循環(huán)作用下巖石動態(tài)力學性能試驗研究

循環(huán)作用下巖石動態(tài)力學性能試驗研究

1圍壓作用下巖石循環(huán)沖擊損傷的能量特性地下工程中的巖體通常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。在地壓條件下，巖石的破壞被巖石力學學者所忽視。國防、人防、礦業(yè)、交通工程中的大多數(shù)巖體在破壞過程中不僅受到地應(yīng)力的作用,同時也會受到動荷載的影響,如炮彈的爆炸沖擊破壞作用、洞室開挖過程中的爆破沖擊作用和機械擾動以及地震荷載的影響等。沖擊荷載作用下,巖體的損傷破壞及能量特性方面的研究有著廣泛的應(yīng)用,其中的許多問題,已成為巖石力學與工程界的熱門課題。事實上,多數(shù)巖體的破壞并不是單一脈沖作用的結(jié)果,而是由多次沖擊作用造成的,如武器的多次打擊、圍巖的多次爆破以及幾次地震余震對巖體造成的破壞等。巖石沖擊荷載循環(huán)作用下的損傷規(guī)律以及能量耗散特性已成為探討巖石爆炸和破壞機制、應(yīng)力波傳播和衰減規(guī)律、地下結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)分析等必不可少的資料。因此,開展圍壓條件下巖石循環(huán)沖擊損傷的能量特性研究,具有重要的理論意義和工程價值。B.Menendez等利用光鏡和電鏡掃描技術(shù)對巖石在三軸壓縮下的脆性開裂和破碎流動的微觀力學機制以及損傷演化進行了試驗研究。N.Gatelier等對多孔砂巖進行了準靜態(tài)單軸和三軸狀態(tài)的循環(huán)加載試驗,研究了各向異性對材料的峰前損傷的影響,定量分析了不可逆應(yīng)變、模量的變化隨累積損傷的關(guān)系。I.L.Meglis等基于超聲速度和振幅對裂紋的敏感性,應(yīng)用超聲層析成像現(xiàn)場測試方法研究了加拿大原子能地下實驗室隧道開挖誘發(fā)的圍巖損傷問題,得到圍巖損傷程度和損傷分布規(guī)律。楊小林等在大理巖中進行了模擬爆破試驗,得到了不同爆心距和爆破條件下,爆破對巖石損傷破壞作用規(guī)律。李夕兵等利用多荷載鑿巖機、INSTRON系統(tǒng)和SHPB裝置,對巖石在不同動靜組合加載下的強度特性、破碎規(guī)律及吸能效率進行了試驗研究。尤明慶等對巖石三軸壓縮的塑性變形與能量特征以及損傷巖石試樣的力學特性與縱波速度關(guān)系進行了研究。目前國內(nèi)外研究大多集中于巖石在單次沖擊荷載作用、準靜態(tài)單軸和三軸狀態(tài)的循環(huán)加載試驗,而圍壓狀態(tài)下,巖石受沖擊荷載循環(huán)作用的動態(tài)損傷累積效應(yīng)的研究還不多見。正確估算沖擊作用下巖石的損傷程度及其耗能規(guī)律,是巖石爆破理論和地下巖石支護理論研究中的重要課題。本文采用帶圍壓加載裝置的φ100mmSHPB系統(tǒng),對圍壓條件下3種不同巖石在沖擊荷載循環(huán)作用下的沖擊損傷的能量特性進行試驗研究。在確定巖石損傷度判定方法的基礎(chǔ)上,分析了巖石在沖擊荷載循環(huán)作用下的損傷度與累積比能量吸收、圍壓等參量之間的關(guān)系。并對不同巖石沖擊損傷的能量特性進行比較,為研究工程巖體在爆炸沖擊荷載下的動力學特性提供一種新的思路。研究結(jié)果對地下工程的建設(shè)和防護有一定的指導(dǎo)意義。2在圍壓條件下，巖石的動態(tài)破壞試驗2.1激光測速儀測量桿撞擊速度的測定與洛陽立特公司合作,對空軍工程大學的φ100mmSHPB設(shè)備進行圍壓裝置改造,帶圍壓裝置的SHPB系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)壓桿直徑為100mm,入射桿長4500mm,透射桿長2500mm,打擊桿長500mm,楊氏模量為210GPa,密度為7850kg/m3,理論波速為5172m/s,實測波速為5200m/s。利用空氣加壓給打擊桿加速并使用燈距為100mm的激光測速儀測量打擊桿撞擊的速度。圍壓裝置采用液壓加載。2.2研究巖石類型本次試驗所用的巖石材料取自某國防重點工程,該地下工程位于陜西太白地區(qū)秦嶺巖群。選用斜長角閃巖、絹云母石英片巖和砂巖3種巖石類型作為研究對象。經(jīng)國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督監(jiān)測中心檢驗,3種巖石的礦物成分組成如表1所示,基本力學性能參數(shù)如表2所示(其中,PH為斜長角閃巖,SP為絹云母石英片巖,SS為砂巖)。2.3試件的表面整形巖石試樣采用ZS–100型立式取芯機、DQ–1型巖石切割機和SHM–200型雙端面磨石機進行鉆取切割、打磨成圓柱形試件,試件兩端面研磨拋光,以保證其平行度、平整度和光潔度。為減少壓桿與試件的接觸面之間的摩擦效應(yīng),在試件的兩端面上均勻涂抹了用潤滑油和石墨配置的潤滑劑。綜合分析國內(nèi)外已有的關(guān)于波形整形器的研究成果[12~14],選用屈服強度較低的T2紫銅作為波形整形器。經(jīng)呂曉聰?shù)仍囼炑芯看_定,SHPB試驗試件的最佳尺寸為φ97mm×43mm。為了充分研究圍壓條件下3種巖石累積損傷的變化規(guī)律,選擇0,2,4,6,10和20MPa共6個圍壓等級進行沖擊荷載循環(huán)作用下的巖石SHPB試驗。2.4沖擊荷載循環(huán)作用試驗結(jié)果由于斜長角閃巖、絹云母石英片巖和砂巖試樣在無圍壓條件下,當試驗入射應(yīng)力波的峰值強度分別為210,200和150MPa時,試樣已經(jīng)開裂,因此,為了研究3種巖石在循環(huán)沖擊荷載下的力學性能變化規(guī)律,當圍壓為0時,確定試驗入射應(yīng)力波的最大峰值強度為160,160和120MPa左右,其他圍壓情況下,試驗入射應(yīng)力波的最大峰值強度為345MPa左右;對于每一個巖石試樣,以同一強度的沖擊荷載循環(huán)作用到使試件破壞為止。圖2列出了不同圍壓下,絹云母石英片巖在沖擊荷載循環(huán)作用下的三軸壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線,圖2中圖例后數(shù)值為應(yīng)變率,括號內(nèi)的數(shù)值表示沖擊荷載循環(huán)作用的次數(shù)。斜長角閃巖與砂巖的相關(guān)曲線見呂曉聰?shù)鹊难芯?。由圖2可知:隨著沖擊荷載循環(huán)作用次數(shù)的增加,應(yīng)力–應(yīng)變曲線的上升段斜率減小,即楊氏模量變小。從材料的細觀裂紋和能量吸收的角度分析,在沖擊荷載作用下,巖石中的細觀裂紋由原始微裂紋處應(yīng)力集中而起裂,細觀裂紋的發(fā)展降低了巖石組構(gòu)傳遞荷載的能力和比例,使得材料性能下降,導(dǎo)致楊氏模量變小。3巖體聲波速度的變化特征巖體中存在大量隨機分布的初始損傷(如細觀節(jié)理裂隙、微孔洞與宏觀裂縫、斷層、破碎帶等)。在爆炸沖擊荷載作用下,巖體中產(chǎn)生大量新裂紋,同時,由于應(yīng)力波作用,己經(jīng)存在的節(jié)理、裂隙不斷擴展、貫通,形成尺寸較大的主裂縫。根據(jù)惠更斯原理,聲波到達巖體結(jié)構(gòu)面時產(chǎn)生反射、散射和繞射等作用。因此,這些微裂縫和宏觀斷裂延長了聲波傳播路徑,降低了聲波速度。而且聲波速度降低程度與裂縫數(shù)量、寬度有著密切關(guān)系。隨著爆破作用次數(shù)的增加,裂縫不斷增加、擴展、張開,使得巖體中聲波速度不斷降低。因此,可以根據(jù)聲波速度的變化特征,判別巖體爆炸損傷以及累積損傷效應(yīng)。綜上所述,可以用聲波波速的變化來量化巖石的損傷度:式中:D為損傷度,v0為巖體的初始聲波速度,v為沖擊荷載作用后巖體的聲波速度。又由波動方程可知:式中:λ為拉梅系數(shù),G為剪切模量,μ為泊松比,ρ為密度,E為沖擊荷載作用后巖體的等效彈性模量。由式(2)可知,E與波速的平方成正比,式(1)可以改寫為式中:E0為巖體的初始彈性模量。由于巖石的應(yīng)力–應(yīng)變曲線是非線性的,本文采用的楊氏模量是應(yīng)力–應(yīng)變曲線上升段對應(yīng)壓縮強度兩點連線的斜率,該兩點分別對應(yīng)屈服強度的20%和80%。4巖相激發(fā)破壞的能量特征分析4.1能量吸收wl為了研究沖擊荷載循環(huán)作用下,巖石破壞損傷與能量耗散之間的關(guān)系,定義比能量吸收值(SEA)為單位體積的巖石試件在沖擊壓縮過程中所吸收的能量,并對沖擊壓縮過程進行能量分析。假設(shè)試件與輸入桿和透射桿截面處的能量損耗忽略不計,則式中:WL為試件吸收的能量;WI,WR和WT分別為入射應(yīng)力波、反射應(yīng)力波和透射應(yīng)力波能量;A0,C0和E0分別為輸入桿的橫截面積、桿中的聲波傳播速度以及輸入桿的楊氏模量;σI,σR和σT分別為入射應(yīng)力、反射應(yīng)力和透射應(yīng)力;Vs為巖石試件的體積。定義累積比能量吸收值?為式中:n為沖擊荷載循環(huán)作用次數(shù)。根據(jù)不同圍壓和打擊桿速度情況、巖石在沖擊荷載循環(huán)作用下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線,應(yīng)用式(3),(6)可以得出巖石的損傷度隨累積比能量吸收值的變化關(guān)系。4.2累積比能量吸收值不同圍壓下,3種巖石損傷度隨累積比能量吸收值的變化關(guān)系如圖3所示。其中的虛線對應(yīng)的是《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程技術(shù)規(guī)范》(SL47–94)中規(guī)定的判定巖體受到爆炸損傷破壞對應(yīng)的損傷閾值Dcr=0.19。不同圍壓下,3種巖石達到損傷閾值所需要的累積比能量吸收值如表3所示。由表3可知,當圍壓從0變?yōu)?MPa時,巖石達到損傷閾值所需要的累積比能量吸收值成倍增加,這主要是由于巖石內(nèi)存在各種方向的裂隙,單軸狀態(tài)時所有傾角大于內(nèi)摩擦角的裂隙承載能力為0;而圍壓稍有增大時,陡傾角裂隙的承載能力迅速增大,抑制了砂巖的滑移破壞。因此,從單軸狀態(tài)到圍壓狀態(tài),巖石達到損傷閾值所需要的累積比能量吸收值會出現(xiàn)突變。當圍壓逐漸增大時,砂巖損傷度的增加隨累積比能量吸收值增加的趨勢變緩,即圍壓越高,試件達到相同損傷度所需要耗散的能量越多。這主要是由于隨著圍壓的增高,軸向應(yīng)力在屈服過程中持續(xù)增加,由圍壓和軸向應(yīng)力共同提供正應(yīng)力時,使得裂隙摩擦力承載能力超過材料的黏聚力,抑制裂隙的滑移。其巖樣內(nèi)部其他區(qū)域也會逐步屈服,繼而產(chǎn)生新的裂隙,從而使得多個斷面相繼產(chǎn)生屈服,塑性變形持續(xù)增加,使巖樣在軸向壓縮過程中出現(xiàn)屈服平臺,巖樣將需要耗散更多的能量。通過將圖3中的圍壓參數(shù)內(nèi)化(具體方法詳見呂曉聰?shù)鹊难芯?,3種巖石的損傷度與圍壓和累積比能量吸收值的關(guān)系可統(tǒng)一為式(7)~(9),相應(yīng)損傷度的三維曲面如圖4所示。4.33圍壓對累積比能量吸收值的影響巖石達到損傷閾值Dcr=0.19時的累積比能量吸收值與圍壓的關(guān)系圖5(a),其增長率?/?σ3=0與圍壓σ3的關(guān)系見圖5(b)。由圖5可知,巖石達到損傷閾值時的累積比能量吸收值隨著圍壓的升高而增加,且低圍壓時的增加速度比高圍壓時的增加速度快。3種巖石相比,在圍壓為0MPa時,絹云母石英片巖達到損傷閾值需要的累積比能量吸收值最多,而當圍壓增加后,砂巖達到損傷閾值需要的累積比能量吸收值最多,絹云母石英片巖次之,斜長角閃巖最小。但是,從圖5可知,隨著圍壓的增加,砂巖達到損傷閾值時的累積比能量吸收值增長率最大,斜長角閃巖次之,絹云母石英片巖最小,表明砂巖的損傷對圍壓條件最為敏感。由此可得3種巖石的損傷度分別為5累積比能量吸收值與巖石損傷度的關(guān)系(1)循環(huán)沖擊荷載下,巖石的楊氏模量明顯減小,這是由于巖石中的細觀裂紋由原始微裂紋處應(yīng)力集中而起裂,細觀裂紋的發(fā)展降低了巖石組構(gòu)傳遞荷載的能力和比例,使得材料性能下降,導(dǎo)致應(yīng)力–應(yīng)變曲線的上升段斜率減小。(2)建立了以楊氏模量表征的巖石損傷度的判定標準,并定義了累積比能量吸收值的概念。研究表明,累計比能量吸收值與巖石的損傷度之間存在對應(yīng)關(guān)系,能很好的表征巖石的損傷程度。(3)巖石循環(huán)沖擊損傷演化過程存在圍壓效應(yīng),當圍壓