花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

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。     

预静态加载后的混凝土动态受压特性试验

进行了混凝土在应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s的条件下,经历极限抗压强度分别为0、40%、60%、75%和85%的单调荷载作用的动态单轴压缩试验,在此基础上分析了经历不同单调加载历史和应变速率下混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。试验结果表明,随着应变速率的提高,动态单轴抗压强度明显增加;当单调加载应力水平高于某一应力阈值时,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土弹性模量随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加表现出先增大后减小的趋势;混凝土峰值应变随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加而减少。     

基于图形测量技术的煤岩力学三轴试验研究

为研究初始围压对煤岩力学特性的影响,以王庄煤矿9105工作面煤体为研究对象,通过HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器,利用数字图像测量技术开展不同初始围压下原煤试件加载试验,探究不同围压对煤体弹性模量、峰值应变、残余应力和破坏裂隙的影响规律,研究结果表明：弹性模量、峰值应变和残余应力随围压的增大而增大;随围压的增大各峰值应变增长速率不同,轴向峰值应变增长速率最快,体峰值应变增长速率次之,径向峰值应变增长速率最慢;不同围压加载破坏下煤体裂隙特征明显,主要以斜交裂隙为主;采用Jaeger法求得不同围压下煤岩体破坏临界强度值与试验值比较误差较小,符合Jaeger单结构面理论．     

不同位移加载速率下突出煤的红外辐射温度变化规律

为了探究不同位移加载速率下突出煤煤体失稳破坏的红外前兆信息,以0.02mm/s、 0.01mm/s、 0.005mm/s三种位移加载速率施加载荷,开展平煤十二矿和新景矿突出煤体加载破坏过程中红外辐射规律试验。试验结果表明:不同位移加载速率下煤样产生变温现象,低速位移加载速率时,煤样温度增加幅度变大,相同位移加载速率下,新景矿突出煤试样比平煤十二矿的红外辐射温度变化大;平煤十二矿和新景矿突出煤试样加载产生红外辐射的物理机制一致,均存在热弹效应和摩擦热效应;平煤十二矿突出煤试样破裂失稳红外辐射前兆表现为台阶式上升趋势,而新景矿突出煤试样表现为阶跃式、突增型上升趋势。     

不同加载速率下玄武岩三点弯断裂性能及破坏形貌的试验研究

对不同加载速率下的玄武岩展开了三点弯断裂试验研究,探讨了荷载-位移曲线变化规律及裂纹扩展机理,分析了试样断裂面粗糙度系数随加载速率及开裂荷载的变化关系。结果发现:当加载速率在0.005～5mm/s范围内增加时,试样的断裂峰值荷载有增大趋势,而最大位移有不同程度减小,荷载-位移曲线的弹性阶段明显突出,上凹阶段与裂纹失稳扩展阶段有所隐退。裂缝扩展高度一定时,开裂荷载随加载速率的增加而增大,且断裂面粗糙度系数与加载速率呈显著的对数函数递减趋势;而加载速率一定时,开裂荷载随裂缝扩展高度的增加而增大。试样不同高度处的开裂荷载与断裂面粗糙度系数呈明显的幂函数递减关系。     

三种红层岩石常规三轴压缩下的强度与变形特性研究

利用MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统研究了川东地区一红层边坡中的砂岩、粉砂岩和泥岩围压为0³MPa的应力-应变全过程曲线,建立了峰值强度、峰值强度前弹性模量以及峰值强度后的弹性模量和围压的关系。将低围压下红层的全应力-应变曲线概化成5个阶段,分别为压密段、弹性段、屈服段、应变软化段和塑性流动阶段。试验结果得出,红层弹性模量随围压的增加而提高且变化明显,砂岩和粉砂岩在此围压内为脆性破坏,泥岩为塑性破坏的规律。     

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一,同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数.对于脆性材料的拉伸强度测试,巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势.为研究海冰的拉伸强度特征,对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究.在加载过程中与试样破坏后,分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录.同时,对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量.通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响.针对传统试验中试样的刚体假设,考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型.试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏.试验结果表明,加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著,但孔隙率的影响较为明显.当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa.与单轴拉伸试验所测得数据对比,巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致.但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果.试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理,可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.     

金属拉扭强度关于材料声速及加载速率最小二乘法的回归模型

为了研究不同加载速率下金属的拉扭强度及其预测方法,利用声发射检测仪及电子拉扭试验机分别对铸铁和中碳钢标准试件进行了声速测定及不同加载速率、加载路径下的拉伸-扭转组合变形试验,得到了各试件材料的声速值及相应加载方案下的载荷-变形曲线;根据平面应力状态及强度理论,推导出了材料拉扭破坏的最大正应力、最大剪应力;利用试验中采集的最大轴力、最大扭矩计算得到了材料的拉扭破坏应力、破坏面方向;基于最小二乘法拟合得到了材料拉扭强度关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的多元回归模型。研究表明:随着拉伸与扭转加载速率的增加,铸铁、碳钢的破坏应力分别呈现总体上升、总体下降的趋势;相同加载速率、不同加载路径下材料的破坏强度各不相同;建立的回归模型能较好地预测给定材料在不同加载速率下的破坏应力,并以此建立塑性及脆性材料的拉扭强度条件。     

SDS水溶液作用下低煤阶煤体物理力学特性及损伤实验研究

为了探究SDS水溶液对低阶煤煤体物理力学特性的影响及损伤程度,采用十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液为有机溶液,以低煤阶煤体(阜新长焰煤)为研究对象,通过电镜扫描、压汞实验、纵波波速实验和单轴压缩实验,对SDS水溶液浸泡前后煤样的微观孔隙结构、孔隙率、纵波波速、峰值强度及弹性模量进行表征,分析煤样在SDS水溶液作用下物理力学特性随浸泡温度的变化规律,并建立了SDS水溶液作用下受荷载煤样的损伤演化模型,探讨煤样损伤机制。结果表明:(1)经SDS水溶液作用后,煤样微观孔隙分布不均匀,孔隙率随浸泡温度增加而增加,在55℃时,孔隙率为57%,比原煤样孔隙率增加了46%;煤样纵波波速、峰值强度和弹性模量均随浸泡温度增加而降低,在55℃时,纵波波速、峰值强度和弹性模量分别为571m/s、6.73MPa、356MPa,比原煤样分别降低了416m/s、5.12MPa、1129MPa;(2)SDS水溶液与荷载的共同作用加剧了煤样的总损伤程度,表现出明显的非线性特征,煤样损伤在微观上表现为矿物质组成与结构的改变过程,宏观上表现为煤样力学强度的降低及抵抗破坏的能力减弱;(3)运用新的浸泡实验结果验证所提出的损伤演化模型,实验结果与损伤演化模型十分吻合,相关系数R~2=0.999,由此可见,该损伤演化模型具有良好的可靠性。     

超强钢18NiC250在不同加载速率下的断裂韧性

为了揭示国产超强钢18NiC250的强度、断裂韧性随加载速率的变化规律,利用电子万能试验机和Hopkinson压杆,测试其在0.001～2 000 s-1的塑性流动应力应变曲线及在10-1~106 MPam1/2/s的断裂韧性,同时对断裂破坏机理进行了微观分析。结果表明:该材料的强度对加载速率不敏感,即流动应力基本保持在1.9 GPa;而断裂韧性很敏感,当加载速率由10-1 MPam1/2/s增大到106 MPam1/2/s时,断裂韧性降低了38.2%,断裂模式由韧窝断裂转变为解理断裂。     

软岩相似模拟材料单轴压缩力学特性的温度效应试验研究

为探索适用于模拟深部高温压下强延性地质软岩的相似材料,在传统砂和石膏的基础上,加入铁粉和温度敏感的石蜡,调整配比,制成4种软岩相似材料;通过单轴压缩试验,对经历不同温度(-20～50℃)后软岩相似材料的变形、强度特性、破坏形式的影响规律进行了研究。结果表明:随着温度的升高,软岩相似材料的弹性模量及峰值强度整体呈下降趋势,同一温度下,石蜡含量高的,峰值也大;不同温度下,表现为张拉破坏、剪切破坏、锥形破坏、楔形破坏,与天然岩体的常见破坏形式相一致;通过改变温度和砂胶比能模拟不同强度的脆性、延性岩体,尤其对高温压下的强延性深部岩体有独特优势。鉴于该类软岩相似材料的温敏性,使用时需要严格控制温度条件,可作为大型地质力学模型试验的特殊层,与其它传统相似材料配合使用。     

燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

为揭示燃爆冲击作用下井周岩石破坏区的形成机制,并分析影响初始破坏区(破碎区和初始裂隙区)的主控因素,开展了两种岩样在不同加载速率下的冲击破坏实验, 分析了岩石冲击破坏模式及岩石对加载速率的响应, 借助基于Von Mise准则建立的岩石冲击破坏的破碎区和初始裂隙区计算模型可知:加载速率低于190 GPa/s时,可依据冲击峰值压力引导的应力分布确定破碎区和初始裂隙区作用范围;燃爆压裂在近井地带主要产生破碎区和裂隙区,破碎区直径为井眼直径的1~3倍,初始裂隙区直径为井眼直径的5~7倍;冲击载荷作用下,初始破坏区与加载速率、脆性指数呈正相关,且受脆性指数影响更显著。研究结果可提高对燃爆压裂过程中岩石的破坏模式及其主控因素的认识深度,为燃爆压裂冲击条件设计提供指导。     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。     

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度,服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验,加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示,该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡,但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明,这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比,发现拉伸强度受试样形状影响,这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.     

不同加载方式和速率对类软岩单轴抗压强度影响的实验研究

利用相似材料配制出不同强度等级的类软岩试件,建立了力学加载模型,研究了位移和力两种加载方式下,单轴抗压强度随加载速率的变化规律。结果表明,对于同一强度等级的岩样,在不同加载速率区间上,加载速率增大时,单轴抗压强度会变大,但也会减小。强度增大的速率区间分别为[0.5mm/min,2mm/min]、[8mm/min,10mm/min]、[1.5mm/min,4mm/min],增幅占平均值百分比分别为18%、38%、37%;强度减小的速率区间分别是[2mm/min,10mm/min]、[0.5mm/min,8mm/min]、[4mm/min,10mm/min],减幅占平均值百分比分别为32%、39%、31%。对于同一加载速率区间,作用不同强度等级的岩样,单轴抗压强度对其响应效果也不同。两种加载方式测试产生的强度误差占平均强度值的20%左右,影响不容忽视。对不同强度等级的岩石来说,单轴抗压强度随加载速率的增加而增加不具有普遍性,应有限定条件,即在一定的速率区间适用。     

软弱夹层几何参数对试样力学行为影响颗粒元模拟研究

基于离散元理论的颗粒元程序,采用颗粒接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒元模型。通过数值模型实验,对不同软弱夹层几何参数试样进行加载模拟,探讨了不同夹层厚度及不同倾角条件下试样的破坏过程和破坏形式,并分析其对试样强度的影响。模拟结果表明,裂隙首先产生于软弱夹层处,随着荷载的增加,再逐渐扩展,呈现渐进性破坏特征;夹层越厚,倾角越大,试样沿软弱夹层呈现较强的滑动特征,如果夹层薄且缓,软弱夹层成为试样破坏的非控制因素;软弱夹层厚度和夹角对试样的峰值强度都有影响,随软弱夹层厚度和夹角的增大,试样的峰值强度降低。     

高低温加载对大理岩力学特性影响的试验研究

许多工程（如采矿、隧道掘进、地热开采等）都涉及到岩石损伤及破碎问题．传统的岩石损伤破碎技术,如爆破法、水射流法、机械掘进法等均面临着一系列问题,利用岩石的热损伤性质辅助机械破岩有望实现安全、高效破岩的目的．大理岩是一种典型的硬岩,常见许多工程之中,因此本文以大理岩为研究对象,首先将均质性较好的大理岩试样加热至不同温度(20~1000 °C)后放入液氮中进行急速冷处理,然后对其进行了系列的物理力学性质测试．试验结果表明：处理后密度、纵波波速、抗拉强度、单轴抗压强度(UCS)和弹性模量整体上都随温度的上升而下降;当加热温度在100 °C之前,大理岩表现出一定的热硬化现象,即随着温度升高,其UCS、纵波波速以及弹性变形模量均增大;UCS变化的阈值温度为400 °C左右,一旦温度超过400 °C,UCS迅速下降,其速率达到了9 MPa/100 °C,当温度超过500 °C弹性模量迅速下降,其速率达到7.00 GPa/100 °C,表明岩样抵抗变形能力减弱．整体上,热加载降低了大理岩的脆性,使其在单轴作用下的破坏模式由脆性破坏逐渐转化为弹塑性破坏．     

应力波载作用下材料断裂韧性测试技术研究进展

本文对应力波载荷(加载速率KI≥105MPa m/s)作用下,动态断裂韧性测试技术中的非光学方法进行了较全面和较系统的研究,比较了各自的优缺点,并对不同方法的可靠性和适用范围进行了分析．