轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

　第37卷第6期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.6　　2012年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJune　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)06-0923-08轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响金解放1,2,李夕兵1,殷志强1,杜　坤1(1．中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙　410083;2．江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州　341000)摘　要:利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明:随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展—急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。关键词:循环冲击;强度劣化;累积损伤;临界卸载应力中图分类号:TU459　　　文献标志码:A收稿日期:2011-06-21　　责任编辑:王婉洁　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(51104068,10872218);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB732004)　　作者简介:金解放(1977—),男,河南开封人,讲师,博士研究生。E-mail:[e-mail]eandnumberofcyclicimpactsondynamicmechanicalcharacteristicsofsandstoneJINJie-fang1,2,LIXi-bing1,YINZhi-qiang1,DUKun1(1．SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha　410083,China;2．SchoolofArchitecturalandSurveyingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou　341000,China)Abstract:Thecharacteristicsofdynamicstrengthanddeformationonrockwithdifferentaxialpre-compressionsundercyclicimpactswereconductedwithmodifiedsplitHopkinsonpressurebar(SHPB).Firstly,thedifferentaxialpre-com-pressionstresseswereloadedonsandstonespecimensbeforethecyclicimpactloadingswerecarriedon.Andthen,thetypicaldynamicstress-straincurveofspecimenundercyclicimpactswasinvestigated.Finally,thecharacteristicsofdy-namicstrengthanddeformationofrockwithdifferentaxialpre-compressionswerestudiedduringcyclicimpacts.Theresultsshowthat,withtheincreaseofnumberofcycleimpacts,thedeformationmodulusofloadingstageandthefirstunloadingstage,transmittedwaveandpeakstress,theratioofrecoveredstrainandpeakstrain,theratioofrecoveredstressandcriticalunloadingstressreducegradually.While,theaveragestrainrate,peakstrain,thedeformationmodu-lusofthefirstunloadingstage,andspecificenergyabsorbencyincreasegradually.Whentheaxialcompressionofrockis22%,51%and65%ofitsuniaxialcompressivestrength,therelationbetweentheabilityofresistanceagainstcyclicimpactsandthecycle-indexisfromslowdevelopmenttosharpdecline.Whentheaxialcompressionofrockis0or65%or87%ofitsuniaxialcompressivestrength,theabilityofresistanceagainstcyclicimpactsdropsconstantlydur-ingthewholecycle.Therock’sabilityofresistanceagainstthecyclicimpactsishighestwhentheaxialcompressionofrockis22%ofitsuniaxialcompressivestrength.Keywords:cyclicimpact;strengthdeterioration;cumulativedamage;criticalunloadingstress煤　　炭　　学　　报2012年第37卷　　目前,爆破仍是各种岩土工程开挖的主要手段,例如矿山露天或地下开采、隧道开挖以及核电站基岩爆破开挖等。由于生产和工艺的需要,这些工程的开挖大都需要多次爆破,例如大断面隧洞施工过程的推进式往复爆破施工[1]、小净距并行隧道的爆破开挖[2]和矿山生产频繁重复爆破作业,围岩承受的动载荷作用形式是多次的或循环的[3]。工程岩体遭受爆破、机械钻凿等循环动载作用时,已经承受了来自地应力、构造应力等静载荷,如图1所示的A点和B点的围岩。基于上述认识,岩土工程中大多数围岩承受载荷的形式为具有一定静应力下的循环冲击。许多安全事故并不仅是发生在采场工作面,在远离工作面的硐室、巷道等构筑物附近也时有发生。研究具有一定预应力的岩石在循环冲击载荷作用下力学特性对各种岩体工程安全、高效施工和运营具有非常重要的意义。图1　深部岩体受力示意Fig．1　Sketchofdeeprockmasssubjectedcoupledstaticandcyclicdynamicloads国内外学者对静态或准静态循环载荷作用下岩石的力学特性进行了深入的研究[4-9],在疲劳门槛值、疲劳变形、材料性能劣化、疲劳损伤演化以及疲劳性能的影响因素方面取得了丰硕的研究成果,即岩石在静态或准静态作用下的力学特性已建立了相对完善的理论体系。而岩石在循环冲击载荷作用下的力学特性研究较少,就笔者得到的文献,仅有以下研究成果。金解放等[9]通过理论计算和试验研究,得出了可以利用岩石波阻抗的变化定义其在循环冲击过程的损伤变量;LiXB等[10]利用杆径为75mm的SHPB对无轴压无围压的花岗岩进行了重复冲击试验,认为当冲击峰值应力小于其静态单轴强度的60%~70%时,循环冲击基本不能增加岩石内部的损伤;林大能等[11]利用近似落锤的装置对不同围压下的岩石进行多次冲击试验,得到了冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性;吕晓聪等[12]对不同围压的岩石进行了循环冲击试验,得到了杨氏模量、屈服应力和屈服应变随循环冲击次数的关系,并研究了在循环冲击过程中岩石试件的比能量吸收值与围压的关系;文献[3,13-14]利用质点峰值速度、钻孔伸缩仪、钻孔相机和声波波速等研究工程岩体在多次爆破开挖过程中损伤累积演化特性。文献[3,10-14]的成果为进一步开展岩石(体)在循环冲击载荷作用下力学特性研究奠定了一定的基础。然而,上述文献进行研究时,没有考虑轴向静载对岩石在循环冲击过程中的动态强度和变形特性的影响,并且没有过多考虑循环冲击过程中岩石在卸载段的强度和变形随循环冲击次数增加的变化特性,对这些问题进行讨论有助于进一步了解在循环冲击作用过程中岩石抵抗外部动载荷能力劣化的过程,进而为研究岩体在循环冲击过程中损伤的累积演化过程和指导有关岩石工程的开挖设计奠定基础。基于上述科学认识,本文利用动静组合加载试验装置,对不同轴压的岩石进行一维循环冲击试验,重点研究轴压和循环冲击次数对岩石动态力学的影响,进而研究在循环冲击过程中岩石强度和变形特性的演化关系。1　循环冲击试验1．1　试件制备试件采用完整性和均值性较好的砂岩,试件的长径比为1∶1,尺寸为ϕ50mm×50mm,对试件的两端进行仔细研磨,两横截面的不平行度和不垂直度均小于0．02mm。在RMT-150B试验机上进行单轴抗压试验,测出其平均单轴抗压强度为96MPa。1．2　冲击试验设备采用自行研制的基于SHPB装置的岩石动静组合加载试验系统,如图2所示。该装置的冲头、入射杆、透射杆和吸收杆均为高强度40Cr合金钢,其弹性极限达800MPa,纵波波速为5400m/s,密度为7810kg/m3;直径为50mm,入射杆、透射杆和缓冲杆长度分别为2,1．5和0．5m,发射腔内采用异型冲头以消除PC振荡,实现半正弦波加载,达到恒应变率加载的目的。数据采集和显示设备为CS-1D超动态应变仪和DL-750示波器。1．3　试验基本理论由于岩石试件的厚度很小,引入均匀性假设εI(t)+εR(t)=εT(t)。由试验测得的入射杆和透射杆的应变值,根据一维应力波理论,岩石试件的应429第6期金解放等:轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响图2　循环冲击的试验系统示意Fig．2　Deviceofcyclicimpacttest力、应变和应变率能用下式简化计算:σ(t)=AeEeAsεT(t)(1)ε(t)=-2CeLs∫t0εR(t)(2)ε·(t)=-2CeLsεR(t)(3)式中,Ae,Ce和Ee分别为弹性杆的横截面面积、声波波速和弹性模量;As和Ls分别为试样横截面积和长度;εI(t),εR(t)和εT(t)分别为入射波、反射波和透射波。1．4　试验方法和步骤参考静载压缩试验结果,为考察轴压大小对岩石在循环冲击载荷作用过程力学特性的影响,并与岩石一维动静加载下力学特性进行比较[15],轴压分别设置为0,21,49,63和84MPa,分别对应静载单轴抗压强度的0,22%,51%,65%和87%。在循环冲击试验中,严格保证每次冲击时的轴压等于其设定的轴压值。每种轴压情况做4个试件的试验。根据文献[10]确定的岩石循环冲击载荷门槛值的研究结果,经过多次试验调整,试验时,轴压为0,21,49,63和84MPa时,高压气室的气压分别为0．5,0．6,0．7,0．8和0．9MPa,调整异型冲头在气腔内位置,确保入射杆上入射应力波的峰值相同。试验时试样两端面涂抹适量黄油,确保试样两端面与入射杆和透射杆间接触良好。2　典型应力-应变曲线图3为砂岩试件在轴压为21MPa时循环冲击过程中单次冲击得到的动态应力-应变曲线。从图3可以看出,应力-应变曲线大致可以分为5个阶段,分别为OA段、AB段、BC段、CD段和DE段,依次定义为压密阶段、弹性阶段、微裂纹扩展的加载阶段、第1卸载阶段和第2卸载