经历不同高温后砂岩的动态力学特性实验研究

运用RX3 -20 -12型箱式电阻炉将砂岩试样分别加热至100、200、400、600、800和1 000℃,然后自然冷却至常温,制成经历不同温度的砂岩试件。运用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆装置,用薄圆形紫铜片作为波形整形器,以不同弹速轴向冲击砂岩试样,测试经历不同温度后砂岩试样在不同冲击荷载下的动态力学性能,得出了砂岩的应力-应变曲线及各自的破坏形态。结果表明:常温下砂岩的动态压缩破坏的应力-应变曲线具有明显的4阶段特征,但经历100~400℃作用的砂岩应力-应变曲线的平台段消失,温度继续升高时平台段又重新出现;砂岩的峰值应变随温度升高而升高,动态压缩强度也随温度升高而升高,但在800℃以后陡然下降;砂岩的动态压缩破坏形态受温度和冲击荷载的共同影响,冲击荷载越大破碎程度越大,而且破坏过程总是由外层向内芯发展。     

实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究

为研究实时高温作用对花岗岩冲击力学特性的影响，以川藏铁路色季拉山施工区域加里东期花岗岩为研究对象，利用分离式霍普金森杆（SHPB）及同步箱式电阻炉，对20～800 ℃实时高温下的花岗岩试件进行冲击压缩试验，分析高温作用及加载应变率对试件破碎特征、动态抗压强度及能量吸收情况的影响，基于粉晶X射线衍射分析矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联。研究表明:20～400 ℃高温试件以脆性劈裂破坏为主，碎片形态呈纺锤形，两端尖锐，而600 ℃高温试件以塑性破坏为主，形状趋于圆钝；试件峰值应力随温度升高具有先增大后减小的变化趋势，200 ℃时达到强度阈值，随后持续降低；单位体积岩石耗散能与加载应变率呈线性正相关关系，与温度呈二次函数关系，与峰值应力呈指数关系，拟合效果良好；石英、云母和长石三种主要矿物成分的含量波动、相态变化等因素共同导致花岗岩动力学强度在200 ℃后逐步劣化。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能，对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试，分离式霍普金森压杆冲击试验，以及冲击破碎试样的扫描电镜观察，分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高，经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降，大孔径孔隙度分量增大，且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却；水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高，峰值应力减小，峰值应变增大，弹性模量则先增大后减小的规律；由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低，产生额外的温度应力，花岗岩内部损伤加剧，表现出更低的波速与峰值应力；而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度，降低了高温后花岗岩的塑性能力，与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小，弹性模量增大，表现出脆性破坏特征。在温度低于400 ℃时，冷却方式对冲击裂纹影响不大，随着温度升高到800 ℃，自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状，而水冷却后冲击断面则相对平整。     

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响。利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作用后砂岩单轴抗压强度。研究结果表明:随着温度升高,砂岩峰值应力和弹性模量均降低,峰值应变、质量损失率和体积均增大,砂岩的外观颜色由黄色过渡到棕红色直至呈土灰色;微缺陷(微裂隙和孔洞)的发育明显,晶体结构破坏加剧,内部生成CaO和CO₂,孔隙率、热损伤程度增大,声速减小,强度降低。建立BP神经网络模型,利用文献数据验证模型可行性,模型预测值与试验值最大误差8.25%,可靠度较高。     

高温后水泥砂浆试件抗压性能与变形场演化实验研究

为研究不同温度作用后水泥砂浆试件的抗压性能及变形破坏规律,对不同温度作用后的试件进行单轴压缩实验,同时采用数字散斑相关方法(DSCM)观测试件局部变形,利用标准差统计分析应变场的变化规律。结果表明:(1)在200℃~800℃温度作用后,高龄期的试件更易发生破坏,试件单轴抗压强度的降低主要是由于水化反应形成的骨架结构在高温作用后发生分解;(2)20℃、200℃和400℃作用后的水泥砂浆试件具有明显的脆性特征,相对而言,600℃和800℃作用后的试件塑性特征明显;(3)局部应变场演化过程分为四个阶段:应变均匀分布阶段、应变成核阶段、应变局部化阶段和破坏阶段;(4)利用标准差统计应变场表征试件变形的不均匀程度,与试件整体应力-应变曲线对比,在接近峰值应力时,应变场标准差急剧增大,表明试件即将发生破坏。上述结果可为预测高温作用后水泥基材料的变形破坏提供参考。     

高温后钢管活性粉末混凝土的动态力学性能

采用霍普金森压杆装置对高温后钢管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube,RPC-FST)进行冲击压缩实验,分析了应变率效应及温度效应对试件动态力学性能的影响。结果表明:高温(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有较好的抗冲击能力、延性和完整性;冲击荷载作用下,RPC-FST的应变率效应明显弱于RPC的应变率效应;随着过火温度的提高,RPC-FST的峰值应力逐渐增大,变形能力增强,抗冲击能力提高。动力提高系数随过火温度的提高而增大,说明高温后RPC-FST的应变率效应更显著。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

H13钢的高温拉伸性能研究

利用高温传感器在 MTS880试验机上系统地研究了 H13钢由室温到700℃温度范围内的应力应变特性,并给出其应力应变关系随温度的变化规律,同时对拉伸试件断口进行了微观分析。研究结果表明：由室温到600℃的温度范围内,H13钢的屈服强度、抗拉强度、弹性模量随温度的增加而线性地缓慢降低;室温拉伸试验的断口表现为多点起裂的撕裂断口,表明 H13钢的强度较高,但韧性较低;400℃时断口为典型的韧性断口形貌,强韧性很好;550℃和600℃时断口为韧窝状断口,具有一定的强度和韧性;当温度高于600℃时 H13钢的强度和韧性快速下降,失去了承载能力。     

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究

通过对高温加热–遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800℃内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明:(1) 400℃为高温加热–遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400℃时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩力-声特性试验研究

以松辽盆地露天花岗岩为研究对象，对自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩进行单轴压、拉和声波测定试验。研究不同方式冷却后花岗岩温度（100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃，以下简称100℃-800℃）与表观形态、纵、横波波速、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度间关系，并将纵、横波波速与抗压强度、弹性模量建立联系。同时考虑遇水冷却后静置过程对花岗岩力-声性质影响。研究表明：（1）静置0h-2h是质量损失、纵波波速下降主要时段，静置6h后变化率可以忽略；自由水损失量与力-声特性损失量存在一定线性关系；（2）温度升高，自然冷却后花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度、抗拉强度呈线型下降，遇水冷却后呈凹线型下降；高于300℃，自然冷却后花岗岩力-声参数均大于遇水冷却，泊松比变化率与其相反，600℃时冷却方式不同对花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度影响达到最大，遇水冷却比自然冷却分别低33.33%、31.88%、53.33%、31.74%，700℃-800℃时冷却方式对花岗岩力声特性影响减小；（3）温度变化，花岗岩纵、横波波速与抗压强度、弹性模量呈良好相关性。所得结论可以提高花岗岩力-声特性测量准确性，为力学特性预测提供一个可行方法，并为岩体工程安全稳定性评估提供依据。     

冻融循环对含纯Ⅰ型裂隙围岩的动态起裂特性影响规律

以寒区隧道为工程背景研究在冻融循环作用下围岩内Ⅰ型裂纹的动态起裂特性演化规律,采用隧道模型试件作为研究对象,开展冻融循环试验与大尺度落锤冲击试验,得到岩石试件经历不同冻融循环次数后的相关力学参数,并在裂纹尖端粘贴裂纹扩展计(crack propagation gauge, CPG)测量预制裂纹的动态起裂时间。采用有限元软件建立相应的数值模型计算裂纹尖端的动态应力强度因子,采用试验-数值法计算动态起裂韧度,随后采用电镜对冻融循环后的试样进行扫描,研究冻融循环对岩石材料的细观损伤机制。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石材料的纵波、横波波速与弹性模量逐渐减小,而泊松比逐渐增大;砂岩材料的动态起裂韧度随着冻融循环次数的增加逐渐减小,表征线性反比例的特性;材料内部的胶结物质会由于冻融循环的影响而流失,材料的孔隙和裂纹也随着冻融循环次数的增加而变多变大。     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

Effects of texture evolutions and point defects on ultrasonic waves under simple shear and pure shear

In this paper, longitudinal and transverse wave velocities propagating into aluminum alloy A6061 under simple shear and pure shear were studied experimentally. Compared with the same velocity change tendencies of transverse wave under simple shear and pure shear, longitudinal wave velocity shows different change tendencies under both shear states, regardless of the same shear strain states in two cases. Finite element analysis was performed and the analyzed results indicate that the transverse wave velocity depends on texture evolutions mainly, whereas the longitudinal wave velocity is sensitively influenced by point defects induced by cross-slips. Consequently, the longitudinal wave velocity showing a sensitive response to the point defects was examined by measuring longitudinal wave velocity changes propagating into Al single crystal subjected to the combination loads of equi-biaxial tension and compression.     

外载荷作用下水泥砂浆复合材料中的弹性波波速分析

为研究水泥基复合材料中弹性波频散特性,应用主频分别为50kHz、300kHz和1MHz三种声波探头,对钢纤维体积含量分别为0.5%、1.0%和3.0%的三种钢纤维增强水泥砂浆试件进行了单轴压缩下的弹性波测试实验。结果表明:在加载初始阶段,P波波速随着载荷增大而明显增大,但这种增大趋势逐渐减弱,并达到一个较稳定的值。随着钢纤维体积含量增加,波速有增大趋势。S波具有类似趋势,但其增幅比P波小得多。三种材料均表现出一定的频散效应。为消除材料在初始加载过程的非线性特性影响,采用了相对波速的方法,并讨论了相对波速的频散效应。结合多组份未胶结模型和Hashin-Shtrikman上限模型,应用一种无量纲理论模型,对比分析了弹性波波速频散规律。     

Effects of humidity and temperature on subcritical crack growth in sandstone

In order to ensure long-term stability of structures in a rock mass, the study of time-dependent fracturing is essential. The influences of the surrounding environmental conditions and rock fabric on subcritical crack growth in sedimentary rocks in air are yet to be clarified, while the nature of subcritical crack growth in igneous rocks has been studied well. In this study, the influences of temperature and relative humidity on subcritical crack growth in Berea sandstone, Shirahama sandstone and Kushiro sandstone were investigated in air. The load relaxation method of Double Torsion (DT) testing method was used to measure both crack velocity and stress intensity factor under a controlled temperature and relative humidity.Results show that the change of the crack velocity at a given stress intensity factor was unclear when the temperature increased under a constant relative humidity in air. On the other hand, we show that the crack velocity increased by several orders of magnitude when the relative humidity increased threefold or fourfold under a constant temperature at a given stress intensity factor. This increase is much larger than that expected from the conventional concept based on the theory of stress corrosion. It is therefore necessary to consider the additional mechanisms for subcritical crack growth in sandstone. The increase of the crack velocity was larger for sandstone which contained larger amount of clays. We conclude that subcritical crack growth in sandstone in air is affected remarkably by the relative humidity and the amount of clays in rock.     

冲击速度和轴向静载对红砂岩破碎及能耗的影响

地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。     

Discrete element modeling on the crack evolution behavior of brittle sandstone containing three fissures under uniaxial compression

Based on experimental results of brittle, intact sandstone under uniaxial compression, the micro-parameters were firstly confirmed by adopting particle flow code(PFC2D). Then, the validation of the simulated models were cross checked with the experimental results of brittle sandstone containing three parallel fissures under uniaxial compression. The simulated results agreed very well with the experimental results, including the peak strength, peak axial strain, and ultimate failure mode. Using the same microparameters, the numerical models containing a new geometry of three fissures are constructed to investigate the fissure angle on the fracture mechanical behavior of brittle sandstone under uniaxial compression. The strength and deformation parameters of brittle sandstone containing new three fissures are dependent to the fissure angle. With the increase of the fissure angle, the elastic modulus, the crack damage threshold,and the peak strength of brittle sandstone containing three fissures firstly increase and secondly decrease. But the peak axial strain is nonlinearly related to the fissure angle. In the entire process of deformation, the crack initiation and propagation behavior of brittle sandstone containing three fissures under uniaxial compression are investigated with respect tothe fissure angle. Six different crack coalescence modes are identified for brittle sandstone containing three fissures under uniaxial compression. The influence of the fissure angle on the length of crack propagation and crack coalescence stress is evaluated. These investigated conclusions are very important for ensuring the stability and safety of rock engineering with intermittent structures.     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。