三维滚动组合加载下细砂岩力学行为研究

三维滚动组合加载下细砂岩力学行为研究

1深部岩体的力学特性随着经济的发展，能源依赖的程度越来越高。而目前我国浅部资源逐渐枯竭,深部资源开采迫在眉睫。随着深井采矿、核废料储存、石油开采、地质钻探等人类活动的不断深入地下,人们发现深部岩石有着许多现有岩石力学知识无法很好解释的现象,如岩爆、冲击地压、岩石发生脆延转化破坏特征异常、岩体分区破裂化现象等。深部地下资源的开发过程中,矿岩不仅承受着很高的静载荷作用,而且还受到如爆破震动等动载荷的影响,不同于浅部岩体。由于浅部岩体埋深小,所受到的自重应力可忽略,只需单纯的考虑爆破等动载荷的作用,就可以较好地解决出现的动力学方面问题。而深部岩体问题利用浅部的办法来解决时效果不理想,因此深部矿岩的力学行为是目前岩石力学界和采矿工程界研究的难点和重点。如图1(a)所示,深部岩体所处的应力状态非常复杂,受高地应力和动载荷作用,其受力状态可简化见图1(b)。A处岩体受到竖直静应力和动载荷作用,相当于矿房中矿柱受到动静载荷作用,B处则是受到三维静应力和竖直方向的动载荷共同作用,因此可以将深部岩体看作是静应力条件下受到动载荷作用的结果。显然,研究预静应力条件下岩石动静组合强度和变形性质,对揭示深部灾害发生机理和防治有一定的工程意义。在研究岩石对动静组合载荷作用的响应过程中,一、二维动静组合载荷下岩石力学特性的研究已取得部分成果,分别研究了组合加载强度、能量耗散等,并运用突变理论进行了解释,而三维动静组合载荷下岩石力学特性的研究很少。因此,本文针对深部岩体,将圆柱形砂岩试件放在动静组合加载试验机上,进行有预加围压和轴向静压条件下受到冲击作用的力学试验,分析砂岩在不同的三维静压水平条件下的动静组合强度和变形特征。2试验结果及分析本次对原有SHPB冲击试验系统进行了改进:①在输入杆和输出杆端部处安设轴压加载装置,可以施加与冲击载荷方向一致的静载荷;②在试件安装处架设围压加载装置,可以施加垂直于冲击载荷方向的围压,同时施加轴向静压和围压时即可进行三轴预应力下的冲击试验。改进后系统见图2。轴向静压加载装置和围压加载装置结构见图3、4。系统的轴向静压和围压加载范围均为0~200MPa。试验材料选用完整性和均匀性相对较好的细砂岩,采用φ50mm×50mm的圆柱体试件,并对试件的两端及侧面仔细研磨,不平行度和不垂直度均小于0.02mm。试件表面光滑,没有明显缺陷。平均体积密度为2.62×103g/cm3,平均单轴抗压强度为91.36MPa,冲击强度为153.78MPa(平均应变率为90~100s-1)。相应的常规三轴抗压试验结果见表1。将试件装入围压压力盒中,并与冲击杆配合好,手动加围压和轴压到设计值,即可以进行一次冲击试验。试验分两个系列进行:第1系列固定轴向静压,做2组,轴向静压分别为22.5MPa和36MPa,围压分别为0、2、4、6、8MPa;第2系列固定围压,做2组,分别为4MPa和8MPa。轴向静压分5个水平:围压为4MPa时,其对应轴向静压分别为22.5、36、72、90、103.5MPa;围压为8MPa时,其对应轴向静压分别为22.5、36、90、103.5、121.5MPa。两个系列对应轴向静压分别为其三维静载抗压强度的20%、30%、70%、80%和90%,每组试验重复3~5次。冲击载荷是由瓶装高压氮气作为推动力推动锥形冲头撞击入射杆,产生半正弦应力波。由于气压和冲头到入射杆的距离均恒定,因此动态加载速率为一定值。图5为试验中典型的动态冲击应力波波形曲线。试验过程中先加载围压,后加轴压。3应力-应变本构模型将试验中实测的每个试件的数据分别处理后,绘出应力-应变曲线。图6为围压4MPa和8MPa时的应力-应变曲线,类似于常规三轴抗压应力应变曲线。从图6可看出,岩石组合加载下峰值强度随着轴向静压增大表现出先升高后降低的趋势。图7为轴向静压为22.5MPa和36MPa的应力-应变曲线,图中有两条曲线是单轴动静组合应力-应变曲线(围压为0MPa)。从图7中可以看出,动静组合全应力-应变曲线可以分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。在弹性阶段,应力与应变基本呈线性关系,服从虎克定律,表现出弹性特征。在屈服阶段,岩样内部发生损伤,强度较低的材料逐步屈服破坏,应力-应变曲线偏离直线,表现出试件的初步损伤发展过程。在破坏阶段,砂岩试件内的应力达到其能够承受的极限能力,砂岩试件沿某破裂面产生宏观滑移。图7中其他曲线(围压不为0MPa)是三维动静组合应力-应变曲线,与图中单轴动静组合应力-应变曲线(围压为0MPa)相比,达峰值时的变形要大一些,即塑性相比表现得多一些。3.1岩石的变形特征是由三维压力和冲击相结合的(1)轴向静压影响由于岩石体内或多或少存在孔隙或微裂纹,经三向加压到一定范围内,微裂纹闭合,岩石更加致密,其弹性模量增大。三向加载的压力超过一定范围,弹性模量的变化就不一样了,在轴向静压不发生改变的条件下,一般地也随围压增加,岩石中的裂纹逐渐闭合,其弹性模量增大,如果围压增大超过了轴向静压时,情形可能不一样,这种情况这里不讨论。在固定围压的情况下,一直增加轴向静压,岩石开始随着轴向静压的增大逐渐变得致密,这个范围一般在弹性阶段内。当轴向静压越过弹性段后,进入损伤阶段,岩石体内微裂纹从闭合到重新激活发育,随着微裂纹的增多,岩石损伤加重,则弹性模量降低。如图8所示,轴向静压分别固定在22.5MPa和36MPa水平上(弹性阶段内),增加围压,岩石的弹性模量一直在增加,并且可以看出轴向静压高的试件弹性模量一般高于轴向静压低的试件。图9为围压分别固定在4MPa和8MPa的条件下增加轴向静压与弹性模量的关系。刚开始在弹性阶段,随轴向静压增大,其弹性模量提高,但进入损伤阶段后,随轴向静压增大,弹性模量反而降低。(2)轴向静压影响应变率反映了岩石受力条件下变形的快慢,也能反映应力变化的快慢程度,而平均应变率反映岩石破坏整体变形的快慢程度,最大应变率则是表现了某一特殊时刻岩石变形最快的瞬间。图10为轴向静压固定、不同围压的条件下受冲击载荷的砂岩最大应变率和平均应变率的变化情形:轴向静压分别为22.5MPa和36MPa时所对应的最大应变率与围压的关系不明显,但与其所对应的平均应变率却随围压增大而减小。究其原因,是由于围压增大,岩石内部裂纹逐渐闭合,致密度提高,平均应变率随之降低。由于围压对轴向变形是一种间接的影响,其影响程度很小,加上试件的差异等,在轴向压力固定的情况下最大应变率受围压影响不明显。图11为固定围压情况下最大应变率和平均应变率随轴向静压的变化趋势。由于围压固定的情况下轴向静压一直增大,岩石经历弹性阶段、损伤阶段,直至完全破坏。在弹性阶段,岩石随轴向静压增大会逐渐压密,最大应变率随之降低,而进入损伤阶段后,岩石随轴向静压增大损伤更加严重,小的扰动就可能使岩石试件发生很大的位移,故最大应变率增大。因此,图11中最大应变率和平均应变率都是先降低后升高,不过最大应变率相对变化较大,而平均应变率变化相对则较小。3.2静压对细砂岩冲击强度的影响细砂岩属沉积岩,其致密度不如花岗岩、大理岩等岩石高,内部存在一定的孔隙,在受到三维压力时,在一定范围内其内部孔隙缩小,且围压限制其侧向变形,故其强度被提高。随着围压增大,其强度逐渐增大。轴向静压对组合强度的影响在弹性范围内,与围压类似。但若轴向静压超出弹性阶段,进入损伤阶段,岩石内部的间隙被重新激活,则其强度下降。图12和图13为细砂岩在不同静压水平下冲击强度变化情况。从图12可以看出,随着围压增大,细砂岩动静组合抗压强度一直在增大。由于试验用的细砂岩单轴抗压强度分别为91.36、22.5MPa和36MPa,是单轴抗压强度的24.6%和39.4%,因此,这两个轴向静压都在其单轴和三轴抗压强度的弹性范围内,所以其动静组合抗压强度一直在增大,文献的试验也验证了这个结论。但进入损伤段后,情况就相反,随着轴向静压的增加,其动静组合抗压强度在慢慢下降。图13为固定围压改变轴向静压条件下动静组合强度的变化情形。围压不变时,动静组合强度随轴向静压增加先升高而后降低。在升高到降低的转折点,围压4MPa对应轴向静压90MPa,围压8MPa对应轴向静压103.5MPa,两者分别是其各自常规三轴抗压强度的81.5%和77.5%,接近80%,可见轴向静压在其常规三轴抗压强度80%左右的位置是动静组合强度变化的转折点,主要原因可能是试件在这种情况下已被压密,但损伤程度不严重,如再进一步增加轴向静压,试件的损伤加剧,从而导致其组合强度降低。4轴向静压影响(1)在改进的SHPB实验系统上,进行了固定围压、改变轴向静压条件下一系列动静组合试验,发现围压不变时,细砂岩动静组合强