分离式大直径Hopkinson杆实验技术研究进展

分离式大直径Hopkinson杆(SHB)是一种用于研究混凝土和其他非均匀材料动态力学性能的重要手段,杆直径增大会导致传统分离式Hopkinson压杆实验技术的基本假定失效,因此对实验技术、数据处理及实验结果分析等形成了新的挑战。介绍了大直径SHB杆实验技术的发展历程,总结了杆直径增加所带来的几何弥散效应、试件应力均匀性、试件端面平行性和横向惯性效应等问题及相应的解决方法,分析了大直径SHB实验技术的研究方向和热点问题。

高应变率下锚固体动态力学特性及能量耗散研究

优化冲击荷载作用下巷道锚固支护参数是提升冲击地压巷道锚固围岩抗冲变形能力的重要方法。为探究锚固支护锚杆直径这一参数对冲击加载下锚固体圈层变形稳定性的提升效能,采用分离式霍普金森压杆试验系统研究不同锚杆直径作用下锚固体的冲击破坏响应,得到不同锚杆直径参数下锚固体的动态应力-应变曲线、主应变云图、动态能量参数和破碎块度分布规律。研究结果表明:高应变率冲击加载下,随着锚杆直径的增加,锚固体动态抗压强度呈先上升后下降的趋势;锚杆延迟了锚固体裂纹萌生、扩展和贯通的过程,加锚试件锚固止裂效率呈先增大后减小的趋势;锚固体透射能量比与破碎耗散能量比呈先下降后上升的趋势,反射能量比呈先上升后下降的趋势,其分形维数与锚杆直径呈二次函数关系,与破碎耗散能密度呈正相关且一次函数关系;锚杆直径对围岩锚固效应的提升存在最优匹配的特点,锚杆直径过大或过小均不利于降低锚固体的冲击破坏程度。研究成果对优化冲击地压巷道锚固支护参数具有指导意义。

绢云母石英片岩和砂岩的SHPB试验研究

利用液压伺服压力试验机和波形整形器改进后的φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究绢云母石英片岩和砂岩在50～160 s-1应变率等级下的准静态力学性能及其在不同冲击压缩荷载作用下的波形曲线、动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态的应变率效应问题。试验结果表明,绢云母石英片岩和砂岩的动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态均表现出显著的应变率相关性,但弹性模量的应变率相关性较弱。综合绢云母石英片岩和砂岩动态力学性能的对比结果可知,砂岩比绢云母石英片岩对应变率的变化更敏感。从材料的微观结构特征和能量吸收的角度对岩石动态破坏过程进行分析,探寻岩石破坏的本质。研究成果可为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。

高温下砂岩动态力学特性研究

为研究高温下岩石的动态力学特性,组建了高温霍普金森压杆(SHPB)试验系统。并对处于不同温度等级(室温25～1 000℃)下的砂岩试件进行单轴动态压缩试验,研究了不同等级高温作用下砂岩峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。研究表明:砂岩动态力学特性的变化规律在100℃和200℃前后均发生了明显变化;200℃后砂岩峰值应力、弹性模量降低、峰值应变迅速增大;在高于600℃温度作用下砂岩动态力学特性较室温状态发生显著劣化。从材料的微观结构特征角度对高温下砂岩动态力学特性进行分析发现,不同温度等级高温对砂岩破坏的微观机理并不相同。研究成果可以为分析地下工程围岩在高温下的动态力学响应提供参考。

大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,以碳纤维混凝土（CFRC）的SHPB试验为例,就试验过程中的波形整形技术展开研究,内容包括：波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性分析。结果表明：厚度为1 mm,直径分别为20 mm2、2 mm、25 mm2、7 mm3、0 mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果,可将入射脉冲上升沿的升时延长1-1.6倍;应变率对于波形整形器的直径很敏感,随着整形器直径的增大,最佳近似恒应变率也在增加,一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率,且与整形器的直径之间满足线性函数关系;应力不均匀系数能够有效地描述混凝土材料SHPB试验的应力均匀性。

砂岩和花岗岩的动态性能与能量耗散分析

利用直径100mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对砂岩和花岗岩在应变率49~97s-1下进行了冲击压缩试验,对比分析了两种材料的动态力学特性和破坏形态.结果表明:两种材料的动态抗压强度,破坏程度和能量吸收随应变率的增大而增大,而花岗岩的能量耗散率则随着应变率增大而逐渐减少,呈现出较强的应变率相关性;初始弹性模量、峰值应变和砂岩的能量耗散率在3种应变率下的差别不大,应变率敏感性较弱.分析加载过程中两种试件能量吸收和耗散率的曲线,并从微观结构的角度对其动态破坏形态进行归纳分析.通过试验有效性的验证,证明试验较好地满足了均匀性假定.

高应变率下混凝土准一维大变形压缩实验研究

为研究C30混凝土动态大变形力学性能,设计开展了准一维应变动态大变形分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,获得了C30混凝土材料在200~530/s应变速率下的应力-应变曲线。同时为了进行比较,利用MTS810实验机进行了准静态大变形压缩实验。实验结果表明:在有被动围压的实验情况下,混凝土呈现出显著的弹塑性力学行为,这与混凝土单轴压缩时表现出弹脆性力学行为明显不同;混凝土在动态大变形压缩时也表现出了应变率敏感的特性,同时由于应变率效应及外围钢套提供约束效应,混凝土动态压缩时应力峰值相对其静态单轴压缩强度值显著增大。

线性增加冲击荷载作用下圆盘试样的动态应力平衡

为了考察含有预制裂缝的圆盘试样在SHPB系统上受线性增加冲击荷载作用过程中的应力平衡性,采用ANASYS有限元软件对圆盘试样的动态冲击进行数值模拟,获得圆盘的动态应力时间历程,对圆盘试样两个加载平台及加载直径韧带上节点的应力进行定量对比分析,提出确定动态应力平衡性判定的方法。结果表明:圆盘靠近入射端接触平台面上点的应力一致,而靠近透射端接触平台不同点的应力差异却非常大,尽管裂纹尖端附近节点的拉应力值较为接近,但在冲击载荷作用过程中,圆盘加载直径韧带上对称部分的节点动态应力始终无法达到平衡,较小的应力差异就能引起应力平衡度量值较为严重的振荡。这有助于正确认识岩石动态冲击破坏过程和提出准确测试岩石动态断裂韧度的方法。

玄武岩纤维对早强混凝土早期动力特性的影响研究

首先制备了玄武岩纤维体积掺量为0.2%的早强混凝土和不加纤维的早强混凝土,之后采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置对养护龄期为3 d的两种混凝土在不同应变率等级下的动力特性进行对比研究.结果表明,早强混凝土（ESC）和玄武岩纤维早强混凝土（BFESC）的抗压强度与峰值韧度体现出显著的应变率相关性;在50~150 s-1应变率范围内玄武岩纤维对早强混凝土的动态抗压强度和韧性提高明显;用峰值韧度表征韧性时,应变率77 s-1和100 s-1下,峰值韧度增幅达到36.67%和35.33%.

基于SHPB试验下两种岩石的动态力学性能研究

采用Ф100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了冲击压缩荷载作用下斜长角闪岩和砂岩动态力学性能,从岩石材料的微观角度阐明了两种岩石动态力学性能随应变率的变化规律。结果表明:斜长角闪岩和砂岩的动态抗压强度、动态抗压强度增长因子都随应变率增大而增大,但砂岩比斜长角闪岩对应变率的变化更加敏感。较低应变率下,砂岩试件的动态压缩破坏呈外围剥落式径向拉伸破坏模式,斜长角闪岩呈轴向劈裂破坏模式;但在较高应变率下,由于破碎程度严重,砂岩呈现粉碎破坏模式,斜长角闪岩呈现压碎破坏模式。本文研究成果可以为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径(50、75和100 mm)和5种长径比(0.4、0.5、0.6、0.8和1.0)的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。

综放开采滞后型动力灾害演化机理及控制技术

为了研究综放开采"滞后型"动力灾害的演化机理及其防治措施,采用理论分析的方法从煤柱侧向应力、采场支承应力和复合顶板应力三方面对滞后型动力灾害演化机制进行分析,并采用FLAC3D数值模拟软件对理论分析结果进行模拟验证。结果表明:采空区后方应力增高区的高应力是主要力源因素;煤柱留设不当,造成侧向支撑压力叠加是主要原因;复合顶板失稳断裂产生的冲击压力,通过保护煤柱的传递作用于煤层底板。结合数值模拟结果和现场实践,按研究工作面动力危险程度将其划分为:冲击显现区、一般冲击危险区和强冲击危险区;采用煤层注水、超前端头预裂爆破和煤柱大孔径卸压3种动力灾害防治措施,有效地降低了该工作面动力灾害事故的发生。

结构考虑双非线性的动态响应

对结构在考虑双非线性（弹塑性和大挠度）情况下的动态响应进行了数值分析和试验研究．建立了双非线性分析模型，编制了有关的通用有限元程序，完善和改进了鸟撞专用程序—ＢＩＮＡ（ＢｉｒｄＩｍｐａｃｔＮｏｎｌｉｎｅａｒＡｎａｌｙｓｉｓ）程序。文中考虑了三维方向的剪应力和惯性力的影响，因此不仅可以分析薄板，薄壳，也为较大动载下的厚板、厚壳的分析提供了方便．同时，使用ＳＨＰＢ（ＳｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎＰｒｅｓｓｕｒｅＢａｒ）试验装置，测定了四边形固支的ＬＹ１２ＣＺ方板试件在不同点撞击载荷作用下的响应，根据实测载荷，用本文方法对试件进行了非线性数值计算，与试验结果比较表明两者吻合较好，进一步验证了本文程序的可行性和ＳＨＰＢ试验装置的可靠性．

组合静载条件下SHPB试件长径比优选研究

为优选三维静组合条件下冲击试验的试件最佳长径比,利用改造的分离式霍普金森压杆(SHPB),开展了5种不同长径比(直径50 mm,长度分别为30 mm、40 mm、50 mm、60 mm和70 mm)混合花岗岩试件在恒定轴压(4 MPa)和围压(4 MPa)条件下的冲击试验。从试件应力平衡状态、应力差相对值以及动态应力特征的等方面,分析了试件长径比对应力平衡时间、峰值强度的影响,同时引入割线模量以更好说明试件在组合加载下塑性变形情况。结果表明:试验过程中试件的应力平衡是实时变化的,在应力准弹性增加的起点至应力峰值点的时程内处于相对平衡,长径比不同平衡时间呈差异性,平衡持续时长1.0>0.6>0.8>1.2>1.4;随长径比的递增,满足均匀状态的试件两端应力差相对值所需的应力波反射次数增加,峰值强度出现波动变化,峰值点的割线模量逐渐增加且当长径比由1.2增至1.4时出现明显的阶跃;由此可知,在低水平(≤10 MPa)恒定轴压和围压组合静载条件下开展SHPB试验的试件最佳长径比为1.0,与无组合静载伺服条件下的冲击试验结果不同,可为其他岩种在类似条件下的长径比优选提供参考。

全空间立体防控冲击地压技术与应用

以彬长矿区侏罗系18~26m特厚煤层放顶煤开采为工程背景,在孟村矿401102工作面创新应用全空间立体防控冲击地压技术。通过地面压裂对中位关键层坚硬顶板实施压裂改造,井下顶板深孔预裂爆破对低位关键层坚硬顶板进行处理,降低岩层的整体性及其破断强度;同时结合煤层大直径钻孔卸压,达到防控冲击地压的目的。地面压裂技术对坚硬岩层弱化改性,使得集中应力和能量转移释放,变冲击矿井为不冲击矿井,从源头上消除(减小)冲击地压危险性。为实现冲击地压由井下防御治理到地面源头消冲的突破提供了技术支撑,开辟了冲击地压防治的新途径,为解决类似由上覆关键岩层失稳引起的冲击地压灾害控制提供借鉴。

开采边角煤冲击危险区域卸压技术应用

结合三河尖煤矿7142工作面的基本情况,分析该工作面主要冲击危险因素(基本顶初次来压,该工作面终采线和邻工作面终采线),划定出冲击危险区域。通过工作面回采前采用顶板深孔预裂爆破和回采过程中采用大直径钻孔卸压技术,卸压效果是电磁监测强度降低和钻屑检测中煤粉颗粒组成正常,有效降低工作面冲击区域危险,实现工作面安全回采。

动静态压缩下岩石试样的长径比效应研究

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验装置和INSTRON1346液压伺服试验机分别对直径为50mm,长径比为0.5,0.6,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0的花岗岩试样分别进行水平冲击试验和单轴压缩试验,研究岩石试样在动静态压缩下的长径比效应。结果表明：动态冲击试验中,长径比对试样两端的应力平衡状态有显著影响。随着试样长径比的增大（L/D〉1.2）,应力均匀化条件难以得到满足。试样的SHPB冲击破坏模式具有显著的长径比效应,随着长径比的增大,试样破碎程度降低,破坏模式由轴向劈裂破坏向轴向劈裂和层裂拉伸复合型破坏模式转变。在同应变率水平下,岩石的动态抗压强度随试样长径比的减小而减小（当L/D〈1.2时）,这与静载作用下岩石单轴抗压强度随长径比的减小而增大的变化规律有明显区别。对岩石类材料来说,长径比的变化对静态抗压强度的影响程度要高于对动态抗压强度的影响,主要是因为静载试验下加载板和试样之间的作用时间长,而动载作用时间很短,导致小长径比试样静载下具有明显的端部效应,从而得到相对更高的名义单轴抗压强度。

不同长径比聚乙烯醇(PVA)/高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)动态压缩性能

基于杆径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)研究了不同长径比和不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)在4种应变率下的动态压缩性能。结果表明:长径比较大(l/D>1.0)的PVA/ECC试件冲击压缩后更易产生方向性明显的滑移破坏,其应力-应变曲线平台期的长度明显缩短,且曲线所包围的面积也明显减小;PVA/ECC的动态峰值应力、峰值应变和冲击韧性均随长径比增加而降低,存在一定的尺寸效应,且应变率越高、PVA纤维体积掺量越小,长径比的影响更明显;长径比较大的PVA/ECC试件其应变率效应有所减弱但PVA纤维的强化效应有所提升,尤其是对冲击韧性的影响程度最显著。

三维动静加载下不同长径比煤样力学特性及能量耗散规律

为研究三维动静加载下不同长径比煤样力学特性及能量耗散规律,利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对直径50 mm,长径比分别为0.5,0.6,0.8和1.0的4组圆柱体试样开展三维动静加载试验,从动态应力和动态应变等方面研究不同长径比煤样的力学特性,并对破碎后煤样进行能量分析。研究结果表明:当试样长径比在0.5~1.0范围内时,动态峰值应力和组合峰值应力均随应变率增大呈乘幂函数关系增长,长径比越大,试样的应变率敏感性越强;相同应变率下,动态峰值应力和组合峰值应力随试样长径比增加而增大,且应变率越大,二者长径比效应越显著。试样动态峰值应变和动态最大应变均随应变率增大呈线性关系增长,不同长径比试样动态峰值应变及动态最大应变的应变率敏感性相差不大,相同应变率下动态峰值应变随试样长径比增加而减小,动态最大应变受预加静载及试样允许的最大变形量双重因素影响,随长径比增加表现为先减小再增大。试样长径比越大,煤的破碎耗能密度越小,破碎程度越高,破坏模式由张拉破坏向剪切破坏转变。研究成果有利于探究动静载叠加作用下冲击失稳破坏机制,为冲击地压防治提供理论支持。