循环作用下岩石动态力学性能试验研究

循环作用下岩石动态力学性能试验研究

1围压作用下岩石循环冲击损伤的能量特性地下工程中的岩体通常处于复杂的应力状态。在地压条件下，岩石的破坏被岩石力学学者所忽视。国防、人防、矿业、交通工程中的大多数岩体在破坏过程中不仅受到地应力的作用,同时也会受到动荷载的影响,如炮弹的爆炸冲击破坏作用、洞室开挖过程中的爆破冲击作用和机械扰动以及地震荷载的影响等。冲击荷载作用下,岩体的损伤破坏及能量特性方面的研究有着广泛的应用,其中的许多问题,已成为岩石力学与工程界的热门课题。事实上,多数岩体的破坏并不是单一脉冲作用的结果,而是由多次冲击作用造成的,如武器的多次打击、围岩的多次爆破以及几次地震余震对岩体造成的破坏等。岩石冲击荷载循环作用下的损伤规律以及能量耗散特性已成为探讨岩石爆炸和破坏机制、应力波传播和衰减规律、地下结构的破坏效应分析等必不可少的资料。因此,开展围压条件下岩石循环冲击损伤的能量特性研究,具有重要的理论意义和工程价值。B.Menendez等利用光镜和电镜扫描技术对岩石在三轴压缩下的脆性开裂和破碎流动的微观力学机制以及损伤演化进行了试验研究。N.Gatelier等对多孔砂岩进行了准静态单轴和三轴状态的循环加载试验,研究了各向异性对材料的峰前损伤的影响,定量分析了不可逆应变、模量的变化随累积损伤的关系。I.L.Meglis等基于超声速度和振幅对裂纹的敏感性,应用超声层析成像现场测试方法研究了加拿大原子能地下实验室隧道开挖诱发的围岩损伤问题,得到围岩损伤程度和损伤分布规律。杨小林等在大理岩中进行了模拟爆破试验,得到了不同爆心距和爆破条件下,爆破对岩石损伤破坏作用规律。李夕兵等利用多荷载凿岩机、INSTRON系统和SHPB装置,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行了试验研究。尤明庆等对岩石三轴压缩的塑性变形与能量特征以及损伤岩石试样的力学特性与纵波速度关系进行了研究。目前国内外研究大多集中于岩石在单次冲击荷载作用、准静态单轴和三轴状态的循环加载试验,而围压状态下,岩石受冲击荷载循环作用的动态损伤累积效应的研究还不多见。正确估算冲击作用下岩石的损伤程度及其耗能规律,是岩石爆破理论和地下岩石支护理论研究中的重要课题。本文采用带围压加载装置的φ100mmSHPB系统,对围压条件下3种不同岩石在冲击荷载循环作用下的冲击损伤的能量特性进行试验研究。在确定岩石损伤度判定方法的基础上,分析了岩石在冲击荷载循环作用下的损伤度与累积比能量吸收、围压等参量之间的关系。并对不同岩石冲击损伤的能量特性进行比较,为研究工程岩体在爆炸冲击荷载下的动力学特性提供一种新的思路。研究结果对地下工程的建设和防护有一定的指导意义。2在围压条件下，岩石的动态破坏试验2.1激光测速仪测量杆撞击速度的测定与洛阳立特公司合作,对空军工程大学的φ100mmSHPB设备进行围压装置改造,带围压装置的SHPB系统示意图如图1所示。系统压杆直径为100mm,入射杆长4500mm,透射杆长2500mm,打击杆长500mm,杨氏模量为210GPa,密度为7850kg/m3,理论波速为5172m/s,实测波速为5200m/s。利用空气加压给打击杆加速并使用灯距为100mm的激光测速仪测量打击杆撞击的速度。围压装置采用液压加载。2.2研究岩石类型本次试验所用的岩石材料取自某国防重点工程,该地下工程位于陕西太白地区秦岭岩群。选用斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩3种岩石类型作为研究对象。经国土资源部西安矿产资源监督监测中心检验,3种岩石的矿物成分组成如表1所示,基本力学性能参数如表2所示(其中,PH为斜长角闪岩,SP为绢云母石英片岩,SS为砂岩)。2.3试件的表面整形岩石试样采用ZS–100型立式取芯机、DQ–1型岩石切割机和SHM–200型双端面磨石机进行钻取切割、打磨成圆柱形试件,试件两端面研磨抛光,以保证其平行度、平整度和光洁度。为减少压杆与试件的接触面之间的摩擦效应,在试件的两端面上均匀涂抹了用润滑油和石墨配置的润滑剂。综合分析国内外已有的关于波形整形器的研究成果[12~14],选用屈服强度较低的T2紫铜作为波形整形器。经吕晓聪等试验研究确定,SHPB试验试件的最佳尺寸为φ97mm×43mm。为了充分研究围压条件下3种岩石累积损伤的变化规律,选择0,2,4,6,10和20MPa共6个围压等级进行冲击荷载循环作用下的岩石SHPB试验。2.4冲击荷载循环作用试验结果由于斜长角闪岩、绢云母石英片岩和砂岩试样在无围压条件下,当试验入射应力波的峰值强度分别为210,200和150MPa时,试样已经开裂,因此,为了研究3种岩石在循环冲击荷载下的力学性能变化规律,当围压为0时,确定试验入射应力波的最大峰值强度为160,160和120MPa左右,其他围压情况下,试验入射应力波的最大峰值强度为345MPa左右;对于每一个岩石试样,以同一强度的冲击荷载循环作用到使试件破坏为止。图2列出了不同围压下,绢云母石英片岩在冲击荷载循环作用下的三轴压缩应力–应变曲线,图2中图例后数值为应变率,括号内的数值表示冲击荷载循环作用的次数。斜长角闪岩与砂岩的相关曲线见吕晓聪等的研究。由图2可知:随着冲击荷载循环作用次数的增加,应力–应变曲线的上升段斜率减小,即杨氏模量变小。从材料的细观裂纹和能量吸收的角度分析,在冲击荷载作用下,岩石中的细观裂纹由原始微裂纹处应力集中而起裂,细观裂纹的发展降低了岩石组构传递荷载的能力和比例,使得材料性能下降,导致杨氏模量变小。3岩体声波速度的变化特征岩体中存在大量随机分布的初始损伤(如细观节理裂隙、微孔洞与宏观裂缝、断层、破碎带等)。在爆炸冲击荷载作用下,岩体中产生大量新裂纹,同时,由于应力波作用,己经存在的节理、裂隙不断扩展、贯通,形成尺寸较大的主裂缝。根据惠更斯原理,声波到达岩体结构面时产生反射、散射和绕射等作用。因此,这些微裂缝和宏观断裂延长了声波传播路径,降低了声波速度。而且声波速度降低程度与裂缝数量、宽度有着密切关系。随着爆破作用次数的增加,裂缝不断增加、扩展、张开,使得岩体中声波速度不断降低。因此,可以根据声波速度的变化特征,判别岩体爆炸损伤以及累积损伤效应。综上所述,可以用声波波速的变化来量化岩石的损伤度:式中:D为损伤度,v0为岩体的初始声波速度,v为冲击荷载作用后岩体的声波速度。又由波动方程可知:式中:λ为拉梅系数,G为剪切模量,μ为泊松比,ρ为密度,E为冲击荷载作用后岩体的等效弹性模量。由式(2)可知,E与波速的平方成正比,式(1)可以改写为式中:E0为岩体的初始弹性模量。由于岩石的应力–应变曲线是非线性的,本文采用的杨氏模量是应力–应变曲线上升段对应压缩强度两点连线的斜率,该两点分别对应屈服强度的20%和80%。4岩相激发破坏的能量特征分析4.1能量吸收wl为了研究冲击荷载循环作用下,岩石破坏损伤与能量耗散之间的关系,定义比能量吸收值(SEA)为单位体积的岩石试件在冲击压缩过程中所吸收的能量,并对冲击压缩过程进行能量分析。假设试件与输入杆和透射杆截面处的能量损耗忽略不计,则式中:WL为试件吸收的能量;WI,WR和WT分别为入射应力波、反射应力波和透射应力波能量;A0,C0和E0分别为输入杆的横截面积、杆中的声波传播速度以及输入杆的杨氏模量;σI,σR和σT分别为入射应力、反射应力和透射应力;Vs为岩石试件的体积。定义累积比能量吸收值ϑ为式中:n为冲击荷载循环作用次数。根据不同围压和打击杆速度情况、岩石在冲击荷载循环作用下的应力–应变曲线,应用式(3),(6)可以得出岩石的损伤度随累积比能量吸收值的变化关系。4.2累积比能量吸收值不同围压下,3种岩石损伤度随累积比能量吸收值的变化关系如图3所示。其中的虚线对应的是《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(SL47–94)中规定的判定岩体受到爆炸损伤破坏对应的损伤阈值Dcr=0.19。不同围压下,3种岩石达到损伤阈值所需要的累积比能量吸收值如表3所示。由表3可知,当围压从0变为2MPa时,岩石达到损伤阈值所需要的累积比能量吸收值成倍增加,这主要是由于岩石内存在各种方向的裂隙,单轴状态时所有倾角大于内摩擦角的裂隙承载能力为0;而围压稍有增大时,陡倾角裂隙的承载能力迅速增大,抑制了砂岩的滑移破坏。因此,从单轴状态到围压状态,岩石达到损伤阈值所需要的累积比能量吸收值会出现突变。当围压逐渐增大时,砂岩损伤度的增加随累积比能量吸收值增加的趋势变缓,即围压越高,试件达到相同损伤度所需要耗散的能量越多。这主要是由于随着围压的增高,轴向应力在屈服过程中持续增加,由围压和轴向应力共同提供正应力时,使得裂隙摩擦力承载能力超过材料的黏聚力,抑制裂隙的滑移。其岩样内部其他区域也会逐步屈服,继而产生新的裂隙,从而使得多个断面相继产生屈服,塑性变形持续增加,使岩样在轴向压缩过程中出现屈服平台,岩样将需要耗散更多的能量。通过将图3中的围压参数内化(具体方法详见吕晓聪等的研究),3种岩石的损伤度与围压和累积比能量吸收值的关系可统一为式(7)~(9),相应损伤度的三维曲面如图4所示。4.33围压对累积比能量吸收值的影响岩石达到损伤阈值Dcr=0.19时的累积比能量吸收值与围压的关系图5(a),其增长率ϑ/ϑσ3=0与围压σ3的关系见图5(b)。由图5可知,岩石达到损伤阈值时的累积比能量吸收值随着围压的升高而增加,且低围压时的增加速度比高围压时的增加速度快。3种岩石相比,在围压为0MPa时,绢云母石英片岩达到损伤阈值需要的累积比能量吸收值最多,而当围压增加后,砂岩达到损伤阈值需要的累积比能量吸收值最多,绢云母石英片岩次之,斜长角闪岩最小。但是,从图5可知,随着围压的增加,砂岩达到损伤阈值时的累积比能量吸收值增长率最大,斜长角闪岩次之,绢云母石英片岩最小,表明砂岩的损伤对围压条件最为敏感。由此可得3种岩石的损伤度分别为5累积比能量吸收值与岩石损伤度的关系(1)循环冲击荷载下,岩石的杨氏模量明显减小,这是由于岩石中的细观裂纹由原始微裂纹处应力集中而起裂,细观裂纹的发展降低了岩石组构传递荷载的能力和比例,使得材料性能下降,导致应力–应变曲线的上升段斜率减小。(2)建立了以杨氏模量表征的岩石损伤度的判定标准,并定义了累积比能量吸收值的概念。研究表明,累计比能量吸收值与岩石的损伤度之间存在对应关系,能很好的表征岩石的损伤程度。(3)岩石循环冲击损伤演化过程存在围压效应,当围压