三维动静组合加载下砂岩力学特性试验研究

三维动静组合加载下砂岩力学特性试验研究

1岩体力学特性随着国家经济和国防结构的不断发展，地下空间（包括采矿、水电、地下保护等）的开发变得越来越深入，其中包括深度岩石项目。以金属矿山开采为例,据不完全统计,国外开采超千米深的金属矿山有80多座,其中Anglogold公司的西部非洲金矿达到了地下深度3800m。在我国,已有一批金属矿山进入深部开采。例如红透山铜矿开采深度达900~1100m,冬瓜山铜矿达1100m,夹皮沟金矿达1200m,灵宝崟鑫金矿已达1500m。为保证深部岩石结构的安全和稳定,并减小深部工程灾害事故的发生,越来越多的专家和学者把研究注意力和重心投向深部岩石力学这一领域。很多资料显示,深部岩石表现出与浅部岩石非常不同的力学特性。在高地应力作用下,总体上岩石的强度随深度的增加有所提高,而且岩石更脆,这是所有深部岩石工程问题发生的介质属性基础;同时深部岩石工程进行施工建设时,必须考虑爆破开挖扰动或冲击机械扰动下这一外在动力影响因素。把这2种因素共同考虑,即属于典型的岩石动静组合加载问题。为了研究动静组合加载下岩石的力学特性,马春德等利用特制的一维水平静压装置和Instron电液伺服材料试验机组合分别进行了低中应变率范围内一维和二维动静组合加载下红砂岩破坏的试验;X.B.Li等则基于改造的SHPB系统对高应变率范围内一维动静组合加载下岩石的力学特性进行了研究,并对岩石的强度特性、变形规律、能量规律和破坏模式等进行了分析,所得研究结果对一维动静组合加载下工程结构的力学问题分析有一定参考价值。实际上,很多情况下工程岩体不止处于一维动静组合加载下的受力状态,而是处在多维动静组合受力状态。多维动静组合受力状态最明显的是深部岩体开采工程。以深部采矿为例,如图1所示,深部矿体和围岩在遭受炸药爆破、机械钻掘等动载荷作用前,已经承受了来自地应力、自重应力、构造应力等高静应力作用,处于一维或三维受力状态。显然,研究预静应力条件下岩石动静组合强度和变形性质,比单纯研究静载荷或者动载荷对岩石的影响要更加合理,对科学认识深部岩石的力学特性并保证工程结构的安全也有一定的工程意义。进行具体的科学研究时,对岩石受高地应力和动载荷作用下的受力状况进行提升和简化,如图1(a)中A,B两点的受力状态可简化为如图1(b),(c)所示的受力状态。图1(b)可以认为是一维动静组合受力状态,图1(c)则可以认为是三维动静组合受力状态。针对“高静应力+动力扰动”的三维动静组合加载下的岩石力学特性,目前已有部分研究成果。崔栋梁等对三维动静组合加载条件下砂岩在不同水平轴向静压和不同水平围压下受相同应力波扰动作用时的力学响应和破坏特征进行了一系列研究,得到了很多研究结论,他们虽然对“三维高静应力+动力扰动”的组合作用进行了研究,但是在高应力(围压、轴压)可控的条件下,对动力扰动没有采取统一的衡量指标进行比较。因此,在“高静应力+动力扰动”组合作用条件下,本文以宫凤强等研究为基础,从扰动载荷加载量级的尺度出发,在围压或轴压可控的条件下,利用相同的应变率作为具体的衡量指标对试验结果进行比较,从“点”的概念出发着重考察相同应变率下围压、轴压以及围压–轴压对岩石力学特性的影响。2三维动静组合加载下砂岩力学试验2.1岩性试样加工试验选取完整性和均质性较好的砂岩作为研究对象。试样尺寸取为φ50mm×25mm(直径×长度),长径比为0.5。按照岩石力学试验性能测试要求加工试样,对试样2个端面进行仔细打磨,使其不平行度和不垂直度均小于0.02mm,加工好的代表性砂岩试样如图2所示。砂岩静载物理力学参数见表1。2.2试验系统及试验材料一维动静组合加载试验中试样的受力和载荷组合示意图见图3。图3中Pas为轴向预加静载荷,Pd为动态冲击载荷,试样几何尺寸如图1(a)所示。图4为自行研制的基于SHPB装置的三维动静组合加载试验系统示意图。图5和6分别为组合加载试验系统中的轴压和围压装置,该系统的详细介绍可参考X.B.Li等的研究。数据采集系统跟一般SHPB系统类似,对岩石进行了冲击试验时,所得试样应变率为102~103s-1。输入杆和输出杆的杆径均为50mm,采用试样与杆等径加载方式进行冲击。加载波为可以恒应变率加载的半正弦波应力脉冲。2.3试验土地的压压对砂岩进行三维动静组合冲击加载试验,需要综合考虑围压、轴压和应变率之间的关系。参照X.B.Li等的研究结论“轴向静压在岩石静压强度的70%前,岩石的冲击抗压强度比纯动载和纯静载受力时都高,静载一定增加动载,岩石表现出率相关性”。试验中轴向静压取为60,80和100MPa,分别相当于静载抗压强度的52%,70%和96%。同时考虑围压的影响,本文分别选取2个围压水平5,10MPa。进行同系列试验后,选取应变率相对比较接近的试验结果整理在一起,如表2所示。3在动态组合的基础上，分析了砂岩试验的结果3.1加载力对砂岩应力–应变变化规律的影响图7为无围压不同轴压下冲击加载得到的砂岩应力–应变曲线,图中同时给出了常规冲击(轴压为0MPa)下砂岩的应力–应变试验曲线。从图7中可以看出,在轴压作用下,砂岩的抗压强度呈现出先增加后降低的趋势,弹性模量的变化趋势也有类似的规律,这一点在宫凤强等研究中已经有详细讨论。图8为砂岩在三维动静组合加载下的应力–应变试验曲线。图中显示,在围压相同的条件下,砂岩的应力–应变曲线随着轴压改变而表现出来的规律性变化在整体上基本一致。对于图8,在组合加载初期,3种轴压水平下的试验曲线可以看作重合,后来随着加载力的提高开始出现不同的变化。相对于其他2种轴压加载情形,在相同的应变状态,轴压为60MPa时砂岩的变形模量最大,而且应力–应变曲线大部分区段接近于直线状态。随着轴压的增大,砂岩试样的模量开始减小,表现为应力–应变曲线的切线斜率开始降低。当轴压增大到100MPa时,试验曲线开始非线性变化,说明此时砂岩内部损伤加剧,部分微元体承载能力降低甚至失效,表现为试样砂岩模量的逐渐减小。由于受三维应力组合加载,而且抗压强度较高(静载抗压强度为115MPa),因此不论加载力大小,岩石在经受冲击即使内部发生破坏后,仍然会有一定的整体承载能力,因此试验曲线中的全应变总会出现回弹的现象。说明冲击加载过程中岩石内部会储存一部分弹性能,在加载后期当加载力小于岩石弹性力时,岩石的压缩应变开始回弹,总应变开始降低。这一点不同于常规冲击加载和一维动静组合加载。在常规冲击和一维动静加载时,岩石的侧面都是临空面,在泊松效应作用下可以自由发生变形,加载力较小达不到岩石破坏强度时,岩石内部可以储存部分弹性能,在加载后期也会出现总应变减小的现象。但是当加载力过大时,岩石的吸收能就会转化为岩石膨胀变形所需能量以及破裂剥落岩片的动能,总应变会持续增加,这一点在图7中可以看到。另外,图8中还显示破坏应变有随轴压增大而增大的趋势。图9为轴压一定围压变化情况下组合加载得到砂岩的应力–应变曲线。图中砂岩的应力–应变曲线随着围压改变而表现出来的规律性变化也基本一致。在轴压一定时,围压的改变对砂岩在加载前期的影响不大,各条试验曲线在加载初期表现可以看作近似一致。但是在加载后期,围压对试验曲线的影响会较大,主要表现在2个方面:(1)围压较大情况下砂岩的弹性模量在加载后期仍然保持原来的水平,基本不会降低,但是围压较低情况下砂岩的弹性模量会出现明显降低的现象;(2)围压较大情况下砂岩会表现出较高的抗压强度,而围压较低时的强度跟无围压情况下差别不大。上述分析说明围压增大强化了砂岩的抗压能力,对砂岩变形和强度的变化产生较大的影响。图10(a)为不同围压下砂岩抗压强度随轴压的变化规律。可以看出,不论是有围压还是无围压情况,整体上砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小,基本呈现线性递减趋势。在围压为5MPa时,砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。如轴压为100MPa,围压为10MPa时的抗压强度为307.67MPa,而此时对应的围压5MPa和无围压的抗压强度分别为240.22和232.66MPa,前者分别是后两者的128%和132%。图10(b)为不同轴压下砂岩抗压强度随围压的变化规律。图中显示,随着围压的增大,抗压强度有增大的趋势,这一点跟低应变率段下砂岩抗压强度的变化规律类似。通过应力–应变曲线考察弹性模量的变化。根据标准,通常用平均模量和割线模量表示。平均弹性模量Eav,有时也简称弹性模量,通过计算轴向应力–应变曲线上近似直线部分的平均斜率而得到,目前应用最广。平均弹性模量虽然意义明确,但是起始点和终点的选取会直接影响模量的取值。例如:中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT–150C试验机自带的计算机处理系统默认为起始点为峰值应力的30%,终点为峰值应力的70%,取这2点间的斜率为平均弹性模量。但是在实际试验过程中,应力–应变曲线不一定是试验系统所设置的范围,需要人为做出判断。因此,即使对同一条曲线,经过不同试验人员的处理会得到不同的结果。对于割线模量来说,优点在于确定数值时比较方便。取最大应力值的1/2,然后找到相应的应变值,再跟原点连成直线,很容易得到该直线的斜率,即为割线模量的具体数值。虽然割线模量会受到加载初期下凹段变形的影响,离散性较大,但仍然是反映砂岩整体压缩变形的一个重要参考值。在岩石动态应力–应变曲线中,要确定平均弹性模量和割线模量更加复杂。主要表现在:(1)目前国内外都还没有如何确定动态应力–应变曲线弹性模量(包括平均弹性模量和割线模量)的规范方法;(2)动态应力–应变曲线的变化趋势不同于静态应力–应变曲线。和静载压缩曲线相比,可以发现动态曲线有时不存在明显的直线段。因此,在没有规范方法的情况下,即使参照静载曲线的原理来确定动载曲线的平均模量,也无法确定起始点和终点。因此,本文以割线模量作为衡量指标进行对比,即式中:E50为岩石的割线模量(GPa),σd50为动态抗压强度峰值50%时的应力值(MPa),εd50为σd50对应的轴向应变值。为了更好地考察岩石模量的变化,对岩石应力–应变加载曲线简化为2段(见图11),并定义第二类割线模量,即岩石应力–应变曲线上峰值强度和峰值强度的1/2值两点处的斜率,并用E250表示。图12为不同围压(轴压)下砂岩割线模量随轴压(围压)的变化规律。从图12中可以看出,计算得到的割线模量值存在一定的离散性,离散程度已经把其中可能存在的微小变化规律淹没了。因此,割线模量可以认为是和轴压、围压无关的量。此时需要注意的是,由于割线模量是利用抗压强度的1/2值及对应应变计算得到的,因此在加载前期割线模量可以认为是常量,但是从图9中可以看出,不同轴压下砂岩变形的弹性模量在加载后期会有较大变化。图13为砂岩第二类割线模量变化规律。从图13中可以看出,轴压和围压对第二类割线模量的影响也比较有规律性。当围压一定时,第二类割线模量随轴压增加而递减;当轴压一定时,第二类割线模量随围压而递增。说明在加载后期,轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,从而弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低。围压起到的作用恰恰相反,可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,因此割线模量会增加。关于轴压和围压对岩石强度的影响,国内外很多学者进行了大量研究,本文研究结果跟H.B.Li等的结论一致。3.2围压时砂岩单位体积释/吸能随轴压的变化规律三维动静组合加载下岩石内部能量的传递由于涉及影响因素较多,因此比较复杂。本文以表2中砂岩试验所得到的有关能量数据进行定性分析。各项能量传递的求解过程如下:根据SHPB试验中利用入射波σI(t)、透射波σT(t)和反射波σR(t)的应力曲线以及SHPB试验加载原理和能量守恒定律,通过如下公式计算得到各项能量:式中:A为压杆截面积;ρs为试样密度;C0为应力脉冲即弹性应力入射波在入射杆中的波速;EI,ER,ET,EA和EV分别为冲击过程中的入射能、反射能、透射能、吸收能和试样单位体积耗能;Vs为试样体积。围压一定轴压变化以及轴压一定围压变化情况下砂岩冲击过程能量的传递规律见图14。围压一定砂岩单位体积释/吸能随轴压变化的规律见图14(a)。图14(a)中显示,不论围压如何变化,当围压一定时,从整体上看砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6~0.7时,转化为吸能状态。这一点跟宫凤强等的研究结论互相对应,说明即使有围压作用,在轴压比为0.6~0.7区段内,仍然是砂岩释放能和吸收能进行转变的一个临界区间。但是由于受围压作用,砂岩内部比单纯受轴压作用时储存了更多的能量,因此在动力扰动下会释放出更多的能量。例如在无围压轴压为60MPa的释放能为1.48J/cm3,当轴压不变同时存在5和10MPa围压时的释放能则分别为4.31和11.08J/cm3,增长倍数分别为2.92和7.50。该图也说明即使存在围压,即砂岩处于三维受力状态,在没有临空面的情况下,在轴向和环向受力满足一定的条件下,砂岩也可能发生“岩爆”。这一现象跟钱七虎最新的研究结论“岩爆不仅发生在洞壁,也可能发生在远离洞壁的地方。”在一定程度上也得到了互相印证。图14(b)为不同轴压下砂岩单位体积释/吸能随围压变化的规律。在轴压分别为80,100MPa时,砂岩开始处于吸收能量阶段,但是吸收能量的能力非常小,这主要是因为在冲击加载前,在三维高应力作用下的加载能已经用于砂岩内部裂纹萌生发展所需的能量,因此在此状态下吸收能量会非常有限。3.3细胞破碎试验动静组合加载下岩石的破坏模式对于正确认识岩石破裂和失稳后形成的状态具有重要的意义,对于科学了解深部岩石的破坏过程及结果有理论指导意义。为了对三维动静组合加载下岩石的破坏模式进行对比,图15给出了无围压不同轴压下砂岩的破裂和破碎模式。图15(a)为常规冲击下的砂岩的破坏模式,破裂面平行于加载方向,主要是受拉破坏。图15(b)为轴压为60MPa时砂岩受冲击后的破坏模式,图中显示砂岩沿环向发生了破裂,发生了室内的“岩爆”现象。图15(c),(d)分别是在轴压为80和100MPa情况下,进行冲击后得到的砂岩破碎块度分布图。把图15(c),(d)和图15(a)进行对比可以看出,砂岩块度要比常规冲击下砂岩的块度更加破碎,说明在冲击前轴向加压对砂岩内部裂纹的扩展有很大贡献。从图15(c),(d)中还可以看出,不同轴压下砂岩破裂或破碎模式以及破碎块度的分布也不相同,这为高应力下砂岩的诱导致裂提供了室内试验依据。图16,17分别为围压为5,10MPa不同轴压下砂岩冲击后的破坏模式图。由于3个轴压水平下砂岩的破裂模式基本类似,因此文中只选取2个轴压系列的典型图片进行对比说明。在各试样的正面图中,有一个底面会比较完整,另一个底面显示出破裂圆环带。而在各砂岩试样的侧面图中,出现了一些走向不太规则的裂纹。在轴压较小时,裂纹不是特别明显并且只是局部出现。当轴压较大时,裂纹的形状已经比较明显,数量也较多并且会贯穿试样的上下面。为了更好地了解三维应力状态下砂岩受冲击后的破坏模式,对其中一个典型试样沿着环状破裂带进行了人工剥离,剥离结果见图18。经过剥离后,出现明显环状破裂带的地方基本都剥离开来,并呈现出比较光滑的锥形破裂面,说明试样宏观上是在压剪作用下破坏的。图19给出了三维动静组合加载下砂岩破坏模式的简化示意图。由图19可知,砂岩冲击加载后形成一个环状圆锥台,砂岩长度方向跟圆锥面之间的形成一个夹角。叶洲元中进行的三维动静组合冲击试验,采用的砂岩试样尺寸为φ50mm×50mm,冲击破坏后也形成一个圆锥体(见图20)。说明在三维动静组合加载下,砂岩的破裂模式是压剪破坏,虽然整体不会失稳,但实际上砂岩内部破裂已经并形成一个圆锥台(体)形状的破裂面。4测试结果与分析利用改进后的SHPB试验装置对均质砂岩进行了三维动静组合加载试验,对试验数据整理和分析后得到如下主要结论:(1)在三维动静组合冲击加载试验中,当围压一定,常规静载轴压比为0.52~0.87时,整体上砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小,基本呈现线性递减趋势。在围压为5MPa时,砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。在轴压一定时,随着围压的增大,抗压强度有增大的趋势。(2)本文的冲击试验也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得模量会增加。研究结果还表明,当轴压满足一定条件时,不论围压如何变化,在围压一定的条件下,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6~0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加