三維滾動組合加載下細(xì)砂巖力學(xué)行為研究

三維滾動組合加載下細(xì)砂巖力學(xué)行為研究

1深部巖體的力學(xué)特性隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源依賴的程度越來越高。而目前我國淺部資源逐漸枯竭,深部資源開采迫在眉睫。隨著深井采礦、核廢料儲存、石油開采、地質(zhì)鉆探等人類活動的不斷深入地下,人們發(fā)現(xiàn)深部巖石有著許多現(xiàn)有巖石力學(xué)知識無法很好解釋的現(xiàn)象,如巖爆、沖擊地壓、巖石發(fā)生脆延轉(zhuǎn)化破壞特征異常、巖體分區(qū)破裂化現(xiàn)象等。深部地下資源的開發(fā)過程中,礦巖不僅承受著很高的靜載荷作用,而且還受到如爆破震動等動載荷的影響,不同于淺部巖體。由于淺部巖體埋深小,所受到的自重應(yīng)力可忽略,只需單純的考慮爆破等動載荷的作用,就可以較好地解決出現(xiàn)的動力學(xué)方面問題。而深部巖體問題利用淺部的辦法來解決時效果不理想,因此深部礦巖的力學(xué)行為是目前巖石力學(xué)界和采礦工程界研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。如圖1(a)所示,深部巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜,受高地應(yīng)力和動載荷作用,其受力狀態(tài)可簡化見圖1(b)。A處巖體受到豎直靜應(yīng)力和動載荷作用,相當(dāng)于礦房中礦柱受到動靜載荷作用,B處則是受到三維靜應(yīng)力和豎直方向的動載荷共同作用,因此可以將深部巖體看作是靜應(yīng)力條件下受到動載荷作用的結(jié)果。顯然,研究預(yù)靜應(yīng)力條件下巖石動靜組合強(qiáng)度和變形性質(zhì),對揭示深部災(zāi)害發(fā)生機(jī)理和防治有一定的工程意義。在研究巖石對動靜組合載荷作用的響應(yīng)過程中,一、二維動靜組合載荷下巖石力學(xué)特性的研究已取得部分成果,分別研究了組合加載強(qiáng)度、能量耗散等,并運(yùn)用突變理論進(jìn)行了解釋,而三維動靜組合載荷下巖石力學(xué)特性的研究很少。因此,本文針對深部巖體,將圓柱形砂巖試件放在動靜組合加載試驗(yàn)機(jī)上,進(jìn)行有預(yù)加圍壓和軸向靜壓條件下受到?jīng)_擊作用的力學(xué)試驗(yàn),分析砂巖在不同的三維靜壓水平條件下的動靜組合強(qiáng)度和變形特征。2試驗(yàn)結(jié)果及分析本次對原有SHPB沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn):①在輸入桿和輸出桿端部處安設(shè)軸壓加載裝置,可以施加與沖擊載荷方向一致的靜載荷;②在試件安裝處架設(shè)圍壓加載裝置,可以施加垂直于沖擊載荷方向的圍壓,同時施加軸向靜壓和圍壓時即可進(jìn)行三軸預(yù)應(yīng)力下的沖擊試驗(yàn)。改進(jìn)后系統(tǒng)見圖2。軸向靜壓加載裝置和圍壓加載裝置結(jié)構(gòu)見圖3、4。系統(tǒng)的軸向靜壓和圍壓加載范圍均為0~200MPa。試驗(yàn)材料選用完整性和均勻性相對較好的細(xì)砂巖,采用φ50mm×50mm的圓柱體試件,并對試件的兩端及側(cè)面仔細(xì)研磨,不平行度和不垂直度均小于0.02mm。試件表面光滑,沒有明顯缺陷。平均體積密度為2.62×103g/cm3,平均單軸抗壓強(qiáng)度為91.36MPa,沖擊強(qiáng)度為153.78MPa(平均應(yīng)變率為90~100s-1)。相應(yīng)的常規(guī)三軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果見表1。將試件裝入圍壓壓力盒中,并與沖擊桿配合好,手動加圍壓和軸壓到設(shè)計(jì)值,即可以進(jìn)行一次沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)分兩個系列進(jìn)行:第1系列固定軸向靜壓,做2組,軸向靜壓分別為22.5MPa和36MPa,圍壓分別為0、2、4、6、8MPa;第2系列固定圍壓,做2組,分別為4MPa和8MPa。軸向靜壓分5個水平:圍壓為4MPa時,其對應(yīng)軸向靜壓分別為22.5、36、72、90、103.5MPa;圍壓為8MPa時,其對應(yīng)軸向靜壓分別為22.5、36、90、103.5、121.5MPa。兩個系列對應(yīng)軸向靜壓分別為其三維靜載抗壓強(qiáng)度的20%、30%、70%、80%和90%,每組試驗(yàn)重復(fù)3~5次。沖擊載荷是由瓶裝高壓氮?dú)庾鳛橥苿恿ν苿渝F形沖頭撞擊入射桿,產(chǎn)生半正弦應(yīng)力波。由于氣壓和沖頭到入射桿的距離均恒定,因此動態(tài)加載速率為一定值。圖5為試驗(yàn)中典型的動態(tài)沖擊應(yīng)力波波形曲線。試驗(yàn)過程中先加載圍壓,后加軸壓。3應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型將試驗(yàn)中實(shí)測的每個試件的數(shù)據(jù)分別處理后,繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖6為圍壓4MPa和8MPa時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,類似于常規(guī)三軸抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖6可看出,巖石組合加載下峰值強(qiáng)度隨著軸向靜壓增大表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。圖7為軸向靜壓為22.5MPa和36MPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖中有兩條曲線是單軸動靜組合應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圍壓為0MPa)。從圖7中可以看出,動靜組合全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為彈性階段、屈服階段和破壞階段。在彈性階段,應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線性關(guān)系,服從虎克定律,表現(xiàn)出彈性特征。在屈服階段,巖樣內(nèi)部發(fā)生損傷,強(qiáng)度較低的材料逐步屈服破壞,應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離直線,表現(xiàn)出試件的初步損傷發(fā)展過程。在破壞階段,砂巖試件內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到其能夠承受的極限能力,砂巖試件沿某破裂面產(chǎn)生宏觀滑移。圖7中其他曲線(圍壓不為0MPa)是三維動靜組合應(yīng)力-應(yīng)變曲線,與圖中單軸動靜組合應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圍壓為0MPa)相比,達(dá)峰值時的變形要大一些,即塑性相比表現(xiàn)得多一些。3.1巖石的變形特征是由三維壓力和沖擊相結(jié)合的(1)軸向靜壓影響由于巖石體內(nèi)或多或少存在孔隙或微裂紋,經(jīng)三向加壓到一定范圍內(nèi),微裂紋閉合,巖石更加致密,其彈性模量增大。三向加載的壓力超過一定范圍,彈性模量的變化就不一樣了,在軸向靜壓不發(fā)生改變的條件下,一般地也隨圍壓增加,巖石中的裂紋逐漸閉合,其彈性模量增大,如果圍壓增大超過了軸向靜壓時,情形可能不一樣,這種情況這里不討論。在固定圍壓的情況下,一直增加軸向靜壓,巖石開始隨著軸向靜壓的增大逐漸變得致密,這個范圍一般在彈性階段內(nèi)。當(dāng)軸向靜壓越過彈性段后,進(jìn)入損傷階段,巖石體內(nèi)微裂紋從閉合到重新激活發(fā)育,隨著微裂紋的增多,巖石損傷加重,則彈性模量降低。如圖8所示,軸向靜壓分別固定在22.5MPa和36MPa水平上(彈性階段內(nèi)),增加圍壓,巖石的彈性模量一直在增加,并且可以看出軸向靜壓高的試件彈性模量一般高于軸向靜壓低的試件。圖9為圍壓分別固定在4MPa和8MPa的條件下增加軸向靜壓與彈性模量的關(guān)系。剛開始在彈性階段,隨軸向靜壓增大,其彈性模量提高,但進(jìn)入損傷階段后,隨軸向靜壓增大,彈性模量反而降低。(2)軸向靜壓影響應(yīng)變率反映了巖石受力條件下變形的快慢,也能反映應(yīng)力變化的快慢程度,而平均應(yīng)變率反映巖石破壞整體變形的快慢程度,最大應(yīng)變率則是表現(xiàn)了某一特殊時刻巖石變形最快的瞬間。圖10為軸向靜壓固定、不同圍壓的條件下受沖擊載荷的砂巖最大應(yīng)變率和平均應(yīng)變率的變化情形:軸向靜壓分別為22.5MPa和36MPa時所對應(yīng)的最大應(yīng)變率與圍壓的關(guān)系不明顯,但與其所對應(yīng)的平均應(yīng)變率卻隨圍壓增大而減小。究其原因,是由于圍壓增大,巖石內(nèi)部裂紋逐漸閉合,致密度提高,平均應(yīng)變率隨之降低。由于圍壓對軸向變形是一種間接的影響,其影響程度很小,加上試件的差異等,在軸向壓力固定的情況下最大應(yīng)變率受圍壓影響不明顯。圖11為固定圍壓情況下最大應(yīng)變率和平均應(yīng)變率隨軸向靜壓的變化趨勢。由于圍壓固定的情況下軸向靜壓一直增大,巖石經(jīng)歷彈性階段、損傷階段,直至完全破壞。在彈性階段,巖石隨軸向靜壓增大會逐漸壓密,最大應(yīng)變率隨之降低,而進(jìn)入損傷階段后,巖石隨軸向靜壓增大損傷更加嚴(yán)重,小的擾動就可能使巖石試件發(fā)生很大的位移,故最大應(yīng)變率增大。因此,圖11中最大應(yīng)變率和平均應(yīng)變率都是先降低后升高,不過最大應(yīng)變率相對變化較大,而平均應(yīng)變率變化相對則較小。3.2靜壓對細(xì)砂巖沖擊強(qiáng)度的影響細(xì)砂巖屬沉積巖,其致密度不如花崗巖、大理巖等巖石高,內(nèi)部存在一定的孔隙,在受到三維壓力時,在一定范圍內(nèi)其內(nèi)部孔隙縮小,且圍壓限制其側(cè)向變形,故其強(qiáng)度被提高。隨著圍壓增大,其強(qiáng)度逐漸增大。軸向靜壓對組合強(qiáng)度的影響在彈性范圍內(nèi),與圍壓類似。但若軸向靜壓超出彈性階段,進(jìn)入損傷階段,巖石內(nèi)部的間隙被重新激活,則其強(qiáng)度下降。圖12和圖13為細(xì)砂巖在不同靜壓水平下沖擊強(qiáng)度變化情況。從圖12可以看出,隨著圍壓增大,細(xì)砂巖動靜組合抗壓強(qiáng)度一直在增大。由于試驗(yàn)用的細(xì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度分別為91.36、22.5MPa和36MPa,是單軸抗壓強(qiáng)度的24.6%和39.4%,因此,這兩個軸向靜壓都在其單軸和三軸抗壓強(qiáng)度的彈性范圍內(nèi),所以其動靜組合抗壓強(qiáng)度一直在增大,文獻(xiàn)的試驗(yàn)也驗(yàn)證了這個結(jié)論。但進(jìn)入損傷段后,情況就相反,隨著軸向靜壓的增加,其動靜組合抗壓強(qiáng)度在慢慢下降。圖13為固定圍壓改變軸向靜壓條件下動靜組合強(qiáng)度的變化情形。圍壓不變時,動靜組合強(qiáng)度隨軸向靜壓增加先升高而后降低。在升高到降低的轉(zhuǎn)折點(diǎn),圍壓4MPa對應(yīng)軸向靜壓90MPa,圍壓8MPa對應(yīng)軸向靜壓103.5MPa,兩者分別是其各自常規(guī)三軸抗壓強(qiáng)度的81.5%和77.5%,接近80%,可見軸向靜壓在其常規(guī)三軸抗壓強(qiáng)度80%左右的位置是動靜組合強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),主要原因可能是試件在這種情況下已被壓密,但損傷程度不嚴(yán)重,如再進(jìn)一步增加軸向靜壓,試件的損傷加劇,從而導(dǎo)致其組合強(qiáng)度降低。4軸向靜壓影響(1)在改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上,進(jìn)行了固定圍壓、改變軸向靜壓條件下一系列動靜組合試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)圍壓不變時,細(xì)砂巖動靜組合強(qiáng)