被动围压下钢纤维超高性能混凝土冲击压缩力学特性与损伤特征

【目的】为了研究掺有钢纤维的超高性能混凝土(UHPC)在冲击压缩作用下的力学特性与损伤特征,【方法】基于被动围压的霍普金森压杆,保持冲击气压为0.4 MPa不变,分别测试得到不同钢纤维掺量、不同含水状态UHPC试样的应力—应变曲线,并对其峰值应力、应变、能量耗散特性、损伤演化特征进行分析。【结果】结果显示:钢纤维在UHPC中网状分布,发挥桥接作用使试样动态抗压强度提高,钢纤维掺量为1%时动态抗压强度达到峰值,后随掺量增加有所降低,极限应变变化趋势与动态抗压强度相反,饱和试样峰值应力低于干燥试样,约为干燥试样的80%。【结论】计算了试样在加载三阶段的能量耗散,发现钢纤维可以降低荷载做功。此外,结合耗散能定义了损伤变量D,分析了UHPC损伤演化三阶段,得到钢纤维对损伤演化的抑制作用。

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律，利用50mm变截面分离式Hopkin-son压杆（SHPB）试验装置，对45＃钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中，岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强，试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1．2倍，破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍，且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势，试件破坏为压剪破坏模式，与无围压SHPB试验有所不同。

被动围压下混凝土的动态力学性能研究

本文以被动围压下混凝土分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,简称SHPB)试验为基础,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了钢质套管约束下混凝土SHPB试验的数值模型,通过对比分析20组不同围压、不同应变率下混凝土的动态力学性能,得到了围压和应变率对混凝土破坏形态、应力-应变曲线、极限强度、峰值应变等的影响规律。结果表明:随着应变率的增大,混凝土的破坏形态逐渐从劈裂破坏转变为压碎破坏,且围压越大,混凝土的强度发挥得越充分;当应变率从01s-增大到126.471s-时,无围压状态下混凝土的动态强度增长因子和动态应变增长因子分别提高到2.74和1.95,被动围压下动态强度增长因子和动态应变增长因子分别提高到1.93和1.39;在围压为0MPa^6.93MPa的范围内,混凝土动态极限强度随围压增大而提高的幅度是有限的,且在围压为4MPa左右时趋于稳定,而混凝土的围压应变增长因子随围压的增大基本呈线性提高。

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律,采用分离式大直径(75mm)SHPB实验技术,测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值,平均应变率,计算了混凝土材料的损伤值,描述了加载破坏现象,对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下,延性、抗破坏能力得到加强,具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍;破坏应力达到150MPa以上,为静力学无围压条件下的2～5倍。

RDX基PBX炸药在被动围压下的力学性能

利用在分离式霍普金森压杆（SHPB）上进行的被动围压试验研究了RDX基PBX炸药的力学性能，获取了不同应变率（830-1850s^-1）下的应力一应变曲线，讨论了围压轴压之间的关系，计算了该炸药的动态力学性能参量。结果表明，应力一应变曲线峰值点处的应力和应变均随应变率的增加而增加，围压状态下RDX基PBX炸药承受的压力远高于无围压状态；随着应变率的增加，动态屈服强度明显提高，而动态泊松比和动态杨氏模量则基本保持不变。

材料在准一维应变下被动围压的SHPB试验方法

本文提出了改进的 SHPB被动围压试验方法 ,可用于研究材料在准一维应变下的动态力学响应 .分析中计及了试样的径向变形 ,并讨论了试验结果与围压套筒材料性质、几何尺寸等的关系 ,从而可进一步推得材料的动态泊松比 ν2 、动态杨氏模量E2 、动态剪切模量 G以及动态压缩强度 Y.又分析了试验中的摩擦力效应及其对围压下轴向应力应变关系的影响 ,完成了对材料弹性常数的修正 .

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。

混凝土在准一维应变下被动围压SHPB的模拟研究

采用量纲分析和有限元计算的方法,研究了混凝土材料在被动围压分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验中出现的应力增强效应,定义了能够描述应力增强效应的应力增强系数.通过LS-DYNA有限元计算程序分析了不同材料及尺寸的围压套筒对应力峰值的影响,结果表明:应力峰值随套筒与试件弹性模量比、厚度半径比的增大而增大,随间隙半径比的增大而减小.最后通过改变试件与压杆、试件与套筒之间摩擦系数的方法,研究了摩擦效应对应力峰值的影响.研究结果对被动围压SHPB试验有一定的指导意义.

被动围压下层理角度对页岩动态强度及耗能的影响

页岩在围压条件下的动力学特性,对页岩的高效致裂至关重要。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对页岩进行冲击试验,分析被动围压条件下页岩试件的强度特征、损伤特性和能量耗散规律。试验结果表明:在不同应变率下,页岩的损伤程度随冲击速度的提高显著提高,试件承载能力降低;在被动围压条件下,岩石材料的延性和抗破坏能力均得到提高,页岩从无围压条件下的脆性破坏向延性破坏过渡,页岩试件的屈服强度提高2.25~3.06倍,轴向应力峰值为无围压条件下的1.8~2.5倍;在被动围压条件下,页岩试件的能量耗散随平均应变率增大呈线性增长,在试验应变率范围内(ε=97~520)具有显著应变率相关性;页岩具有显著的横观各向同性特征,层理角度对页岩试件的强度特征、能量耗散和损伤特性均有显著影响。

被动围压下早龄期补偿收缩钢纤维混凝土冲击压缩性能试验

为了研究被动围压约束条件下早龄期混凝土动态力学性能,利用直径74 mm分离式霍普金森压杆进行试验。在不同加载气压钢质套筒被动约束条件下,测试7 d龄期补偿收缩钢纤维混凝土试件轴向或径向的应力和应变变化趋势。结果表明：补偿收缩钢纤维混凝土材料在被动围压下,延性和抵抗破坏能力显著加强,试件轴向应力-时间历程曲线和轴向应力-应变曲线可知,整个加载过程分为三个阶段。第一阶段为弹性阶段,由于试件刚性所致,应力增幅快;第二阶段为弹塑性阶段,试件逐步压缩变形,应力增长缓慢,应变增幅大;第三阶段为试件塑性破坏阶段,应力直线下降;在0.6 MPa、0.7 MPa和0.8 MPa气压作用下,试样典型轴向应力峰值为无围压条件单轴压缩SHPB实验时的1.5~1.8倍;试件破坏应变高达（23~27）×10^-3,是无围压SHPB试验试件破坏应变的4~6倍;从试件破坏形态看,由于钢纤维掺入,试件仍保持较好的整体性,裂缝分布表征试件为压剪破坏。

粉末冶金摩擦材料冲击和被动围压动态性能比较

比较了粉末冶金摩擦材料冲击和被动围压的动态性能 ,实验在分离式 Hopkinson压杆( SHPB)上进行 ,应变率范围为 1 0 2～ 1 0 3 /s,通过试验得到了该材料在 2种工况下的动态应力应变曲线。结果发现 :1 )没有围压时该材料有应变率弱化效应 ,但没发现绝热剪切现象 ;2 )没有围压时材料的初始裂纹和孔隙在受到冲击时形成大范围的多源裂纹及孔洞分布群迅速扩展 ,材料的破坏模式为冲击脆性破坏 ;3)在被动围压下 ,同等应变率作用下只有微裂纹出现 ,在基体上出现了大量孪晶。

被动围压下煤冲击压缩动态力学特性试验研究

为研究冲击载荷作用下煤的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆试验系统,通过钢制套筒施加环向约束,对煤样进行不同应变率和不同应力状态冲击压缩试验。研究结果表明:应变率和约束状态对煤样应力应变及破坏模式影响显著,随着应变率提高,被动围压条件下煤样应力应变曲线具有明显的屈服平台,塑性流动增强。应变率在30.4~328.7 s^(-1)范围,径向自由下煤样峰值应力为15.32~69.53 MPa,被动围压条件下煤样峰值应力为15.11~104.46 MPa。当应变率高于100 s^(-1)时,被动围压条件下煤样的峰值应力明显高于径向自由条件。由于套筒约束的被动围压作用,煤样破坏形态呈现为压剪破裂模式,与径向自由条件下破碎特征不同。冲击载荷作用下煤样所受被动围压处于不断变化过程,被动围压随轴压增加而快速增长,两者呈正相关二次函数关系。

被动围压下浇注PBX炸药的动态力学性能研究

为获取一种浇注PBX炸药在被动围压加载下的动态力学性能,采用基于分离式霍普金森杆系统的被动围压试验装置开展了不同应变率(200、600 s^(-1))下该浇注PBX炸药的力学性能测试,并通过改变围压管壁厚(4、10 mm)分析了围压应力对试样轴向应力的影响。结果表明:随着应变率和围压管壁厚的增加,被动围压下浇注PBX炸药的轴向应力(给定轴向应变)和围压应力(给定轴向应力)均呈增大趋势;且轴向应力随围压应力的增加呈指数增加。拟合得到被动围压下屈服点轴向应力与约束比之间的函数关系,与试验结果吻合良好。

煤岩材料SHPB实验被动围压数值模拟研究

煤岩动力灾害严重威胁着煤矿的安全高效生产,研究煤岩材料在复杂应力状态下的动态力学性能对煤岩动力灾害的预测预防有重要意义。利用有限元分析软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩SHPB实验进行数值模拟,在模拟结果与实验结果相似性较好的基础上,对煤岩SHPB被动围压实验进行数值模拟。结果表明:围压套筒的弹性模量、厚度、摩擦因数及套筒与试件的间隙对煤岩材料的动态力学性能有显著影响。根据研究成果,在工程中可为煤柱增加一外加层,通过合理设计外加层的弹性模量、厚度、间隙及摩擦因数等参数,增强煤柱的抗冲击能力。

粒径和围压对珊瑚砂侧限压缩性能的影响

珊瑚砂作为海洋岛礁的重要建筑材料,广泛应用于海岛地基、路基、机场跑道等军民用工程的吹填和建设。针对南海某岛礁珊瑚砂开展了一系列侧限压缩试验,量化研究了初始粒径和被动围压对珊瑚砂侧限压缩性能的影响规律,可为后续珊瑚砂粒径效应和被动围压效应的研究工作提供参考。试验结果表明,被动围压下珊瑚砂的轴向工程应力应变曲线呈递增硬化特性,珊瑚砂侧限压缩的应力路径与颗粒粒径基本无关,被动围压随轴向应力增加呈线性增长,约为轴向应力的35%。本文精确计算了珊瑚砂的屈服强度和可压缩指数,得到以下结论:珊瑚砂的屈服强度随着平均粒径的增大呈幂指数减小的趋势,而可压缩指数则呈幂指数上升的趋势,这表明粒径越大的珊瑚砂颗粒破碎起始应力越低,颗粒破碎越严重,试样可压缩性越高;珊瑚砂的屈服强度几乎不受被动围压水平的影响,只与试样本身的材料特性有关,而可压缩指数随着被动围压的增大而明显减小,这是由于高被动围压限制了珊瑚砂的颗粒破碎,使珊瑚砂可压缩性变低。

基于Weibull分布页岩围压下的动态损伤本构模型研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)和被动围压套筒装置,研究了页岩在不同围压条件下的冲击压缩力学性能。试验结果表明:在无围压条件下,页岩试件强度具有显著的应变率相关性,页岩动态抗压强度随应变率提高而提高;被动围压的加载作用显著提高了页岩试件的完整性,页岩试件的离散性减弱,页岩表现出显著的均质岩体特征。建立了基于Weibull分布的页岩动态损伤本构模型,并通过试验结果计算了不同应变率下的Weibull分布参数;将试验所得围压变化曲线代入到本构模型中,比较验证了无围压和变围压条件下的动态损伤统计本构模型适用性和合理性,验证发现,模型曲线与试验曲线相吻合,在变围压条件下本文所构建的本构模型依然适用,可为页岩气开发过程中的工程模拟提供一定的参考。

基于侧限压缩试验的黏土动态力学性能研究

为研究斜井井筒采用冻结法施工穿过松软含水黏土层时,冻结壁失稳、冻结管破坏与黏土强度、黏土变形之间的关系,以黏土为试验对象,通过高压固结仪还原深部黏土受压变形过程,利用SHPB试验装置对无侧限、有侧限条件下的黏土试件进行不同应变率加载,借助高速摄影机拍摄黏土试件的变形破坏过程。研究结果表明:无侧限条件下,黏土试件变形大,被压成“薄饼状”,但仍具有一定的承载力,且存在透射信号差的问题;黏土试件以环刀作为侧限约束,环刀起到被动围压的作用,试件透射信号幅值明显增大,侧限条件下试件的峰值应力、应变与应变率呈正相关的关系;侧限条件下引入岩石类材料损伤变量D,通过分析损伤变量D随应变的演化规律,发现在相同应变比条件下,冲击速度越大,则D值越小,试件的压实程度越高;侧限条件下黏土具有明显的回弹现象,试件的回弹量随着平均应变率的增大而增大,黏土的回弹作用会对井筒、冻结管产生预压力,对其稳定性产生负面影响。

冲击作用下囊袋式炮孔堵塞结构性能试验研究

针对大直径深孔爆破要求质量高、传统堵塞材料长度过长且容易“冲孔”,提出以早强水泥砂浆为堵塞材料,选用囊袋式结构作为新型炮孔堵塞物。对不同掺加剂含量、不同龄期的水泥浆进行了静态力学试验与冲击荷载作用下的堵塞模型试验,通过试验得到在不同变量下水泥砂浆的自收缩性能、抗压强度与冲击荷载作用下管壁的被动围压,分析被动围压下早强水泥砂浆的动态力学特性;分析爆生气体压力作用下堵塞物在炮孔中受力特性,给出大直径深孔炮孔合理堵塞长度。结果表明:试件的自收缩随着掺加剂含量的提高而增大;试件抗压强度随着龄期的增长而增大,掺加剂含量的提高而减小;随着掺加剂的含量和龄期的增加,膨胀压力增大,从而被动围压增大,当掺加剂含量为4%、16 h龄期时,各个测点的膨胀压力达到峰值,另外随着掺加剂含量的提高,浆液的孔隙增多,堵塞体轴向可压缩性越高,能够延长爆生气体压力在炮孔中作用时间,提高堵塞质量;综合现场试验结果表明,依据所推导理论公式结合现场生产合理选取爆破堵塞长度保证了回采期间的安全生产,深孔爆破取得了良好的效果。

不同冲击速度下硬煤的力学特性试验研究

为了研究硬煤破坏过程中的动态力学特性,采用Φ50 mm变截面分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对45#钢制薄壁套筒施加环向约束的硬煤试件进行不同加载速率的冲击压缩试验,得到被动围压下轴向应力-应变曲线、径向应力-应变曲线及最大被动围压和冲击速度的关系。研究结果表明:峰值应力、峰值应变随着冲击速度的增大而增大,最大被动围压值与冲击速度呈幂次增长的关系;被动围压下的硬煤试件变形受到限制,试件延性、抗压能力显著提高;随着冲击速度的增大,薄壁套筒对试件的约束也逐渐增大,达到峰值后,冲击速度对被动围压的影响减小,筒壁厚度影响着被动围压效果。

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。