巖石沖擊能量耗散特性實驗研究

巖石沖擊能量耗散特性實驗研究

巖石是一個典型的空隙介質(zhì)，由大自然經(jīng)過數(shù)十億年的積累形成。這些間隙的存在嚴(yán)重影響了巖石材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能。同時,巖石材料的動態(tài)力學(xué)行為還強烈依賴于外部加載條件如加載速率、加載的大小。因此,對于同一種材料,在不同加載條件下其力學(xué)性質(zhì)是不相同的。目前國內(nèi)外學(xué)者對沖擊載荷下巖石力學(xué)性質(zhì)進行了廣泛的實驗和數(shù)值模擬研究,并取得了大量有價值的成果[2～8]。國內(nèi)外學(xué)者對孔隙介質(zhì)的波動特性也開展了一些探索性研究[9～11]。吳德倫等人對飽和孔隙介質(zhì)中波動分析的加權(quán)吸收邊界條件進行了研究,建立了解決飽和孔隙介質(zhì)波動的一種新的吸收邊界條件。胡恒山等人對孔隙介質(zhì)中快縱波的衰減特性和動力協(xié)調(diào)現(xiàn)象進行了分析。他指出在Biot理論意義下快縱波衰減隨孔隙率非單調(diào)變化。巖石中能量耗散依賴于許多因素,不僅與巖石孔隙率有關(guān),而且還受到巖性、巖石的顆粒大小、膠結(jié)程度和流體飽和程度等的影響。目前有關(guān)沖擊載荷作用下,孔隙率對巖石能量耗散的研究鮮有報道。研究巖石沖擊力學(xué)特性對分析巖石介質(zhì)中應(yīng)力波傳播規(guī)律和巖石動載破壞機理具有重要意義,也是巖石動載破碎數(shù)值計算的基礎(chǔ)和抗震抗爆等工程設(shè)計的基礎(chǔ)。本文巖石動態(tài)沖擊試驗是在Hopkinson壓桿裝置上進行的,完整檢測了整個沖擊過程,討論了巖石孔隙率對能量耗散的影響。1實驗桿、桿、板、墻設(shè)置測試系統(tǒng)以SHPB裝置為核心,主要包括:用于撞擊桿加速運動的氮氣瓶和彈膛組成的動力系統(tǒng);由撞擊桿、過渡桿、巖樣以及輸入桿和輸出桿組成的載荷產(chǎn)生與傳遞系統(tǒng);由激光測速儀構(gòu)成的測速系統(tǒng);由應(yīng)變片、超動態(tài)應(yīng)變儀、TST5000動態(tài)測試分析儀組成的應(yīng)變測量系統(tǒng),如圖1所示。實驗采用的撞擊桿的直徑為22mm,輸入桿和輸出桿的直徑均為32mm,輸入桿和輸出桿的長度均為2000mm。巖樣直徑30mm,長度為20mm,過渡桿是直錐變截面桿。由于過渡段錐角較小,長度較大,一維應(yīng)力波理論仍然有效。在沖擊實驗時,分別在輸入桿和輸出桿中間位置粘貼了靈敏度高的半導(dǎo)體應(yīng)變片,以提高子彈低速撞擊時加載波的抗電磁干擾能力和捕捉試件破碎時微弱的透射信號,大大提高了原始信號的準(zhǔn)確度。需要說明的是,半導(dǎo)體應(yīng)變片僅適用于低速撞擊,否則要考慮它的非線性問題。應(yīng)變波動信號,經(jīng)超動態(tài)應(yīng)變儀放大后傳送給多通道瞬態(tài)波形存儲儀,它記錄保存各個通道的應(yīng)變時間歷程,最后再送入計算機中進行分析處理。為了研究巖石孔隙率對能量耗散的影響,必須保證其它條件基本一致。在天然巖石中很難選擇到孔隙率不同而其他條件基本一致的多塊巖樣,所以作者選用了物質(zhì)成分相同、膠結(jié)程度相近的人造巖樣。實驗所用人造巖樣是在西南石油學(xué)院加工制作的,由白剛玉加磷酸鋁在高溫下固結(jié)而成型的。通過調(diào)整粒度等比例來控制孔隙率。人造巖石的孔隙率誤差在3%之內(nèi)。實驗共采用了成分相同而孔隙率不同的人造巖樣6種。這6種人造巖樣的孔隙率分別約為35.4%、30.5%、28.2%、25.9%、23.8%和18.5%。2動態(tài)本構(gòu)模型SHPB試驗技術(shù)是建立在兩個基本假定基礎(chǔ)上的。一個是一維假定,另一個是均勻假定。由均勻化假設(shè),得εt=εi+εr。根據(jù)所測得的入射波εi、反射波εr和透射波εt,直接利用一維應(yīng)力波理論得到試件材料的應(yīng)變率ε(t)、應(yīng)變ε(t)和應(yīng)力σ(t):式中,sA和Ls為試件的橫截面積和長度;eA、Ee和ce分別為輸入桿或輸出桿的橫截面積、彈性模量和縱波速度。由式(2)和式(3)可知,反射波決定了試件的應(yīng)變變化,透射波能夠反映巖石試件中的平均應(yīng)力變化情況。在SHPB動態(tài)實驗中,可根據(jù)下式計算巖石耗散的能量:式中,Wed是試樣消耗的能量;iW、Wr和tW分別為入射波、反射波和透射波所攜帶的能量,應(yīng)力波能量iW、Wr和tW的計算公式為:在彈性范圍內(nèi),,其中ρe為壓桿的密度。3巖石能量耗散特性利用SHPB裝置對孔隙巖石進行沖擊實驗時,每種孔隙率的巖樣在相同的沖擊速度下重復(fù)多次試驗。圖2給出了巖石孔隙率為35.4%,沖擊速度為6m/s時的輸入桿和輸出桿中應(yīng)變波形曲線。實驗表明,入射波的形狀比較穩(wěn)定,取決于撞擊桿的沖擊速度;而反射波與透射波的形狀與巖石試樣的孔隙率密切相關(guān)。圖3所示是孔隙率為18.5%的人造巖樣在沖擊速度為6.0m/s時的入射能、反射能和透射能的時程曲線。從圖3中可以看出,在沖擊試驗中,在初始階段,隨著時間的增加,入射波、反射波和透射波所攜帶的能量均增加,達到某一能量值后近似保持恒定,而且入射波所攜帶的能量要大于反射波和透射波所攜帶的能量。由公式(4)可知,在沖擊速度基本相同,即入射波所攜帶的能量基本相等的情況下,反射波和透射波所攜帶能量越小,巖石所消耗的能量就越大。從圖3可知,孔隙率為18.5%的人造巖樣的透射波所攜帶能量大于反射波所攜帶能量,這說明了有更多的能量透過巖樣傳遞到輸出桿中。在此實驗中,該巖樣仍然是完整的,表面沒有裂紋。圖4為相同沖擊速度下不同孔隙率巖石的能量耗散曲線。從圖4中可以看出,在沖擊載荷作用下,隨著巖石孔隙率的增加,巖石耗散的能量增加。這是因為巖石破壞過程中的能量耗散特性與其內(nèi)部損傷特征有十分密切的聯(lián)系。作用于巖石的外部能量是產(chǎn)生巖石內(nèi)部損傷破壞的直接原因。裂紋的孕育、繁衍、萌生、擴展和貫通每一階段都要從外部吸收能量,而且是不可逆的能量耗散過程。巖石孔隙率不同,巖石抗壓強度也不同。同種巖石孔隙率越大,其抗壓強度就越小,因此在相同沖擊速度下不同孔隙率的巖石破壞不同,孔隙率大的巖石破壞嚴(yán)重。巖石的能量耗散特性與孔隙率的大小密切相關(guān)。圖5所示是不同孔隙率巖石在沖擊速度為6m/s時的破壞情況。從圖中可以看出,只有孔隙率為35.4%的巖石試樣發(fā)生嚴(yán)重破壞,而其它孔隙率的巖樣表面沒有明顯的微裂紋。結(jié)合圖4可以得出,雖然巖石在沖擊載荷作用下未發(fā)生宏觀破壞,但是仍有能量耗散。這可能是由于巖石內(nèi)部的微損傷造成的。對于巖石的沖擊,不論是否使其破壞,都會不同程度地導(dǎo)致微損傷的演化和發(fā)展,因而也就消耗外部能量。當(dāng)巖石內(nèi)部損傷發(fā)展到一定階段時,將會導(dǎo)致巖石的宏觀破壞。圖6所示為不同孔隙率的人造巖石臨界破壞時的能量耗散曲線。巖石臨界破壞是指在沖擊后,巖樣仍然是完整的,但是表面已經(jīng)有明顯的微裂紋。從圖6可以看出,隨著巖石孔隙率的增加,巖石臨界破壞所耗散的能量減小。4孔隙率對巖石能量耗散的影響通過上述對不同孔隙率的人造巖石在沖擊載荷作用下吸能情況比較,得出的主要結(jié)論如下:(1)反射波