静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应与本构模型

静水压环境是深部岩石的典型应力赋存状态,并且岩石内存在多尺度的结构面,易遭受压剪耦合的复杂动力扰动。因此,探究静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应及损伤本构模型对于深部岩石结构安全评估和动力灾害防控极为重要。本文应用霍普金森压杆试验装置,对倾斜砂岩试样进行动态压剪耦合试验,揭示静水围压、动态荷载压剪耦合比及加载率对岩石力学特性的影响规律;基于Drucker–Prager准则和Weibull分布,建立静水压环境下深部岩石动态压剪耦合损伤本构模型。结果表明:1)岩石动态强度及变形模量随着加载率及静水围压的增大呈增加趋势,强度的围压效应及加载率效应明显,动态荷载中的剪切分量能削减岩石承载能力并提升岩石的变形能力。2)随着动态荷载剪压比和静水围压的增加,岩石冲击破坏模式由拉伸主导的内部锥形破裂面及表面劈裂转变为剪切主导的单一平面破坏;动态荷载中的剪切分量对静水围压作用下岩石的动态破碎存在明显的限制作用。3)采用极值解析法推导了模型分布参数F0和m的解析表达式,探究了模型分布参数F0、m和损伤修正系数q的物理意义及其对本构模型的影响规律;同时,对比不同工况下试验和理论应力应变曲线,验证了该模型的合理性。本文揭示的静水压环境下岩石动态压剪耦合动力响应与建立的损伤本构模型,可为复杂动力扰动下深部岩石工程安全建设与灾害防护提供理论支撑。

霍普金森压杆电磁加载设备控制系统设计

为解决传统霍普金森压杆实验中空气炮加载存在的重复性差、试样应变率无法精确控制和应变率跨度小等问题,基于电磁兼容性原则,设计了由控制柜和主电路电源柜组成的性能可靠的控制系统,完成了控制系统硬件电路设计。在软件方面,基于电磁加载设备工作过程和功能需求,完成了PLC端子地址分配、各类子程序设计以及触摸屏人机界面组态。经过多次实验验证,该系统性能稳定,为下一步发展提供了基础。

流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中,3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂,诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害,因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来,国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础,从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面,对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理,以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进,包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统,简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次,总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后,概述了围压对岩石动力学性质的影响机理,分析了不同围压条件下的影响规律;总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后,对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结,并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。

基于计算机系统的霍普金森压杆测试装置的应用

为了揭示煤岩体动态力学性能,基于一维应力波理论,结合计算机技术、信号采集及滤波技术、新型传感器技术,研制了霍普金森压杆实验设备。霍普金森压杆实验设备主要包括4部分,电磁阀控制的动力系统,由子弹、输入杆、输出杆和吸收杆等组成的压杆系统,由子弹速度测试系统、输出杆和输入杆应变采集系统及数据处理分析等组成的测量记录系统,SHPB处理软件。利用该实验设备对煤试样的动态力学特性进行了测试,测试结果良好。

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。

不同内径圆环砂岩试件温水耦合动态劈裂力学试验研究

煤矿巷道围岩经常处于地下水和温度共同作用环境中。由于岩石动抗拉强度远小于其动抗压强度,当受到掘进爆破等动载作用时岩体破坏往往取决于动抗拉强度,温水耦合岩石在动荷载扰动下动态抗拉力学性能值得深入研究。对不同内径圆环砂岩试件(外径50 mm,内径0~25 mm)进行温水耦合作用,开展X射线衍射和扫描电子显微镜试验,并利用霍普金森压杆试验装置进行动态劈裂力学特性试验研究。结果表明:温水耦合作用使砂岩试件产生损伤劣化,基本物理参数发生变化,动力学性能呈现出弱化现象;相同加载条件下,圆环砂岩试件内径增大,试件更易发生张拉破坏;劈裂后的半圆环发生了挤压断裂;相同内径时,温水耦合作用砂岩试件碎块更加明显;从能量耗散角度对试件破碎形态进行分析。

基于FDM-DEM耦合的岩石动态冲击特征方法

为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)冲击数值模型,在模型入射杆端部施加半正弦冲击波进行动态冲击模拟,对三维离散元试样的动态应力时程曲线、裂纹时空演化等特征进行讨论,从细观力学角度分析岩石的动态冲击破坏过程。结果表明:三维耦合模型在动态冲击过程中能够很好地满足应力有效性检验,保证了冲击过程的可靠性;利用Fish语言编写的半正弦冲击波等效替代室内试验撞击杆的撞击作用可以在一定程度上消除入射波的弥散效应;动态冲击过程中,试样内部的裂纹发展可分为平静阶段、缓升阶段、陡增阶段和稳定阶段,且裂纹主要产生于应力峰后阶段,裂纹总量呈反Z形变化。

冻融循环后混凝土冲击劈拉强度预测模型

为预测混凝土材料冻融循环后冲击劈拉强度,本文对混凝土标准冻融试件和混凝土劈拉试件进行0、25、50、75、100次的冻融循环试验,通过动弹仪对混凝土标准冻融试件进行动弹性模量测试,采用电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆系统分别在0.5和0.5×10^(6)、1.0×10^(6)、2.0×10^(6)kN/s的力加载速率下对劈拉试件进行劈拉试验,分析了冻融损伤以及力加载速率对混凝土冲击劈拉强度的影响。结果表明:随着冻融次数的增加,标准冻融试件的表观状况、质量、相对动弹性模量均不断劣化;当冻融次数一定时,随着力加载速率的提高,混凝土试件的冲击劈拉强度不断提升。在上述试验基础上,建立了冻融循环后混凝土冲击劈拉强度预测模型,该模型可为冻融循环后混凝土冲击劈拉强度的预测提供理论依据。

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC^(3D)和PFC^(3D)程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘(NSCB)试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。

重晶石混凝土动态压缩性能研究

为了研究中高应变率下重晶石混凝土的动态压缩力学性能,采用了Ф100 mm霍普金森(SHPB)压杆系统,在5种冲击气压下,对3种强度等级的重晶石混凝土、普通混凝土进行了对比试验。试验结果表明:重晶石混凝土与普通混凝土类似,各项力学特性均具有应变率效应;相同加载条件下,随着强度等级的提高,试件脆性增强、延性减弱、峰值应变降低较明显;此外,对照普通混凝土拟合了重晶石混凝土的动态增大系数(DIF)率型公式。

活性粉末混凝土冲击压缩性能及本构关系

为了克服传统活性粉末混凝土(RPC)须高温蒸养的缺点,采用粒化高炉矿渣代替部分水泥制备出免蒸养RPC,利用直径为80 mm的霍普金森压杆试验系统(SHPB)对免蒸养RPC进行冲击压缩试验研究,探究率效应对免蒸养RPC动态力学性能的影响规律,建立动态本构模型.结果表明:在10~290s^(-1)的应变率范围内,免蒸养RPC的峰值应力、峰值应变和冲击韧性表现出明显的率敏感性,而弹性模量在不同应变率下基本保持不变.改进型ZW-T黏弹性本构模型和基于Weibull分布的模型均能对免蒸养RPC的动态应力-应变曲线进行较好的描述,基于Weibull分布的模型所含参数相对较少,根据模型中各参数与应变率之间的关系可以对不同应变率下的应力-应变曲线进行预测.

基于J-C模型440C不锈钢动态本构关系的修正

为了构建合理描述440C不锈钢流动应力变化关系的本构模型,借助万能试验机和霍普金森压杆装置,分别进行了准静态和动态压缩试验。依据所获得的试验数据,对原J-C本构模型参数进行了标定,并探讨了其描述所研究材料应力流动行为的适用性和预测准确性。基于分析的结果,提出了一种考虑应变、应变率和温度间相互耦合的修正J-C本构模型,并进行模型参数标定。将试验数据与模型预测值进行对比分析,并通过相关性系数R、平均相对误差AARE和平均均方根偏差RMSE三个统计参数,对所提出模型的有效性进行评价。结果表明,440C不锈钢的动态力学行为受应变、应变率和温度间耦合作用的共同支配,所提出修正J-C本构模型相关性系数R为0.9959,平均相对误差AARE为0.073,平均均方根偏差RMSE为0.7618,能够合理地描述其应力流动行为。

高温后砂岩动态损伤与破坏特征试验研究

为研究高温后砂岩动态损伤与破坏特征,制备常温25℃和高温200,400,600,800,1000℃砂岩试样,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对试样开展冲击试验,得到不同温度下应力⁃应变曲线,分析砂岩峰值强度、平均模量与温度的变化关系,研究砂岩破碎程度随冲击气压和加热温度的变化规律,利用扫描电镜(SEM)观测高温破坏后砂岩试样的断口形貌,从微观角度解释高温后砂岩动态损伤与破坏特征改变的成因。结果表明:砂岩试样峰值强度和平均模量随温度升高而减小,600℃以下减小速率较慢,600℃以上减小速率较快,即600℃为砂岩力学强度的拐点;温度升高,砂岩内部微裂隙不断扩展贯通,在冲击作用下微裂隙破碎程度愈发严重,宏观上动态力学性能不断劣化。

基于三维晶质模型-离散元法的数值模拟研究:动态弯曲拉伸强度试验中的多级力链网络分析

力链网络是岩石材料加载下的关键信息,类似岩石的微观裂纹和宏观力学行为。本文提出了一种基于离散元法(GBM3D-DEM)的三维晶质模型,采用耦合的(有限差分法(FDM)-离散元(DEM))霍普金森压杆系统模拟了动态弯曲拉伸强度试验。结果表明,加载过程中试样内部所有一般力链(GF)的值和数量分别表明了样品的应力水平和裂纹活动。强力链(HF),作为那些在峰值荷载下大于所有一般力链(GF)平均值的力链,其数量可以更深入地表征施加在试样两端的应力水平。同时,强力链的主要倾向分布方向与加载方向一致,并垂直于裂纹的加载方向。本文将力链网络进行了多级分类,并对花岗岩的裂纹活动和力学行为进行了研究,并从多级力链网络的角度分析了加载率效应。

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。

钢纤维活性粉末混凝土高温后动力学特性研究

利用霍普金森压杆系统（split Hopkinson pressurebar，SHPB），采用铅片作为整形器，分别对未经高温处理及经600，800℃高温作用后的素活性粉末混凝土（normal reactive powder concrete，NRPC）和钢纤维增强活性粉末混凝土（steel fiber reinforced reactive powder concrete，SFRPC）进行冲击压缩试验，以研究高温后NRPC和SFRPC的动态力学性能及钢纤维掺量对SFRPC抗；中击性能的影响．结果表明，经高温作用后，NRPC和SFRPC在应变率（75～85S叫）下的动态抗压强度均明显降低，600，800℃作用后动态抗压强度损失率分别约为25％，65％，但峰值应变均提高．高温作用后，SFRPC的抗冲击能力明显优于NRPC，600℃及800℃时SFRPC（1．0％）动态抗压强度同NRPC相比分别提高了28．1％和35．1％，峰值韧度则分别提高了83．4％和74．9％．破坏程度上SFRPC也明显轻于NRPC，试样呈现裂而不散的形态．最后，分析了高温后钢纤维对活性粉末混凝土的增强增韧作用机理．

SHPB冲击技术在岩石动态力学教学实验中的应用

利用霍普金森冲击压杆试验系统(SHPB)测量岩石在冲击荷载下的动态力学性能,开设自主探究性科研实验教学项目,让学生了解岩石动态力学性能与静态力学性能的区别,以及围压对动应力下岩石的有利作用,学习SHPB系统进行岩石动载实验的原理和理论方法,熟练掌握SHPB实验设备操作过程及数据处理方法。通过该教学实验,锻炼了学生的实践动手能力及科研素养,增强了学生科研创新与探索精神。

混凝土动态特性及其机理研究

地震作用下混凝土动力反应和破坏过程极其复杂,结构的抗震设计是否安全、合理,不仅取决于抗震动力分析,而且取决于设计采用的地震动参数和混凝土材料动态力学参数,故而混凝土动态特性研究对公路、桥梁、大坝等结构的设计有着重要的意义.文章回顾了混凝土动态特性这一课题的研究历史,按时间顺序介绍了国内外的研究进展,以及混凝土动态强度特性、变形特性的有关试验研究成果,讨论了分离式霍普金森压杆(SHPB)、电液伺服系统、落锤、轻气炮、板冲击系统和声发射等材料动力试验设备的原理及其适用范围,并根据试验结果的分析和比较,对混凝土动态特性的率敏感性的机理进行了探讨,最后指出混凝土动态特性这个研究热点,在试验研究、理论分析及数值模拟等方面需要解决的问题,为进一步的研究提供参考.

基于改进SHPB平台的20CrMnTi平面应变动态起裂韧度实验研究

为获得20Cr Mn Ti动态起裂韧度,利用改进式霍普金森压杆对三点弯曲试样施加冲击载荷,通过弹簧质量模型确定动态应力强度因子随时间的变化规律,采用应变片监测裂纹起裂时刻。通过上述实验过程得到20Cr Mn Ti在平面应变条件下I型裂纹扩展动态起裂韧度。实验过程中,利用波形整形技术有效抑制了应力波传播过程中由横向惯性效应引发的几何弥散畸变,保证了测点处应力波信号与加载点应力波的一致性;利用高速摄像系统跟踪动态断裂过程,并结合GOM Correlate软件对加载过程中试样表面应变场的变化进行分析,观察到裂纹起裂前试样已达到动态应力平衡状态,验证了实验方案和测试结果的有效性。实验结果表明,20Cr Mn Ti动态起裂韧度随着加载率的增加而增大,呈现出明显的加载率敏感性。

颗粒尺寸对微米级铝粉动态响应的影响

为得到颗粒尺寸对铝粉动态压缩响应的影响规律,基于分离式霍普金森压杆对3种不同尺寸颗粒的铝粉进行了不同应变率的加载,并采用红外测温系统测量了冲击压缩过程中铝粉试样的表面温度。应力应变结果表明:不同尺寸颗粒的铝粉对应变率的敏感程度不同,大颗粒试样对应变率效应不敏感,小颗粒试样的应变率效应明显。对比结果发现:粉体中颗粒越容易发生重排,加载速率对其影响就越大。加载试验后使用扫描电镜观察断口界面处的颗粒变形特点,发现颗粒较小的试样中颗粒变形较均匀,说明此试样受力相对均匀。红外测温结果表明,即使试样的加载历程相同,不同尺寸颗粒试样的温度变化不同;由颗粒间摩擦产生的内能沉积在颗粒表层,颗粒内外温度分布不均匀导致试样温度不同。