强度比对类复合岩样冲击破碎特征的影响

为了保证复合地层中施工效率及工程安全,揭示动荷载作用下复合岩层的力学特征,通过分离式霍普金森压杆对三种不同强度比的类复合岩样进行动态巴西劈裂试验,基于破碎分形理论,探究强度比、应变率、入射角对类复合岩样的破碎程度及能耗特性的影响。试验结果表明:层理面倾角对类复合岩样破碎形态有较大影响,当应变率为146.36 s^(-1)时,沿层理面加载试样易发生劈裂拉伸破坏,且强度比越低试样破坏所需吸收的能量越少;当入射角为0°时,类复合岩样分形维数随着强度比的增大而增大,但当入射角为90°时强度比为1.5的复合岩样分形维数最大;类复合岩样吸收的能量主要用于裂纹扩展,单位体积内试样吸收的能量越大,试样越破碎,即类复合岩样分形维数与能耗密度呈正相关。

三轴压缩下单裂隙位置对复合岩样力学变形与破坏模式的影响

在地下富存裂隙的层状复合岩体中,复杂围压环境和裂隙分布对复合岩体力学性质和损伤破坏具有显著影响。选取由类灰岩和类砂岩组成的含预制单裂隙的复合岩样作为研究对象,通过常规三轴压缩试验,分析不同裂隙位置和围压条件下岩样的力学变形和破坏模式。结果表明:(1)完整复合岩样的强度受砂岩控制,而变形受灰岩限制。(2)随着围压的增加,复合岩样破坏特征由裂隙位置主导转变为由围压主导;复合岩样的体缩受围压的影响,而体胀受裂隙位置的影响。(3)在单轴压缩条件下,裂隙对岩样力学性质的削弱程度最大;当裂隙位于灰岩中时,损伤应力受围压影响最显著,岩样的强度和弹性模量随着裂隙位置的改变(从灰岩、接触面到砂岩)及围压的增加呈现出增加的趋势。(4)灰岩中的裂隙易产生拉伸裂纹,砂岩中的裂隙易产生剪切裂纹;随着围压的增加,复合岩样由拉伸破坏转变为剪切破坏,破坏模式由围压主导。该研究成果对复合岩体工程的安全加固设计具有一定的指导意义。

复合岩样中单裂隙几何特征对其破坏模式及强度的影响

大量矿山岩体工程中广泛存在着不同性质岩石相互接触,局部构成了典型的复合岩体,复合岩体的破坏相对于单一岩体更为复杂,为探究复合岩体中裂隙几何特征对其整体破坏模式及强度的影响,对含单裂隙的复合岩样进行了单轴压缩模拟试验。结果表明:在单轴压缩条件下,裂隙倾角或长度越大,复合岩样中力学性能相对较弱一侧的裂隙扩展尤其是反翼扩展范围越小,其破坏模式呈现出"X"→"y"→">"的过渡变化特征;复合岩样整体强度与裂隙长度、裂隙倾角分别呈现出线性负相关和"S"型非线性正相关,而对于裂隙平行于轴向荷载的复合岩样,其整体强度与完整复合岩样整体强度较为接近,研究结论在一定程度上揭示了复合岩样的破坏过程,能够为复合岩体工程的加固提供理论支撑。

冲击荷载下强度比对类复合岩样能量耗散影响的研究

利用直径为50 mm的分离式霍布金森压杆试验装置对类复合岩样进行动态冲击试验。研究了不同应变率、入射波的不同入射顺序、不同强度比、不同入射角度对岩体能量耗散的影响。试验结果表明:类复合岩样的入射能、吸收能、能量利用率均随应变率的增大而增大;不同入射顺序对吸收能和能量利用率有不同影响,且随着强度比增大,不同入射顺序的影响逐渐减小;当应变率约为270 s-1时,不同强度比类复合岩样的能量利用率均随着入射角增大呈现先减小后增大的趋势,在入射角为30°时能量利用率最小,入射角90°时能量利用率最大。

复合岩样破裂的力学特性与温度变化特征

为研究复合岩层顶板破裂的力学特征及温度特性,对复合岩样开展单轴压缩变形实验,采集岩样加载至破裂过程的温度数据,分析复合岩样破裂特征及能量转化规律。结果表明,复合岩样应力峰值具有波动特性,峰前有无顿挫导致峰后曲线呈现倾斜下落和横向下落。岩样破裂过程中峰前总能量、峰前弹性能、峰后释放能量、耗散能、盈余能量依次减小,高温和低温变化趋势一致。温度在压密阶段增长和波动降低,在弹性阶段波动降低,在塑性阶段出现升降和升高过程,在破坏阶段持续增长,至峰后保持稳定。温度对复合岩样微破裂的敏感程度较高。该结果为层状顶板的破断机理研究提供了理论参考。

一维动静组合加载下复合岩样动态力学特性试验研究

为研究高地应力与动力扰动下复合岩层的破坏机理,利用改进的分离式霍布金森压杆试验装置,开展一维动静组合加载下复合岩样的动态力学特性试验研究。选取0、20%σ_(s)、40%σ_(s)、60%σ_(s)、80%σ_(s)(σ_(s)为岩样静态单轴抗压强度)5个水平的轴压,对复合岩样进行0.5 MPa和0.9 MPa冲击气压下的冲击试验,并借助高速摄像机对岩层倾角α=30°时岩样的动态破坏过程进行记录。通过对试验结果的分析主要得到以下结论:复合岩样在一维动静组合加载下表现出的动态力学特性变化规律与均质试样以及含裂隙试样有显著差异;轴压对复合岩样的动态变形模量和动态强度有明显的影响,轴压为20%σ_(s)时对应的动弹模和动强度均为极值点;复合岩样的单位体积吸收能随轴压的增大整体呈减小趋势,在α=60°时出现单位体积释放能现象;除α=0°之外,其余各倾角的能量吸收率随轴压的增大总体呈减小趋势;复合岩样随着轴压的增加破坏程度更大,复合岩样主要以拉-剪组合破坏为主,层理面及B材料(即强度较低的岩层)对试样的破坏有控制作用。

单裂隙分布对复合岩样力学性质和扩展破坏的影响

在富存复杂裂隙的层理岩体中,裂隙分布对其力学性质及损伤破坏具有显著影响。以由类砂岩和类大理岩组成的复合裂隙岩样为例,采用单轴压缩试验和DIC技术,分析裂隙位置和裂隙倾角对岩样力学性质和破坏的影响。结果表明,岩样的力学性质随裂隙位置依次从大理岩、交界面到砂岩的改变及裂隙倾角的增加呈增加趋势。裂隙位置对岩样破坏影响为当裂隙在大理岩中时,初始裂纹易为砂岩中的远场裂纹,表面剥落在砂岩和大理岩中均有发生,但砂岩处破坏更明显,易发生“H形破坏”;当裂隙在交界面和砂岩时,易为砂岩处裂尖产生的翼裂纹、反翼裂纹,剥落现象只发生在砂岩处,分别易发生“1γ形破坏”和“y形破坏”;同时,初始裂纹产生对应的应力应变水平σ、ε随裂隙位置由砂岩、交界面到大理岩的改变依次提高。裂隙倾角对岩样破坏影响为α=90°时裂尖不易起裂,α=45°时裂尖易起裂;在相同裂隙倾角下,裂隙位置相同时α=90°的σ、ε最大,α=0°、45°时最小;α=0°时均发生“H形破坏”,α=90°时均发生“y形破坏”。研究结果对实际工程建设和设计具有指导性意义。

基于SHPB的复合岩样动态压缩破坏能量耗散分析

应用直径50mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置在不同应变率下对不同倾角(0°、30°、60°、90°)的复合岩样(50mm×50mm的圆柱试样)进行动态压缩试验.通过超动态应变仪监测入射杆、透射杆的应变信号,分析应变率、岩层倾角对复合岩样动态破坏过程中能量耗散的影响.研究结果表明:复合岩样的入射能、吸收能均随应变率的增大而增大;岩层倾角为0°、30°、90°时试样的能量吸收率随应变率的增大呈现出先增大后减小的趋势,倾角60°时能量吸收率则随应变率的增大呈现单调递减趋势;当应变率相近时,随着岩层倾角的增大,试样的能量吸收率呈现出先减小后增大的变化趋势,且在倾角60°时能量吸收率最小;试样在倾角60°时破碎程度远小于其他角度.

一维动静组合加载下复合岩样动态力学特性数值模拟

针对地下工程施工和深部开采过程中,遇到的复合岩层在“动载+静载”受力状态下破坏越来越多的问题,以水泥砂浆为材料制备类岩石试样,对复合岩层开展一维动静组合加载下动态力学特性研究.利用PFC离散元软件,建立一维动静组合加载SHPB数值实验模型.选取0、20%σ、40%σ、60%σ、80%σ(σ为试样静态单轴抗压强度)5个水平的轴压,对7种层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)的复合试样,开展高应变率(100 s、200 s、300 s)范围内的一维动静组合加载模拟实验,并探讨了复合试样在不同加载速率下的破坏模式.研究表明:轴压20%σ对应的动态强度最大;复合试样主要发生拉剪组合破坏,层理面及强度低的材料B对试样的破坏有控制作用;随轴压的增大,复合试样破坏程度越来越严重.