不同冲击荷载下花岗岩力学特性试验研究

不同冲击荷载下花岗岩力学特性试验研究

随着社会经济的快速发展，中国土木工程行业发展迅速，新建项目数量日益增多。工程领域的许多问题包括岩石动态荷载下的动态性质和破坏，如隧道开挖、采矿和爆炸防护工程。岩石动态加载下的力学性能的表现特征和破碎能耗的演化过程非常复杂。由于动负荷作用时间短，岩石的动载力和动压力差异很大，破碎能量也会发生变化。为了测量和评估岩石动力破坏的难度，有很大的误差。因此，在辐射影响下研究岩石动态行为和能量浪费属性具有重要的理论意义和实用价值。近年来,许多学者对岩石的动力性能展开研究:刘军忠等综上,目前岩石动力特性研究已取得不少成果,但以往对岩石动力特性的研究多集中在应力-应变曲线峰前阶段和动态抗压强度等方面,而对应变率曲线特征以及应力-应变曲线峰后阶段行为的研究尚不多见.本文拟采用SHPB对黑云母花岗岩进行单次和重复冲击压缩试验,首先考察能量耗散对试样破坏形态的影响,然后探讨应变率曲线的变化规律,最后对应力-应变曲线特征进行分析,力求得出具有参考价值的结论.1测试准备1.1冲击弹速的确定试验采用的黑云母花岗岩试样取材湖南汨罗地区,岩样外观呈灰白色,属于中细粒黑云母花岗岩.该花岗岩的平均密度为2600kg/m试验设计为单次和重复冲击两种加载方式,通过固定子弹位置并调节冲击气压来控制弹速.为确定单次冲击合理的弹速值,先对试样进行预冲击,以试样破裂并有碎片出现作为冲击弹速最低临界值,由此确定单次冲击的5个弹速分别为12.5,13.6,15.2,16.8和18.6m/s;对于重复冲击试验的弹速,确立依据是首次冲击后试样须完好,且试样承受的最大重复冲击次数限定在30次以内,依此选定4个弹速为7.2,8.5,10.0和11.5m/s.为降低测试数据的离散性,每种弹速准备3个试样,并取接近测试数据平均值的试样进行分析.1.2试样应变率、应变和应力SHPB装置见图2,主要由子弹(撞击杆)、压杆(入射杆和透射杆)、吸收杆及缓冲器组成.撞击杆、入射杆和透射杆的长度分别为400,2400和1800mm.压杆采用高强度合金钢制成,波速为5172m/s,弹性模量为210GPa.在高压气体作用下子弹以一定速度根据试样与压杆的界面条件以及一维应力波理论,试样的应变率、应变和应力计算如下,(1),(2).(3)式中:2试验结果的分析2.1试样应力时程曲线试验过程中,在试样两端涂抹凡士林,以降低杆件与试样之间摩擦.为保证试样在加载过程中达到应力均匀,在入射杆撞击端面中心位置粘贴直径10mm、厚度1mm的橡胶片作为波形整形器(见图2)图4为试样单次冲击下应力时程曲线,可以看出,不同弹速下入射波曲线形状比较相似,且入射波峰值随弹速的增加而增大,但透射波差别较大.图5为试样重复冲击弹速2.2单次影响下试验结果的分析2.2.1变异性与破坏形态岩石试样在冲击荷载作用过程中发生破碎,其吸收的能量主要转化为破碎耗散能和弹射动能.根据文献,(4)=式中:表1列出了单次冲击下的弹速、入射波峰值应力、应变率及比能量数值,其中试样编号中首个数字“1”代表单次冲击.可以看出,随着弹速的增加,入射波峰值应力、应变率和比能量都呈逐渐增大的趋势.图6为单次冲击下比能量与应变率的关系,可以看出,比能量随应变率的增加而增加,表现出较强的线性关系.图7显示了动态抗压强度与比能量的关系,通过拟合可发现动态抗压强度与比能量呈现对数函数关系,因此,比能量在一定程度上可以反映出动态抗压强度的变化趋势.当应变率较小时,试样的破损较小,弹性阶段吸能较大,因此,强度随比能量增加而增大较快;随应变率增大,试样后期破损严重,消耗大量能量,强度随比能量增加而趋于稳定.图8为单次冲击下试样的破坏形态.可以看出,试样破坏程度随比能量的增加而增大,由块状变为细粒状.由于试样在冲击荷载作用下,获得的能量将以材料内部裂纹萌生、扩展和贯通的形式耗散,因而破坏程度与比能量有关.在比能量较大时,更多的裂纹被激活并汇聚贯通,当累积裂纹密度达到某一阈值时,导致岩石材料发生粉碎性破坏;而比能量较低时,岩样内部裂纹数量相对减少,破碎块体较大.2.2.2应力-应变本构分析图9为不同弹速单次冲击下试样的应变率曲线.可以看出,应变率曲线出现“双峰”特征,该现象主要与试样破碎程度有关.当试样破碎严重时,岩石性能发生显著变化,与杆件波阻抗严重不匹配,导致应力波大部分反射回入射杆,因此形成第2波峰,其能较好反映出试样的破碎程度图10为单次冲击下试样的应力-应变曲线.可以看出,在加载阶段中后期,曲线斜率逐渐减小,表明试样内部裂纹不稳定传播扩展,产生塑性变形,传递荷载能力逐渐降低.当应变率较小时,曲线峰后阶段应变随应力的降低而减小,出现回弹现象,这主要因为试样破坏程度较小,试样仍具有一定承载能力,部分能量在峰后释放.当应变率较大时(如170.0/s),峰后段应变继续增加,对应的应力逐渐降低,试样失去承载能力.2.3在重复攻击下的试验结果的分析中2.3.1循环冲击下累积比能量与累积比能量的变化规律探讨重复荷载作用下岩石的力学特性,有助于正确认识岩体的破坏机理,进而科学地评价岩体的长期稳定性.为了分析重复冲击下花岗岩的能量特性,定义累积比能量.(6)式中:表2列出了入射波峰值应力、冲击次数、累积比能量及试样破坏程度,其中试样编号首数字“2”代表循环冲击.可见当入射波峰值应力为92.8MPa时,试样在30次重复冲击作用下的累积比能量为0.82J/cm图12为不同弹速重复冲击下峰值应力与累积比能量随冲击次数的变化.可以看出,不同弹速下,随着冲击次数的增加,峰值应力逐渐降低,而累积比能量逐渐增大.这主要由于冲击荷载作用下,岩石内部原始裂纹由于应力集中起裂,且随着冲击次数的增加累积比能量增加,导致更多的裂纹扩展贯通,形成宏观裂纹引起岩样断裂,因此,岩石承载能力逐渐降低.同时,随着冲击次数的增加,整体上累积比能量的增加幅度逐渐增大,比能量呈现出增大的趋势,说明随着冲击次数的增加,试样吸能逐渐增加,当达到一定程度时,吸能快速增加导致试样发生破坏.2.3.2应力应变曲线图13为不同重复弹速下应变率曲线.可以看出,应变率持续增长时间为60～70μs,之后开始逐渐降低.随着冲击次数的增加,应变率峰值逐渐增大,同时应变率降低为负值的时间逐渐增加,表明峰值应变逐渐增大.当重复弹速图14为不同弹速重复冲击下试样的应力-应变曲线.可以看出,当试样未发生破坏时,应力-应变曲线基本分为弹性加载、损伤演化和峰后回弹3段.处于弹性加载阶段时,表现为应变随应力的增加而近似线性增加;当加载段由直线逐渐转变为曲线时,表明试样产生损伤,微裂纹不稳定增长和传播;卸载阶段,试样弹性变形逐渐恢复,应力-应变曲线出现回弹现象.同时,随着冲击次数的增加,回弹线与加载包络线面积有增大趋势,说明试样损伤逐渐加剧.随着试样损伤的累积,其弹性加载段逐渐变短,直接进入损伤演化阶段,试样裂纹不稳定扩展并逐渐贯通,导致试样发生破坏.应力-应变曲线峰后阶段形状与试样破坏形态有关,例如弹速根据以上可知,试样应力-应变曲线峰后阶段形状与吸收能量有关.单次冲击下,比能量随着应变率的增加而增加,试样破坏程度逐渐加剧.因此,应力-应变曲线峰后段的回弹现象将逐渐减弱,应变软化特征逐渐明显.重复冲击下,能量是逐渐累积的过程,应力-应变曲线峰后段大多出现回弹现象.当试样发生破坏时,随着累积比能量的增加,试样破坏程度逐渐增大,应力-应变曲线峰后段回弹现象渐弱,出现应变软化现象.3重复冲击下应变率曲线特征结果—结论1)单次冲击下,试样破坏形态与比能量有关,随着比能量的增加,试样破坏程度逐渐增大,由块状变为细粒状;重复冲击下,损伤累积到一定程度试样发生破坏,且破坏程度随着累积比能量的增加而加剧.2)单次冲击下,应变率曲线出现明显的“双峰”特征,且随着入射波峰值应力的增加,第2峰逐渐高于第1峰;重复冲击下,随着冲击次数的增加,应变率曲线的峰值逐渐增大,当试