,含菱形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子相对较小。     

岩石应力应变全过程的声发射及分形与混沌特征

试验研究了岩石应力-应变全过程的声发射特征,得到岩石试件在初始压密和弹性阶段撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;应变硬化阶段撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。因岩石每个变形阶段产生的声发射特征不同,则可以用声发射方法研究岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。根据岩石声发射损伤三维定位的试验研究结果,其损伤的发展具有分形特征和统计自相似性,且岩石声发射事件数的演化过程可以用触发-生长-触发的链式生长模型来描述,通过事件数可以观察岩石微裂纹的演化过程,且岩石微裂纹的演化可用Logistic方程来描述,因而岩石的损伤演化具有分叉和混沌特征。     

中低应变率加载条件下花岗岩尺寸效应的能量特征研究

能量相互转化过程的综合作用导致了岩石破坏,而其破坏的根本原因是岩石中储存的应变能的释放。对中低应变率加载条件下岩石尺寸效应能量特征的研究结果表明：花岗岩破坏时吸收的总能量U、弹性应变能Ue以及损伤应变能Ud均随试件尺寸的增长而降低;岩石强度与岩石中储存的能量有关,尤其与弹性储能有关,即弹性应变能愈高,岩石强度越大;试件长度由50 mm 变为125 mm时,弹性储能逐渐降低,岩石破坏形态从劈裂破坏变为剪切破坏,大尺寸时局部化变形明显。能量是不同应变率加载条件下岩石破坏细微观及宏观特征存在差异的内在动力;亦是导致岩石强度存在尺寸效应的本质动因。     

高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究

基于改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明：高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。     

岩石爆破能量分析的数值方法

本文通过球形装药与岩石爆炸作用的力学分析,给出确定爆炸能量利用率的数值方法。通过算例,对于以破碎为主要目的的岩石工程爆破,爆炸能量利用率约为50%,爆炸作用初期的爆炸能量传递率约为40%。对于算例涉及到的炸药和岩石,两者的波阻抗越接近,爆炸能量利用率就越高。     

1988年度我院获奖科研成果简介

1.获国家发明奖(4等);YJ—150型岩石压剪试验机 获奖人员:王士升、刘玉奇 YJ—150型岩石压剪试验机是研究岩石、混凝土等非金属固体材料的压剪复合型断裂力学的专用试验机,可以模拟试件承受压剪复合载荷的工作状态,以测试试件的应力强度因子、平面应变断裂韧度,也可测试试件的抗剪强度等力学特性,为建筑工程、地震研究、能源开发、新型建材研制等工程     

岩石非理想裂纹圆盘试件动态断裂韧性测试的有限元分析及试验研究

采用中心裂纹圆盘-霍普金森压杆(CCCD-SHPB)试验系统对大理岩中心裂纹圆盘试件进行不同加载速率下的纯Ⅰ型加载试验,研究岩石材料动态断裂韧性的加载速率相关性。考虑到试验中所使用的圆盘试件是带有中心切口的非理想裂纹,结合试件的实际加工情况,提出采用切口尖端形状为小圆弧形的预制裂纹,介绍了试件的制作方法,并利用有限元计算论证了采用这种形状非理想裂纹试件的试验可行性。结果表明,采用圆弧形裂尖、裂纹宽度为1 mm的中心切口非理想裂纹圆盘试件来代替理想裂纹圆盘试件是可行的,误差不超过2.13%。分析试验数据得出：非理想裂纹圆盘试件在纯Ⅰ型加载条件下,其断裂韧度表现出明显的速率相关性,且随着加载速率的增大而增大。     

复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

动载作用下岩石类材料破坏模式及能量特性

对岩石类材料的破坏模式和能量特性进行分析研究,利用ANSYS/LS_DYNA数值模拟软件模拟SHPB冲击的整个过程。通过对试验和数值模拟所得测试曲线进行对比确定模型的有效性,进而分析试件中有效应力的传播过程,提出试件张应变破坏、轴向劈裂拉伸破坏、压碎破坏的3种破坏模式;通过对数值模拟所得试件的内能-时间历程分析表明,试件的内能具有显著的应变率效应,在应变率较低时,可以划分为2个阶段,而在应变率较高时,可以划分为4个阶段。     

非贯通非共面凝灰岩节理岩体各向异性及其能量特征分析

通过预制平行非贯穿节理试件进行单轴压缩试验,系统研究在节理倾角和节理间距组合形式下,对岩石试件的应力-应变曲线、峰值强度、变形参数、能量特征等的影响。试验研究发现:(1)平行节理岩体强度和变形曲线随节理倾角都呈现U型,当节理倾角为60°时,岩石单轴抗压强度取得最小值,表现出强烈的各向异性,随着节理间距的增大,岩石的单轴抗压强度逐渐增大;(2)试件破坏模式主要与节理倾角有关,在倾角为30°、45°时为张拉破坏或者张剪破坏特征,在倾角为60°时表现出剪切破坏特征,倾角为75°时为张剪破坏;(3)岩石在变形各阶段中吸收能量与耗散能成非线性增长,弹性应变能呈现先增加后减小,能量曲线随节理间距成指数增加关系。 更多还原     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

循环荷载下干燥与饱和砂岩力学特性及能量演化

对取自陕北榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥及饱和试件进行单轴循环加、卸载试验,分析了干燥与饱和状态下岩石的强度和变形特征以及岩石破坏过程中的能量演化与能量分配情况。结果表明:(1)循环加、卸载导致干燥试件的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%;(2)饱水对砂岩的强度和变形均有影响,饱和试件的平均峰值强度比干燥试件低39.55%,同时饱和试件具有更加明显的压密阶段;(3)循环加、卸载下砂岩的加载和卸载弹性模量均呈现增大趋势,但饱和试件的弹性模量低于干燥试件;(4)通过峰值强度归一化处理后发现,在应力加载的不同阶段,饱和试件的弹性应变能Ue和耗散能Ud均低于干燥试件;(5)加载过程中,饱和试件弹性应变能Ue的占比高于干燥试件,该比例随着加载过程逐渐下降并在破坏前与干燥试件的Ue的占比达到近似水平。     

金川软岩蠕变破坏机理电镜实验研究

为探讨金川矿岩石蠕变破坏机理,应用微观扫描电镜(SEM)对蠕变受力情况下岩石破坏断口微观形态进行了观察研究,并分析了其产生的微观破坏机制。结果表明:岩石蠕变断裂的微观机制主要是拉伸、剪切作用下岩石发生脆性断裂,从岩石断裂微观形态研究岩石蠕变断裂,可以更好的揭示岩石断口微观形貌特征、裂纹生核、扩展、及断裂方式与岩石蠕变演进过程的联系。