节理岩体动态破坏的SHPB相似材料试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理条数、载荷应变率、节理充填物厚度、节理充填物类型及试件长径比等7种工况下的节理岩体动态强度及破坏模式进行了分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验研究。结果表明：节理岩体动态破坏模式及强度与节理构造形态密切相关。对于单节理岩体,其强度及破坏特征在很大程度上受节理倾角控制,节理倾角0°、90°试件动强度分别为完整试件的90%和71%,且其破坏形式均为张拉破坏;倾角60°试件动强度几乎为0;倾角30°、45°试件的动强度分别为完整试件的50%和18%,且其破坏以剪切破坏为主,兼有张拉破坏。中心1/4、1/2、4/5及全贯通节理试件的峰值强度分别为完整试件的95%、74% 、28%和17%,即随节理贯通度增加,试件动强度逐渐降低。含1~3条节理的试件动强度分别为完整试件的54%、23%和10%,即随节理条数增加,试件动强度随之有较大幅度降低,但节理条数的增加并没有改变其破坏模式。随着节理充填物厚度增加及节理充填物强度降低,试件强度依次递减,但破坏模式并没有改变。完整试件和节理试件的动强度均随着载荷应变率的增加而变大,且前者对载荷应变率的敏感性要远远高于后者,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。两类试件的动强度均随着试件长径比的增加先增大后减小,即存在一个最佳长径比。     

脆性颗粒材料的动态多尺度模型研究

脆性颗粒材料的多尺度模型一般包含微观尺度的基本粒子、细观尺度的颗粒和宏观尺度的颗粒堆积体3个尺度。基于离散元方法（DEM）构建多尺度模型,并将该模型应用于动态加载。首先,对多尺度模型所涉及的两种接触模型和两种黏结模型的参数进行分析,详细讨论微细观模型参数与宏观材料常数之间的联系。然后,选用Hertz-Mindlin接触模型[1]和平行键黏结模型,建造石英砂的动态多尺度模型。通过选择合适的强度和局部阻尼参数发现,模型宏细观尺度上的动态压缩响应与对石英砂的相关试验结果吻合很好。利用多尺度模型和选定的参数,探讨与动态加载密切相关的局部阻尼机制对多尺度模型各个尺度上力学响应的影响。结果表明,阻尼越大则颗粒材料对波的衰减能力越强,但过高的阻尼会使团簇强度和模型的宏观压缩曲线都表现出异常的加载速度效应（后者实际是阻尼引起的微惯性效应）。另外,高阻尼会过度衰减颗粒破碎过程产生的应力波,从而阻碍颗粒破碎。最后,应用改进的动态多尺度模型,对脆性颗粒材料的动态破碎特性进行研究,发现该模型不但能给出与试验相吻合的颗粒级配曲线,还能揭示出颗粒破碎过程中微裂纹分布的空间不均匀性,即颗粒破碎过程中波的产生机制和衰减机制相互作用导致的微裂纹聚团分布的现象。     

隧道围岩爆破损伤防护的霍普金森压杆试验

为减小爆破对隧道围岩的损伤,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该方法的作用机制。为分析和验证PVC-U管对隧道围岩损伤的防护效果,利用Φ100 mm的霍普金森试验装置进行隧道围岩损伤防护试验,从试件宏观破坏、应力波衰减和能量变化3方面进行了分析。结果表明：防护材料改变了岩石的受力状态,当防护材料厚度从0增加到6.24 mm时,无防护材料的试件的破坏程度比有防护材料的试件严重,且随着防护材料厚度的增加破坏程度不断减小;试件的应力峰值呈不断降低趋势;应力峰值的降低率不断增加;耗散能与入射能比值从61.08%下降到39.97%。可见,防护材料对岩石冲击损伤具有一定防护作用。该方法在某巷道掘进中得到应用,并取得了良好效果。     

干湿循环条件下煤矿砂岩分离式霍普金森压杆试验研究

由于降雨、季节引起地下水位升降等原因,地壳中岩体常处于干湿循环状态。为研究干湿循环对岩石动态力学性能的影响,以安徽恒源煤矿北风井-259 m处砂岩为研究对象,采用?50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,对长径比为0.5的煤矿砂岩试件经干湿循环作用后实施单轴冲击压缩试验,获得了砂岩动态单轴压缩应力-应变曲线。研究发现,由于自由水的Stefan效应,干湿循环1次对砂岩具有增强作用,单轴动态抗压强度最高;其后,随着干湿循环次数的增加,砂岩受水侵蚀物理弱化作用,砂岩动态单轴抗压强度呈乘幂关系降低,砂岩试件的冲击破碎块度逐渐变小。试验结果表明,干湿循环12次时砂岩动态抗压强度比干湿循环1次降低约24%,表现出较强的劣化效应。     

基于大直径霍普金森压杆数值试验的非均匀介质动态破坏过程分析

基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D代替大直径SHPB试验技术对非均匀介质的动态破坏过程和动态性能进行数值模拟,分析了加载波形和介质的非均匀性对数值试样的动态性能,如应力-时间曲线、应变-时间曲线、应力-应变曲线和应变率-时间曲线的影响。分析表明,大直径SHPB弥散效应对试验结果的影响较大,选择合适的加载波形可以减小SHPB装置中应力波的弥散效应,得到较准确的试验结果,其中三角形波加载可以有效降低大直径SHPB动态测试中的应力波弥散,是岩石等非均匀材料SHPB动态测试的较理想加载波形;在相同加载条件下,岩石的非均匀性对波的弥散效应影响不大,但非均匀岩石的试验曲线比均匀岩石的曲线在波峰后都出现较大的振荡,这主要是由于不同均质度的岩石其单元具有不同的破坏分布造成的,不是波形弥散造成的。     

10~1～10~2s~(-1)应变率下花岗岩动态性能试验研究

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)上对花岗岩进行了10~1～10~2 s~(-1)应变率段的动态压缩试验.试验主要做了以下3点改进:(1)采用大直径变截面锥杆,并严格限制试件长径比;(2)选用退火紫铜片和药用胶布作为脉冲整形器;(3)在入射杆与试件接触端面加设万向头.此外,通过高―低应变率重复加载试验得到了花岗岩材料在变速重复冲击下特有的力学性能.结论表明,在此应变率段花岗岩材料具有明显的应变率硬化效应,峰值应力前应力-应变曲线的跃进特性.     

准脆性材料断裂模拟方法研究

针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。     

高应变率条件下三峡工程花岗岩动力特性的试验研究

采取多种措施改进了分离式Hopkinson压杆试验技术,用改进的设备对三峡坝址处的花岗岩进行了大量的动态单轴压缩试验和劈裂试验,发现该岩石具有明显的应变率效应,其动态压缩破坏呈3种形态：边缘崩落、留心破坏、完全破坏;探讨了相应的破坏机制;分析了应变率对动态弹性模量和动态抗压强度的影响;以Hoek-Brown破坏准则为基础建立了相应的动态破坏准则。     

冲击载荷作用下准脆性材料Ⅱ型裂纹扩展研究

冲击载荷作用下准脆性材料的动态断裂一直是关注的热点问题,Ⅱ型裂纹试样受冲击剪切时其裂纹扩展方向同材料力学性质和冲击速度等密切相关。应用岩石动态破裂过程动态分析系统软件,对单边平行双裂缝试样开展了冲击载荷作用下的裂纹动态扩展数值模拟,分别研究了不同材料力学性质、材料均质度、入射应力脉冲幅值和历时对II型裂纹动态扩展的影响。数值模拟结果表明,纯II型裂纹在动荷载作用下的扩展,不仅受到剪切损伤,而且还存在拉伸损伤;准脆性材料的非均匀性导致了主裂缝周围产生大量微裂纹的破坏,影响裂缝的分岔和内部的应力值;应力幅值和应力脉冲历时分别超过某一定值时,主裂缝将出现分叉现象,试样的破坏程度加剧,其研究结果对于深入揭示准脆性材料在动荷载作用下II型裂纹扩展的规律及准脆性材料的损伤断裂机制具有重要的参考价值。     

单轴压缩下非饱和黏土动态力学性能试验研究

黏土作为一种松散多孔材料,其波阻抗较低,采用传统分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行单轴压缩试验时,存在透射信号弱、应力不平衡等问题。针对以上问题,提出利用石英压电晶体测定试样的应力并监测试样两端的应力平衡,采用入射波整形技术,考察应变率、含水率对非饱和黏土动态力学性能的影响规律。试验结果表明,非饱和黏土试样的单轴抗压强度与应变率及含水率的关系密切,强度随着应变率的提升而上升,但随着含水率的提升而下降。通过对试验结果的分析,分别提出单轴抗压强度与含水率及应变率之间的关系式,并通过拟合确定参数,拟合结果较好。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

岩石内部损伤演化是导致岩土工程灾害的原因之一,揭示岩石破裂过程中的关键参数响应特征可为岩石破坏后失稳状态识别提供依据,对于岩体工程灾害预警防控至关重要。通过循环加载−卸载(加卸载)试验制备不同损伤程度粉砂岩试样,利用损伤试样开展单轴加载试验,分析试样损伤程度与波速关系及声发射演化规律,探讨不同损伤程度岩石的声发射响应机制。结果表明：(1) 损伤试样纵波波速随着损伤程度增加呈线性减小趋势,但声发射振铃计数由阶段性递增转变为加载全过程迅速增加,声发射能量在屈服阶段由小幅度突增转变为快速增加。(2) 反映岩石内部不同尺度裂隙发展趋势的声发射b值峰值区由峰后破坏阶段向压密阶段转移,造成峰后破坏阶段失稳特征不明显,反映岩体内部声发射源集中程度和能量尺度的S值在压密至屈服阶段由低位中幅度波动转变为高位小幅度波动,表明岩石在峰前阶段产生非稳定破坏。(3) 损伤试样破裂过程随着损伤程度增加由晶间滑移主导型转变为裂隙发育主导型,导致声发射高频低能(400~800 kHz、0~250 aJ)信号由零星出现转变为加载全过程密集分布,以及高频信号带变宽。(4) 损伤岩石内部裂隙发育程度不同是导致声发射响应机制差异化的根本原因,岩石内部裂隙密度随着损伤程度增加而增大,造成其在受载过程中由渐进式稳定破坏模式向突发式非稳定破坏模式转变,同时加载过程中声发射信号活跃度及强度增强。研究获得了不同损伤程度岩石的声发射参数特征,可为工程岩体损伤程度识别提供理论依据。

     

低温含水砂岩动态压缩力学性能试验研究

为研究砂岩动态压缩力学性能,采用SHPB装置对低温含水砂岩试样进行6种不同加载速率的冲击压缩试验。结果表明：-10℃时砂岩动态抗压强度和弹性模量明显大于-15℃时,动态抗压强度与应变率均呈乘幂关系增长;动态弹性模量与应变率呈正相关性,-10℃和-15℃时均呈多项式关系;动态应力-应变曲线分为4个阶段,应变软化阶段的应变范围随应变率的增加而增大;砂岩试样破坏模式随着应变率的增加,由块状劈裂结构、片状层裂结构的拉伸破坏,转变为锥形体结构的剪切破坏,最终呈现颗粒状粉碎破坏。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。     

Boundary settings for the seismic dynamic response analysis of rock masses using the numerical manifold method

Aiming to accurately simulate seismic dynamic response of rock masses using the numerical manifold method (NMM), boundary settings must be treated carefully. In this paper, 4 issues in boundary settings are investigated to improve the performance of NMM: (1) Nonreflecting boundaries including the viscous boundary and viscoelastic boundary are considered; (2) A free‐field boundary is incorporated into NMM to accurately simulate external source wave motion; (3) A seismic input boundary is considered, and the force input method is introduced; and (4) A static‐dynamic unified boundary is incorporated for the convenience of transforming displacement boundary into other types of boundaries, such as nonreflecting boundaries and seismic input boundary. Several benchmark problems are solved to validate the improved NMM. Simulation results agree well with analytical ones, indicating that the improved NMM is able to simulate seismic dynamic response of rock masses reliably and correctly.     

Boundary setting method for the seismic dynamic response analysis of engineering rock mass structures using the discontinuous deformation analysis method

Large deformations and discontinuous problems can be calculated using the discontinuous deformation analysis (DDA) method by solving time steps, and this method is suitable for simulating the seismic dynamic response of engineering rock mass structures. However, the boundary setting must be carefully analyzed. In this paper, four boundary settings for the DDA method are investigated. First, the contributions to the DDA equations for nonreflecting boundaries (including the viscous boundary and the viscoelastic boundary) are deduced based on the Newmark method. Second, a free‐field boundary is introduced in the DDA method with boundary grid generation and coupling calculation algorithms to accurately simulate external source wave motion, such as earthquakes. Third, seismic input boundary treatments are intensively examined, and the force input method is introduced based on nonreflecting boundaries. Finally, the static‐dynamic unified boundary is implemented to ensure consistent boundary transformation. The boundary setting method in the DDA method is discussed, and the suggested treatments are used to analyze the seismic dynamic response of underground caverns. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.