不同沖擊荷載下花崗巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

不同沖擊荷載下花崗巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)土木工程行業(yè)發(fā)展迅速，新建項(xiàng)目數(shù)量日益增多。工程領(lǐng)域的許多問(wèn)題包括巖石動(dòng)態(tài)荷載下的動(dòng)態(tài)性質(zhì)和破壞，如隧道開(kāi)挖、采礦和爆炸防護(hù)工程。巖石動(dòng)態(tài)加載下的力學(xué)性能的表現(xiàn)特征和破碎能耗的演化過(guò)程非常復(fù)雜。由于動(dòng)負(fù)荷作用時(shí)間短，巖石的動(dòng)載力和動(dòng)壓力差異很大，破碎能量也會(huì)發(fā)生變化。為了測(cè)量和評(píng)估巖石動(dòng)力破壞的難度，有很大的誤差。因此，在輻射影響下研究巖石動(dòng)態(tài)行為和能量浪費(fèi)屬性具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)巖石的動(dòng)力性能展開(kāi)研究:劉軍忠等綜上,目前巖石動(dòng)力特性研究已取得不少成果,但以往對(duì)巖石動(dòng)力特性的研究多集中在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度等方面,而對(duì)應(yīng)變率曲線特征以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段行為的研究尚不多見(jiàn).本文擬采用SHPB對(duì)黑云母花崗巖進(jìn)行單次和重復(fù)沖擊壓縮試驗(yàn),首先考察能量耗散對(duì)試樣破壞形態(tài)的影響,然后探討應(yīng)變率曲線的變化規(guī)律,最后對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征進(jìn)行分析,力求得出具有參考價(jià)值的結(jié)論.1測(cè)試準(zhǔn)備1.1沖擊彈速的確定試驗(yàn)采用的黑云母花崗巖試樣取材湖南汨羅地區(qū),巖樣外觀呈灰白色,屬于中細(xì)粒黑云母花崗巖.該花崗巖的平均密度為2600kg/m試驗(yàn)設(shè)計(jì)為單次和重復(fù)沖擊兩種加載方式,通過(guò)固定子彈位置并調(diào)節(jié)沖擊氣壓來(lái)控制彈速.為確定單次沖擊合理的彈速值,先對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)沖擊,以試樣破裂并有碎片出現(xiàn)作為沖擊彈速最低臨界值,由此確定單次沖擊的5個(gè)彈速分別為12.5,13.6,15.2,16.8和18.6m/s;對(duì)于重復(fù)沖擊試驗(yàn)的彈速,確立依據(jù)是首次沖擊后試樣須完好,且試樣承受的最大重復(fù)沖擊次數(shù)限定在30次以?xún)?nèi),依此選定4個(gè)彈速為7.2,8.5,10.0和11.5m/s.為降低測(cè)試數(shù)據(jù)的離散性,每種彈速準(zhǔn)備3個(gè)試樣,并取接近測(cè)試數(shù)據(jù)平均值的試樣進(jìn)行分析.1.2試樣應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力SHPB裝置見(jiàn)圖2,主要由子彈(撞擊桿)、壓桿(入射桿和透射桿)、吸收桿及緩沖器組成.撞擊桿、入射桿和透射桿的長(zhǎng)度分別為400,2400和1800mm.壓桿采用高強(qiáng)度合金鋼制成,波速為5172m/s,彈性模量為210GPa.在高壓氣體作用下子彈以一定速度根據(jù)試樣與壓桿的界面條件以及一維應(yīng)力波理論,試樣的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算如下,(1),(2).(3)式中:2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1試樣應(yīng)力時(shí)程曲線試驗(yàn)過(guò)程中,在試樣兩端涂抹凡士林,以降低桿件與試樣之間摩擦.為保證試樣在加載過(guò)程中達(dá)到應(yīng)力均勻,在入射桿撞擊端面中心位置粘貼直徑10mm、厚度1mm的橡膠片作為波形整形器(見(jiàn)圖2)圖4為試樣單次沖擊下應(yīng)力時(shí)程曲線,可以看出,不同彈速下入射波曲線形狀比較相似,且入射波峰值隨彈速的增加而增大,但透射波差別較大.圖5為試樣重復(fù)沖擊彈速2.2單次影響下試驗(yàn)結(jié)果的分析2.2.1變異性與破壞形態(tài)巖石試樣在沖擊荷載作用過(guò)程中發(fā)生破碎,其吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為破碎耗散能和彈射動(dòng)能.根據(jù)文獻(xiàn),(4)=式中:表1列出了單次沖擊下的彈速、入射波峰值應(yīng)力、應(yīng)變率及比能量數(shù)值,其中試樣編號(hào)中首個(gè)數(shù)字“1”代表單次沖擊.可以看出,隨著彈速的增加,入射波峰值應(yīng)力、應(yīng)變率和比能量都呈逐漸增大的趨勢(shì).圖6為單次沖擊下比能量與應(yīng)變率的關(guān)系,可以看出,比能量隨應(yīng)變率的增加而增加,表現(xiàn)出較強(qiáng)的線性關(guān)系.圖7顯示了動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與比能量的關(guān)系,通過(guò)擬合可發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與比能量呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,因此,比能量在一定程度上可以反映出動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì).當(dāng)應(yīng)變率較小時(shí),試樣的破損較小,彈性階段吸能較大,因此,強(qiáng)度隨比能量增加而增大較快;隨應(yīng)變率增大,試樣后期破損嚴(yán)重,消耗大量能量,強(qiáng)度隨比能量增加而趨于穩(wěn)定.圖8為單次沖擊下試樣的破壞形態(tài).可以看出,試樣破壞程度隨比能量的增加而增大,由塊狀變?yōu)榧?xì)粒狀.由于試樣在沖擊荷載作用下,獲得的能量將以材料內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通的形式耗散,因而破壞程度與比能量有關(guān).在比能量較大時(shí),更多的裂紋被激活并匯聚貫通,當(dāng)累積裂紋密度達(dá)到某一閾值時(shí),導(dǎo)致巖石材料發(fā)生粉碎性破壞;而比能量較低時(shí),巖樣內(nèi)部裂紋數(shù)量相對(duì)減少,破碎塊體較大.2.2.2應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)分析圖9為不同彈速單次沖擊下試樣的應(yīng)變率曲線.可以看出,應(yīng)變率曲線出現(xiàn)“雙峰”特征,該現(xiàn)象主要與試樣破碎程度有關(guān).當(dāng)試樣破碎嚴(yán)重時(shí),巖石性能發(fā)生顯著變化,與桿件波阻抗嚴(yán)重不匹配,導(dǎo)致應(yīng)力波大部分反射回入射桿,因此形成第2波峰,其能較好反映出試樣的破碎程度圖10為單次沖擊下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看出,在加載階段中后期,曲線斜率逐漸減小,表明試樣內(nèi)部裂紋不穩(wěn)定傳播擴(kuò)展,產(chǎn)生塑性變形,傳遞荷載能力逐漸降低.當(dāng)應(yīng)變率較小時(shí),曲線峰后階段應(yīng)變隨應(yīng)力的降低而減小,出現(xiàn)回彈現(xiàn)象,這主要因?yàn)樵嚇悠茐某潭容^小,試樣仍具有一定承載能力,部分能量在峰后釋放.當(dāng)應(yīng)變率較大時(shí)(如170.0/s),峰后段應(yīng)變繼續(xù)增加,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力逐漸降低,試樣失去承載能力.2.3在重復(fù)攻擊下的試驗(yàn)結(jié)果的分析中2.3.1循環(huán)沖擊下累積比能量與累積比能量的變化規(guī)律探討重復(fù)荷載作用下巖石的力學(xué)特性,有助于正確認(rèn)識(shí)巖體的破壞機(jī)理,進(jìn)而科學(xué)地評(píng)價(jià)巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.為了分析重復(fù)沖擊下花崗巖的能量特性,定義累積比能量.(6)式中:表2列出了入射波峰值應(yīng)力、沖擊次數(shù)、累積比能量及試樣破壞程度,其中試樣編號(hào)首數(shù)字“2”代表循環(huán)沖擊.可見(jiàn)當(dāng)入射波峰值應(yīng)力為92.8MPa時(shí),試樣在30次重復(fù)沖擊作用下的累積比能量為0.82J/cm圖12為不同彈速重復(fù)沖擊下峰值應(yīng)力與累積比能量隨沖擊次數(shù)的變化.可以看出,不同彈速下,隨著沖擊次數(shù)的增加,峰值應(yīng)力逐漸降低,而累積比能量逐漸增大.這主要由于沖擊荷載作用下,巖石內(nèi)部原始裂紋由于應(yīng)力集中起裂,且隨著沖擊次數(shù)的增加累積比能量增加,導(dǎo)致更多的裂紋擴(kuò)展貫通,形成宏觀裂紋引起巖樣斷裂,因此,巖石承載能力逐漸降低.同時(shí),隨著沖擊次數(shù)的增加,整體上累積比能量的增加幅度逐漸增大,比能量呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),說(shuō)明隨著沖擊次數(shù)的增加,試樣吸能逐漸增加,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),吸能快速增加導(dǎo)致試樣發(fā)生破壞.2.3.2應(yīng)力應(yīng)變曲線圖13為不同重復(fù)彈速下應(yīng)變率曲線.可以看出,應(yīng)變率持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)間為60～70μs,之后開(kāi)始逐漸降低.隨著沖擊次數(shù)的增加,應(yīng)變率峰值逐漸增大,同時(shí)應(yīng)變率降低為負(fù)值的時(shí)間逐漸增加,表明峰值應(yīng)變逐漸增大.當(dāng)重復(fù)彈速圖14為不同彈速重復(fù)沖擊下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看出,當(dāng)試樣未發(fā)生破壞時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本分為彈性加載、損傷演化和峰后回彈3段.處于彈性加載階段時(shí),表現(xiàn)為應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而近似線性增加;當(dāng)加載段由直線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍€時(shí),表明試樣產(chǎn)生損傷,微裂紋不穩(wěn)定增長(zhǎng)和傳播;卸載階段,試樣彈性變形逐漸恢復(fù),應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)回彈現(xiàn)象.同時(shí),隨著沖擊次數(shù)的增加,回彈線與加載包絡(luò)線面積有增大趨勢(shì),說(shuō)明試樣損傷逐漸加劇.隨著試樣損傷的累積,其彈性加載段逐漸變短,直接進(jìn)入損傷演化階段,試樣裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展并逐漸貫通,導(dǎo)致試樣發(fā)生破壞.應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段形狀與試樣破壞形態(tài)有關(guān),例如彈速根據(jù)以上可知,試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段形狀與吸收能量有關(guān).單次沖擊下,比能量隨著應(yīng)變率的增加而增加,試樣破壞程度逐漸加劇.因此,應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后段的回彈現(xiàn)象將逐漸減弱,應(yīng)變軟化特征逐漸明顯.重復(fù)沖擊下,能量是逐漸累積的過(guò)程,應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后段大多出現(xiàn)回彈現(xiàn)象.當(dāng)試樣發(fā)生破壞時(shí),隨著累積比能量的增加,試樣破壞程度逐漸增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后段回彈現(xiàn)象漸弱,出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象.3重復(fù)沖擊下應(yīng)變率曲線特征結(jié)果—結(jié)論1)單次沖擊下,試樣破壞形態(tài)與比能量有關(guān),隨著比能量的增加,試樣破壞程度逐漸增大,由塊狀變?yōu)榧?xì)粒狀;重復(fù)沖擊下,損傷累積到一定程度試樣發(fā)生破壞,且破壞程度隨著累積比能量的增加而加劇.2)單次沖擊下,應(yīng)變率曲線出現(xiàn)明顯的“雙峰”特征,且隨著入射波峰值應(yīng)力的增加,第2峰逐漸高于第1峰;重復(fù)沖擊下,隨著沖擊次數(shù)的增加,應(yīng)變率曲線的峰值逐漸增大,當(dāng)試