岩石冲击能量耗散特性实验研究

岩石冲击能量耗散特性实验研究

岩石是一个典型的空隙介质，由大自然经过数十亿年的积累形成。这些间隙的存在严重影响了岩石材料的力学、物理和化学性能。同时,岩石材料的动态力学行为还强烈依赖于外部加载条件如加载速率、加载的大小。因此,对于同一种材料,在不同加载条件下其力学性质是不相同的。目前国内外学者对冲击载荷下岩石力学性质进行了广泛的实验和数值模拟研究,并取得了大量有价值的成果[2～8]。国内外学者对孔隙介质的波动特性也开展了一些探索性研究[9～11]。吴德伦等人对饱和孔隙介质中波动分析的加权吸收边界条件进行了研究,建立了解决饱和孔隙介质波动的一种新的吸收边界条件。胡恒山等人对孔隙介质中快纵波的衰减特性和动力协调现象进行了分析。他指出在Biot理论意义下快纵波衰减随孔隙率非单调变化。岩石中能量耗散依赖于许多因素,不仅与岩石孔隙率有关,而且还受到岩性、岩石的颗粒大小、胶结程度和流体饱和程度等的影响。目前有关冲击载荷作用下,孔隙率对岩石能量耗散的研究鲜有报道。研究岩石冲击力学特性对分析岩石介质中应力波传播规律和岩石动载破坏机理具有重要意义,也是岩石动载破碎数值计算的基础和抗震抗爆等工程设计的基础。本文岩石动态冲击试验是在Hopkinson压杆装置上进行的,完整检测了整个冲击过程,讨论了岩石孔隙率对能量耗散的影响。1实验杆、杆、板、墙设置测试系统以SHPB装置为核心,主要包括:用于撞击杆加速运动的氮气瓶和弹膛组成的动力系统;由撞击杆、过渡杆、岩样以及输入杆和输出杆组成的载荷产生与传递系统;由激光测速仪构成的测速系统;由应变片、超动态应变仪、TST5000动态测试分析仪组成的应变测量系统,如图1所示。实验采用的撞击杆的直径为22mm,输入杆和输出杆的直径均为32mm,输入杆和输出杆的长度均为2000mm。岩样直径30mm,长度为20mm,过渡杆是直锥变截面杆。由于过渡段锥角较小,长度较大,一维应力波理论仍然有效。在冲击实验时,分别在输入杆和输出杆中间位置粘贴了灵敏度高的半导体应变片,以提高子弹低速撞击时加载波的抗电磁干扰能力和捕捉试件破碎时微弱的透射信号,大大提高了原始信号的准确度。需要说明的是,半导体应变片仅适用于低速撞击,否则要考虑它的非线性问题。应变波动信号,经超动态应变仪放大后传送给多通道瞬态波形存储仪,它记录保存各个通道的应变时间历程,最后再送入计算机中进行分析处理。为了研究岩石孔隙率对能量耗散的影响,必须保证其它条件基本一致。在天然岩石中很难选择到孔隙率不同而其他条件基本一致的多块岩样,所以作者选用了物质成分相同、胶结程度相近的人造岩样。实验所用人造岩样是在西南石油学院加工制作的,由白刚玉加磷酸铝在高温下固结而成型的。通过调整粒度等比例来控制孔隙率。人造岩石的孔隙率误差在3%之内。实验共采用了成分相同而孔隙率不同的人造岩样6种。这6种人造岩样的孔隙率分别约为35.4%、30.5%、28.2%、25.9%、23.8%和18.5%。2动态本构模型SHPB试验技术是建立在两个基本假定基础上的。一个是一维假定,另一个是均匀假定。由均匀化假设,得εt=εi+εr。根据所测得的入射波εi、反射波εr和透射波εt,直接利用一维应力波理论得到试件材料的应变率ε(t)、应变ε(t)和应力σ(t):式中,sA和Ls为试件的横截面积和长度;eA、Ee和ce分别为输入杆或输出杆的横截面积、弹性模量和纵波速度。由式(2)和式(3)可知,反射波决定了试件的应变变化,透射波能够反映岩石试件中的平均应力变化情况。在SHPB动态实验中,可根据下式计算岩石耗散的能量:式中,Wed是试样消耗的能量;iW、Wr和tW分别为入射波、反射波和透射波所携带的能量,应力波能量iW、Wr和tW的计算公式为:在弹性范围内,,其中ρe为压杆的密度。3岩石能量耗散特性利用SHPB装置对孔隙岩石进行冲击实验时,每种孔隙率的岩样在相同的冲击速度下重复多次试验。图2给出了岩石孔隙率为35.4%,冲击速度为6m/s时的输入杆和输出杆中应变波形曲线。实验表明,入射波的形状比较稳定,取决于撞击杆的冲击速度;而反射波与透射波的形状与岩石试样的孔隙率密切相关。图3所示是孔隙率为18.5%的人造岩样在冲击速度为6.0m/s时的入射能、反射能和透射能的时程曲线。从图3中可以看出,在冲击试验中,在初始阶段,随着时间的增加,入射波、反射波和透射波所携带的能量均增加,达到某一能量值后近似保持恒定,而且入射波所携带的能量要大于反射波和透射波所携带的能量。由公式(4)可知,在冲击速度基本相同,即入射波所携带的能量基本相等的情况下,反射波和透射波所携带能量越小,岩石所消耗的能量就越大。从图3可知,孔隙率为18.5%的人造岩样的透射波所携带能量大于反射波所携带能量,这说明了有更多的能量透过岩样传递到输出杆中。在此实验中,该岩样仍然是完整的,表面没有裂纹。图4为相同冲击速度下不同孔隙率岩石的能量耗散曲线。从图4中可以看出,在冲击载荷作用下,随着岩石孔隙率的增加,岩石耗散的能量增加。这是因为岩石破坏过程中的能量耗散特性与其内部损伤特征有十分密切的联系。作用于岩石的外部能量是产生岩石内部损伤破坏的直接原因。裂纹的孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通每一阶段都要从外部吸收能量,而且是不可逆的能量耗散过程。岩石孔隙率不同,岩石抗压强度也不同。同种岩石孔隙率越大,其抗压强度就越小,因此在相同冲击速度下不同孔隙率的岩石破坏不同,孔隙率大的岩石破坏严重。岩石的能量耗散特性与孔隙率的大小密切相关。图5所示是不同孔隙率岩石在冲击速度为6m/s时的破坏情况。从图中可以看出,只有孔隙率为35.4%的岩石试样发生严重破坏,而其它孔隙率的岩样表面没有明显的微裂纹。结合图4可以得出,虽然岩石在冲击载荷作用下未发生宏观破坏,但是仍有能量耗散。这可能是由于岩石内部的微损伤造成的。对于岩石的冲击,不论是否使其破坏,都会不同程度地导致微损伤的演化和发展,因而也就消耗外部能量。当岩石内部损伤发展到一定阶段时,将会导致岩石的宏观破坏。图6所示为不同孔隙率的人造岩石临界破坏时的能量耗散曲线。岩石临界破坏是指在冲击后,岩样仍然是完整的,但是表面已经有明显的微裂纹。从图6可以看出,随着岩石孔隙率的增加,岩石临界破坏所耗散的能量减小。4孔隙率对岩石能量耗散的影响通过上述对不同孔隙率的人造岩石在冲击载荷作用下吸能情况比较,得出的主要结论如下:(1)反射波