不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT－150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明,在围压为0或围压一定的情况下,应变率低于102 s-1时,抗压强度的增加与应变率的量级呈正比;在应变率高于102 s-1时,岩石的抗压强度增加趋势与应变率的1/3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对101～102 s-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这一现状,根据上述试验规律,结合Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和Griffith准则的原理,给出了不同应变率范围内动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明,在低应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则均适用,但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则比较适用,Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。     

基于数值模拟研究岩石材料冲击载荷下的动态抗压强度增强

为了确定岩石材料在SHPB实验中的真实应变率效应,需要去除实验中的横向惯性效应和端面摩擦效应作用引起的动态抗压强度增量。本文假定材料的真实应变率效应、横向惯性效应和端面摩擦效应三者不相关,基于数值模拟的方法确定岩石材料的横向惯性效应和端面摩擦效应。将从SHPB实验中得到的动态抗压强度数据减去分别由横向惯性效应和端面摩擦效应引起的动态压缩强度增强量,即可获得岩石类材料在SHPB实验中的真实应变率效应。     

考虑应变率效应的广义Hoek-Brown动态强度准则

岩石强度特性具有明显的围压效应和应变率效应,研究复杂应力状态下动态强度准则对于岩石动力学分析至关重要。利用10~(-5)~10~(2.32) s~(-1)应变率范围内砂岩静动态间接拉伸和单、三轴压缩强度试验数据,进行了广义Hoek-Brown强度准则预测砂岩动态强度的适用性研究,分析了材料参数的应变率效应。结果表明,广义Hoek-Brown强度准则能够较好地描述同一应变率下较低拉应力区到较高压应力区砂岩强度规律,低应变率区单轴抗压强度c_s和参数a变化不大,高应变率区随应变率的增加非线性增大,而参数m几乎不受应变率影响。基于分析建立了单轴抗压强度c_s和参数a的应变率效应函数关系,提出了由低应变率到高应变率下的广义Hoek-Brown动态强度准则统一表达式,进一步探讨了岩石强度依赖应变率效应和围压效应的物理机制。     

酸腐蚀后灰岩动态压缩力学性质的试验研究

地下水化学腐蚀在岩石圈中广泛存在,而岩体也常因承受动荷载而变形破坏。为探究酸腐蚀后灰岩的动态力学性质,将试样分别在pH=3的NaCl和KHSO_4混合溶液中浸泡不同时间,通过核磁共振测试获得了部分试样的孔隙率、孔径分布及成像灰度图,并利用分离式Hopkinson压杆开展了5种应变率的单轴冲击试验。结果表明:随腐蚀时间增加,灰岩孔隙率从自然状态下的0.26%剧增到3.20%(腐蚀28 d),微孔隙尺度也同步增大;动态抗压强度大幅劣化(30.3%),并可根据下降速率区分为2个阶段,而其弹性模量和比能量吸收值则随时间呈指数衰减。自然状态和腐蚀后灰岩的应变率响应规律基本一致:随应变率增大,破坏模式由典型的劈裂破坏向拉剪混合、剪切破坏过渡,直至粉末状破坏;抗压强度和弹性模量近似线性增加,但自然状态下二者对应变率的敏感程度较腐蚀后强烈。酸腐蚀对灰岩动态承载能力和抗变形能力具有重要影响,在工程实践中应加以考虑。     

高温后砂岩动力特性应变率效应的试验研究

利用MTS652.02高温炉与φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,对800 ℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验,分析17.904～62.600 s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律。结果表明：800 ℃后砂岩动态应力-应变曲线大致经历压密、近似线弹性变形、微裂纹演化、裂纹非稳定扩展、应变软化以及卸载6个阶段;随着应变率提高,砂岩动态弹性模量、峰值应力随应变率的提高基本呈对数形式逐渐增加,峰值应变近似呈对数形式逐渐降低;较低应变率下,砂岩破坏为典型的张拉破坏,随着应变率的升高,剪切破裂面所占比例逐渐升高,砂岩破坏型式具有从张拉破坏向剪切破坏的变化趋势;800 ℃热处理后,砂岩破坏程度随应变率的提高逐渐提高,并且高应变率下破坏程度的应变率敏感性更加显著。     

单轴压缩下绿砂岩长期强度的尺寸效应研究

岩石的蠕变特性是影响岩体工程稳定性的重要因素,而岩石的长期强度是确定岩体工程长期稳定的一个重要指标。由于岩石材料的非均质性,其长期强度具有明显的尺寸效应。为了研究岩石长期强度的尺寸效应,首先,在幂函数模型基础上,基于损伤力学理论,建立了能够描述岩石蠕变全过程的非线性蠕变损伤模型;然后,把运用该模型计算得到的单轴压缩蠕变数值模拟结果与室内单轴压缩蠕变试验结果进行对比,验证了模型的正确性;最后,采用所提出的模型对7个不同尺寸的岩样进行了单轴压缩蠕变数值模拟,并对岩石长期强度尺寸效应进行了分析。数值模拟结果表明：随着试样尺寸的逐渐增大,岩石长期强度值逐渐减小,当试样尺寸增大到一定程度时,岩石长期强度稳定在一个特定值附近。     

碎屑砂岩三轴压缩下强度和变形特性试验研究

基于碎屑岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差、呈孔隙式胶结接触等特点,对碎屑砂岩首先开展了物理特性试验分析,认为其微、细观结构复杂、内部破坏严重,矿物成分为石英、长石、绢云母等,化学成分以SiO2为主,属微透水、小孔隙率砂岩,且渗水化学侵蚀并不显著。其次,开展了静水压力、单轴压缩和三轴压缩试验,研究了碎屑砂岩的强度和变形破坏特性。最后,初步探索了物理特性与强度变形特性的关系。结果表明,静水压力为2.6 MPa时,岩样内部微缺陷压密完成;单轴压缩曲线呈明显6阶段特征,峰值应力达0.98 MPa,属脆-延性破坏;三轴压缩条件下,岩样呈压缩为主的延性扩容破坏,轴向压缩和环向体积扩容达6%和4%;曲线无明显破坏荷载,呈现非线性、塑性硬化、存在屈服平台和体积由压缩向扩容过渡等特性。且体积扩容破损应力与屈服应力基本相同,扩容转折点随围压增加而增大,围压可增强岩样抵抗变形破坏的能力。试验结果旨在为岩石工程稳定分析及本构模型构建提供可靠的依据。     

人工冻土围压SHPB试验与冲击压缩特性分析

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,以铝质套筒作为围压装置,分别研究温度为-8、-12、-16 ℃在不同应变率下的人工冻结黏土围压状态变形特征和轴向动态应力-应变关系。研究结果表明：在围压状态下,冻土呈黏塑性破坏特征;当人工冻结黏土温度为-16 ℃、平均应变率分别为410、457、525、650、827 s-1时,其最大应力分别为10.76、12.18、14.27、20.24、23.34 MPa,最大应变分别为0.081 7、0.097 2、0.105 0、0.131 0和0.166 0,表现出较强应变率效应;-12 ℃和-16 ℃时在应变率为457 s-1下的最大应力分别为8.28 MPa和12.18 MPa;当应变率相同时,温度越低,最大应力越大,冻结黏土表现出较强的温度相关性。人工冻土的动力学特性为冻土开挖方法的研究提供依据。     

高温后大理岩动态劈裂拉伸试验研究

为了研究高温处理后的岩石材料在冲击加载速率作用下的动态劈裂拉伸性能,利用大直径分离式霍普金森压杆试验设备对经历不同高温作用冷却后的“大理岩”平台巴西圆盘试样进行不同加载速率作用下的径向冲击试验。研究了高温后大理岩的动态劈裂拉伸强度及动态劈裂破坏形式随温度和冲击加载速率的变化规律。试验结果表明,与静态劈裂拉伸强度相比,经历不同高温作用冷却后,大理岩的动态劈裂拉伸强度有明显的提高,表现出显著的冲击加载速率强化效应,同一冲击加载速率作用下,随着温度的升高,动态劈裂拉伸强度表现出先增大后减小的变化趋势;高温后大理岩的动态劈裂破坏形式受到冲击加载速率和温度的共同影响。     

砂岩高温前后超声特性的试验研究

对焦作砂岩经历不同温度（100 ℃～1 200 ℃）前后超声纵、横波波速和几何尺寸进行了量测,进行了单轴抗压强度试验,计算了超声波纵波经过岩样的衰减系数,应用波速与弹性模量的关系计算了岩样的裂隙密度。比较了经历不同温度前后的岩样体积、超声波速、衰减系数的变化。结果表明,岩样在经历高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;对经历不同温度后的岩样波速改变与强度变化规律有明显差异,但超声衰减系数与强度变化规律相似,可以为强度评价提供一定参考。     

干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

由于地下水位的升降等原因,岩体经常处于干湿交替状态,这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象,进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究,获得了砂岩应力-应变曲线,分析了其变形破坏特征。相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件,经过不同次数的干燥－饱水交替作用后,砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后均有较大幅度的下降,此后,随着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小,干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下,砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大,干燥试件强度的围压效应要比多次干湿交替作用后的试件显著。     

压实度和含水率对压实黏性土动态力学性能的影响试验研究

利用直径为? 25 mm的聚碳酸脂分离式SHPB试验装置和真空封泥作为波形整形器,以不同速度撞击试件,测试了不同压实度和含水率试件在应变率范围为600～2 500 s－1内的动态力学性能,并对试验结果的有效性进行了讨论,分析了冲击压缩荷载作用下应力-应变曲线、动态峰值应力与峰值应变,动态峰值应力和峰值应变增长因子以及比能量吸收与应变率之间的关系。研究结果表明：压实黏性土的动态峰值应力、峰值应变和比能量吸收随应变率的增大而增大,而压实度与含水率对压实黏性土的动态峰值应力、峰值应变和比能量吸收基本无影响;压实度与含水率对动态峰值应力和峰值应变增长因子有较大影响;比能量吸收随应变率而呈指数增长。     

珊瑚颗粒力学特性应变率效应试验研究

珊瑚单颗粒破碎特性与珊瑚砂高压缩性、剪缩性及良好蠕变性等宏观力学行为密切相关。珊瑚颗粒的应变率效应对于不同形式荷载作用下珊瑚砂强度与变形特性研究具有重要意义。对约300颗珊瑚颗粒进行0.1～50 mm/min位移速率下的单颗粒破碎试验,探讨加载应变速率对颗粒破碎强度、破碎模式、破碎能量及破碎分形的影响。结果表明,珊瑚颗粒破碎强度服从Weibull分布规律,且特征破碎强度随应变率的提高非线性增大;随着加载速率的增大,颗粒主劈裂破坏往往先于棱角的局部碎裂和表面研磨,相应的荷载?位移曲线呈现出由峰前“多峰”向峰后“多峰”现象转变;珊瑚颗粒破碎能量密度和破碎分形维数同样具有明显的应变率效应,且均与对数应变率呈线性正相关关系,表征能量耗散和破碎程度均随加载应变率的增大而增大。     

花岗岩力学特性的温度效应试验研究

通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验,对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究,分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变化规律,并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续劣化;（2）高温作用冷却后再加载,花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大,800 ℃左右岩样强度突然降低;（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低;（4）剪切滑移应变在800 ℃之前相对较小,且变化不大,之后便迅速增大,表现出明显的塑性;（5）提出了热-力耦合因子的概念,并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型,模型曲线和试验曲线较吻合。     

Hopkinson压杆对准脆性材料的动态力学实验研究

分离式Hopkinson压杆是对准脆性材料实施高速加载的理想工具,利用该装置可以对准脆性材料实施各种加载方式,测定材料的动力特性参数。对分离式Hopkinson压杆装置的测试原理做了扼要说明,简单介绍了目前用于准脆性材料的测试方法(压缩实验方法和拉伸实验方法),并结合目前的测试技术,对准脆性材料的实验方法提出了一些新的设想。