煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

岩石巴西圆盘的SHPB试验分析

李传林;张国庆;王永增;郭连军;刘鑫

【摘要】为了研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩不同应变率下三种岩石的拉伸敏感系数、弹性模量、能量耗散特征和破坏方式的变化规律,利用霍普金森试验装置对三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,试验结果表明:三种岩石的拉伸敏感系数随应变率的提高而增大,且应变率对拉伸敏感系数存在突变阈值;千枚岩和磁铁石英岩的弹性模量随应变率的增加而增大,花岗岩的弹性模量在应变率达到247.1 s-1以后基本不变;入射能、反射能、吸收能随着应变率的提高而增加,但试件吸收的能量相对于入射能是减小的,而透射能基本保持不变;三种岩石均沿加载直径方向劈裂,由中心起裂,满足了巴西圆盘试验的有效性,当应变率较大时,会在试样的加载端部的三角区出现粉碎区.

【期刊名称】《辽宁科技大学学报》

【年(卷),期】2015(038)006

【总页数】6页(P467-472)

【关键词】霍普金森压杆;平台巴西圆盘;劈裂拉伸试验;应变率

【作者】李传林;张国庆;王永增;郭连军;刘鑫

【作者单位】鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿,辽宁鞍山114043;鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿,辽宁鞍山114043;鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿,辽宁鞍山114043;辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁鞍山114051 【正文语种】中文

【中图分类】TU452

爆破是露天矿山及水利水电工程剥离矿岩的主要方式。在爆破过程中，爆炸应力波对岩体的动荷载作用不仅影响岩体的完整性还关系到工程的安全性问题，又由于岩石的动态拉伸强度远小于动态压缩强度，所以研究岩石的动态拉伸强度等特性是必要的。其中，劈裂拉伸试验方法包括直接拉伸试验、巴西圆盘试验和平台巴西圆盘试验等，由于直接拉伸试验的试样加工难于圆盘试样，而常规巴西圆盘试验容易在试样加载端部产生应力集中现象［1-5］，所以考虑到岩石材料的拉伸试验的难易程度及可行性，选取平台巴西圆盘，并保证了试样在中心起裂［6］。

SHPB系统的动态力平衡分析

满轲;周宏伟

【摘要】研究了一维应力波假定与应力均匀化假定对SHPB测试装置的必要性;分析了预制裂纹型试件在SHPB装置下的适用性,并分别论述了如何消除应力波弥散效应与试件惯性效应的方法;提出了动态力平衡对于验证这2个基本假定的必要性以及对于数据处理的准确性;得到了SHPB装置同样可以运用于预制裂纹型试件.

【期刊名称】《金属矿山》

【年(卷),期】2010(000)011

【总页数】4页(P27-30)

【关键词】SHPB原理;一维应力波假定;应力均匀化假定;动态力平衡;预制裂纹

【作者】满轲;周宏伟

【作者单位】中国矿业大学(北京);瑞士洛桑联邦理工大学;中国矿业大学(北京)

【正文语种】中文

材料在高应变率下与较低应变率下的力学行为不同,必须考虑到应力波效应和材料的应变率效应。然而,这两种效应常常是互相联系、互相影响、互相耦合的,使得问题变得十分复杂[1-2]。在应力波传播的分析中,材料动态本构方程是必要的组成部分,应力波传播是以材料动态本构关系已知为前提的;同时,在进行材料高应变率下的本构研究时,又必须依赖试验过程中的应力波传播及其相互作用。通过将应力波和应变率效应解耦,SHPB(split hopkinson pressure bar)装置很好地解决了这个问题。目前大多数的研究主要集中在运用 SHPB装置进行圆柱型试件的动态力学特性研究方面。

用 SHPB装置进行含裂纹型试件的冲击试验,进而研究材料在中高应变率下的动态断裂力学行为已经被很多学者采取[3-8]。R.Chen,K.Xia[3-4]等人采用 SCB(semi-circular bend)型预制缺口试件在SHPB装置下进行冲击加载,得到了岩石的断裂韧性、断裂能量与断裂速度等断裂参量;Qi Zhi Wang[5]等人采用预制中心裂纹的平台巴西圆盘试件,在 SHPB装置下测量该类岩石试件的断裂韧性;董世明,夏渊明[6-8]等人采用中心裂纹断裂型试件,对有机玻璃 (P MMA)进行 SHPB下的断裂冲击试验,同样得到其断裂韧性。

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

王梦想;汪海波;宗琦

【摘要】煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系.结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏.

【期刊名称】《振动与冲击》

【年(卷),期】2019(038)004

【总页数】7页(P137-143)

【关键词】煤矿泥岩;SHPB;应变率;破碎特性

【作者】王梦想;汪海波;宗琦

【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001

【正文语种】中文

【中图分类】TD313;TU452

煤炭开采环境大多为沉积岩，在煤系地层沉积岩中，泥岩是一种主要构成岩层，包括炭质泥岩、砂质泥岩和页岩等软弱岩体[1]。泥岩以泥质为主，有较强的粘塑性，对应力、湿度、温度和地下水等环境因素极为敏感[2]，特别是应力条件变化时，泥岩的组成结构与力学性质会发生变化，以煤矿泥岩巷道爆破掘进为例，在爆破过程中，不同区域煤矿泥岩承受的外力为应力峰值强度和延时不同的冲击载荷，一方面岩体中的动应力场受外冲击荷载和泥岩本身特性的影响；另一方面泥岩的动态强度和变形特征在很大程度上取决于所处位置的动应力场[3]。由于应力条件的变化，泥岩内部胶结弱化，强度降低，导致围岩支护结构变形过大，引发工程安全稳定性控制问题。在工程实践中，爆破破岩、机械破岩、采矿地压的冲击作用等都体现为对1岩石的动态作用[4-5]。

砂岩三轴常规压缩物理和数值实验分析

第２８卷第５期　河南理工大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２８　Ｎ０．５　２００９年１０月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＮＡＮ　ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｏｃｔ．２００９　

砂岩三轴常规压缩物理和数值实验分析　

段新伟　，李宝富　（１・义马煤业集团常村煤矿，河南义马４７２３００；２．河南理工大学能源学院，河南焦作４５４００３）　

摘要：基于曹窑东井采空区砂岩试件的超声波测试实验，选出了岩性较好的试件，并在　

ＲＭＴ一１５０　Ｂ岩石力学实验机上对砂岩试样在不同围压条件下进行常规三轴压缩物理实验；　利用ＲＦＰＡ系统，研究了不同围压对岩石试样承载能力的影响．数值试验和物理实验表明，　在较低围压条件下，试样的承载能力与围压大致成线性关系，　即试样的承载能力随着围压的　增高而增大．　

关键词：砂岩；三轴压缩试验；数值试验；围压　中图分类号：ＴＮ　９１９．８１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—９７８７（２００９）０５—０６５４—０５　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｏｕｔｉｎｅ　ｔｒｉａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　

ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｓａｎｄｓｔｏｎｅ　

ＤＵＡＮ　Ｘｉｎ—ｗｅｉ　．ＬＩ　Ｂａｏ—ｆｕ　（１．ＣｈａｎｇｃｕｎＣｏａｌ　Ｍｉｎｅ，ＹｉＭａ　Ｃｏａｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｊｉａｏｚｕｏ，ＹｉＭａ　４５４０００，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４００３，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｏｆ　ｓａｎｄｓｔｏｎｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＣａｏＹａｏ　ｅａｓｔ—ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ，ｔｈｅ　ｇｏｏｄ　ｌｉ—　

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

金解放;李夕兵;殷志强;杜坤

【期刊名称】《煤炭学报》

【年(卷),期】2012(037)006

【摘要】利用岩石动静组合加载SHPB试验装置，研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先，对具有不同轴压的岩石进行循环冲击；进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力一应变曲线；最后，研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加，加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低；平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22％，51％和65％时，岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展一急剧下降”，当轴压为0或为其单轴抗压强度的87％时，岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22％时，抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。

【总页数】8页(P923-930)

【作者】金解放;李夕兵;殷志强;杜坤

【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083 江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083 【正文语种】中文

【中图分类】TU459

【相关文献】

1.有压水环境下循环荷载历史对饱和混凝土动态力学特性的影响 [J], 柳琪;彭刚;操佩;谢京辉

2.冲击荷载下轴压对峰后破裂砂岩力学特性的影响 [J], 刘洋;刘长武

3.有压水环境下循环荷载历史对饱和混凝土动态力学特性的影响 [J], 柳琪;徐童淋;杨乃鑫;

4.循环冲击荷载下轴压对花岗岩动力学特性的影响 [J], 田诺成;王志亮;熊峰;刘志义

不同饱和度冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性试验研究

第 54 卷第 3 期2023 年 3 月中南大学学报(自然科学版) Journal of Central South University (Science and Technology)Vol.54 No.3Mar. 2023

不同饱和度冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性试验研究

贾蓬，卢佳亮，毛松泽，钱一锦，孙占阳

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳，110819)

摘要：为研究饱和度对冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性的影响，对饱和度分别为0，25%，50%，75%

和100%的冻结红砂岩进行SHPB动态冲击压缩试验。研究结果表明：不同饱和度的冻结红砂岩破坏机制

主要受未冻水弱化效应、冻结强化效应和冻胀损伤效应3种机制的影响；当饱和度低于25%时，未冻结合

水对岩石的动态力学性能产生弱化作用；当饱和度介于25%~75%之间时，冻结强化作用占主导地位；当

饱和度高于75%时，水冰相变导致的冻胀损伤占主导地位。冻结红砂岩的峰值强度、耗散能、能量利用率

随饱和度的增加均呈先减小后增大再减小的三段式分布规律，且具有明显的应变率效应，而冻结红砂岩冲

击压缩破坏的分形维数随饱和度的增加呈先上升后下降再上升的趋势。冻结红砂岩的冲击压缩力学性质及

其能量特征均与冻结强化和冻胀损伤的相互作用密切相关。

关键词：饱和度；冰冻岩石；动态压缩；分形维数

中图分类号：TU45 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号：1672-7207（2023）03-1131-10

Experimental study on dynamic compression performance and energy

characteristics of frozen red sandstone with different saturations

JIA　Peng, LU　Jialiang, MAO　Songze, QIAN　Yijin, SUN　Zhanyang

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

第29卷第10期岩石力学与工程学报 Vol.29 No.10 2010年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2010

收稿日期：2010–05–12；修回日期：2010–06–17 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732004)；国家自然科学基金资助项目(50934006)；中南大学优秀博士学位论文扶植资助项目(2008yb001)；中国科协科技导报社博士生创新研究计划资助项目(kjdb20090102–3) 作者简介：宫凤强(1979–)，男，2003年毕业于中南大学土木工程专业，现为中南大学、瑞士洛桑联邦理工大学联合培养博士研究生，主要从事岩石力学、岩土工程可靠度、安全工程方面的研究工作。E-mail：fengqiangg@

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

宫凤强1，2，3，李夕兵1，2，刘希灵1，2，ZHAO J3

(1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083；2. 中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，湖南长沙 410083； 3. 瑞士洛桑联邦理工大学岩石力学实验室，洛桑 CH–1015，瑞士) 摘要：基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识，利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置，开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形，开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明，相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大，冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势，在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下，冲击强度会随着应变率的增加而增加，呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内，随着入射能的递增，岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制，对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。关键词：岩石力学；深部岩石；动静组合加载；劈裂霍普金森压杆；动态压缩强度；岩爆；诱导致裂中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)10–2076–10 EXPERIMENTAL STUDY OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF

基于SHPB的岩石动态力学性能研究综述

摘要：SHPB作为材料动态力学性能研究的主要实验装置，于1914年研制发展至今，经众多学者不断改进实验技术，丰富实验应用范围，实验技术成熟并广泛应用，但其实验精度、数据弥散、尺寸效应等问题还有待进一步探讨。岩石作为重要的工程材料，其静态力学性能研究已趋于完善，而动态力学性能成果不足，亟待研究。不少相关研究人员借助SHPB实验研究其动态力学性能。

关键词：SHPB；岩石；动态力学性能

中图分类号：O442 文献标识码：A

1.SHPB的发展历史

SHPB实验装置的历史可以追溯到1914年，由Hopkinson[1]提出SHPB(split

Hopkinson pressure Bar)装置的原型，但当时仅能用来测量冲击荷载的脉冲波形。1949年Kolsky等人对该装置进行了改进，提出了采用分离式Hopkinson压杆技术来测量材料在冲击荷载作用下的应力－应变关系[2]；1974年Lindholm提出在两杆的表面测量应变代替电容传感器的测量[3]。最近十几年，众多学者在拓宽SHPB实验研究领域的基础上，结合实际及科研工作的要求，对SHPB实验装置进行针对性的改进，以满足不同材料的测试需要。例如：于亚伦[4]利用三轴SHPB实验装置，对岩石的动载特性、破坏机理及微观损伤机理进行了研究并建立相应的本构方程。Verleysen [5]推荐直径为25mm的铝杆，进行脆性材料冲击压缩试验；Tabaka [6]设计的杆式拉伸装置，将过去直接拉伸发展成为间接拉伸；薛青[7]对传统的Hopkinson扭杆进行改进，实现了单脉冲加载。Zhao[8]提出粘弹性SHPB技术，并对软材料动态力学性能进行研究。随着计算机技术发展，数据分析处理更加方便，SHPB实验装置应用也得到迅速发展，学者们陆续利用SHPB研究了许多问题，如试样尺寸、端部的摩擦效应、数据采集、波分离特性、横向惯性效应等等。

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

第３１卷第８期　振动与冲击　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨＯＣＫ　Ｖ０１．３１　Ｎｏ．８　２０１２　

三轴ＳＨＰＢ加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究　

宫凤强　，李夕兵　，刘希灵　，　

（１．中南大学资源与安全工程学院，长沙４１００８３；２．深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，长沙４１００８３）　

摘　要：利用改造的三轴ＳＨＰＢ动静组合加载实验装置，对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩　试验，作为对比利用ＲＭＴ一１５０Ｃ试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验。根据实验结果，分析围压对砂岩动态冲击　性能的影响，并讨论冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明，在围压一定情况下，岩石的动态压缩强度随应变率的提　高而提高；在应变率相同情况下，岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射　能，随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系，且递增的程度随围压的增加而增加。　三轴冲击加载下，应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳，应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。　关键词：三轴ＳＨＰＢ；应变率；岩石；动态压缩强度；围压；破坏模式　中图分类号：Ｏ３１９．５６　文献标识码：Ａ　

Ｔｅｓｔｓ　ｆｏｒ　ｓａｎｄｓｔｏｎｅ　ｍｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｔｒｉａｘｉａｌ　ＳＩｔＰＢ　ｌｏａｄｉｎｇ　

ＧＯＮＧ　Ｆｅｎｇ．ｑｉａ　ｒ，ＬＩ　Ｘｉ．ｂｉｎｇ　，一，　尉一ｌｉｎｇ　’　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｕｎａｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｈａｚａｒｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｄｅｅｐ　Ｍｅｔａｌ　Ｍｉｎｅｓ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　

SHPB原理

1

SHPB装置由动力系统、撞击杆（子弹）、输入杆、输出杆、吸收杆和测量记录系统组成，被测试样夹在输入杆和输出杆之间，如图2.1。1所示：

`图2。1.1 SHPB实验系统简图

Fig 2。1。1 SHPB experimental system

中国矿业大学(北京）Φ50mmSHPB实验系统,子弹长度采用400mm、600mm、800mm、1000mm四种。如图2.2。1所示的实验装置系统。

SHPB实验原理：实验中撞击杆以一定的速度沿轴向冲击输入杆（如图2。1.5)，在输入杆中产生一压缩应力波。输入杆和输出杆发生弹性变形,由于压杆的应力波是一维传播。当应力波到达试件与输入杆的1-1界面时，试件的波阻抗小于压杆的波阻抗，将反射一个卸载波到输入杆中，并透射一个压缩波进入试件中。冲击波在试件中传播一个试件长度后，在试件与输出杆的2—2界面反射与透射，分别进入试件与输出杆。随后反射回试件的应力波将会继续在1-1界面与2—2界面之间反射与透射。当应力波在1-1界面与2—2界面之间反射3个来回后,一般地,试件将达到应力平衡。当试件的长度与应力波的矩形脉冲长度相比足够小时，从宏观上看，可当作应力波反射一个卸载波返回输入杆中，经过试件透射一个加载波进入输出.利用粘贴在弹性杆上的应变片记录下应变脉冲，从而能计算出材料的动态应力－应变关系。

图2.1。5 SHPB实验原理

Fig2。1.5 Theory of SHPB experiment

若输入杆与输出杆的横截面面积为A0，弹性波波速为C0，弹性模量为E0，被测试件的横截面积、试件的长度分别为A、L。1-1界面、2-2界面和试件的应力分别为1()t、2()t、()t,输入杆的入射波应变为i、反射波应变为r，输出杆的透射波应变为t。试件左右端面的质点速度分别为1u与2u，试件中的平均应变为，试件中的应变率为。

根据应力波传播理论和一维应力假设，并依位移的连续性要求，1—1和2—2界面的运