三軸SHPB加載下砂巖力學(xué)特性及破壞模式試驗(yàn)研究

宮鳳強(qiáng)，李夕兵，劉希靈

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083;2.深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災(zāi)害控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

目前，深部巖石力學(xué)已成為當(dāng)代巖石力學(xué)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)研究方向之一［1-2］。很多研究資料表明，受高應(yīng)力作用下的深部巖石表現(xiàn)出與淺部巖石非常不同的力學(xué)特性。究其原因，深部巖石不止涉及巖石的一維受力狀態(tài)，經(jīng)常會(huì)處于三維受力狀態(tài)。例如對(duì)于深部巷道或隧洞的爆破和機(jī)械開挖過程，借鑒室內(nèi)靜載試驗(yàn)的力學(xué)概念，可以看成是“三軸”受力狀態(tài)，即掌子面前面的推進(jìn)地段受到圍壓的作用，然后沿推進(jìn)方向受到爆破或機(jī)械沖擊作用。

為了解巖石在圍壓作用下承受沖擊載荷的力學(xué)響應(yīng)特性，可借助三軸SHPB裝置進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室也先后研制了一系列的三軸SHPB裝置［3-6］。但以往的三軸SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)大部分沒有解決好加載應(yīng)力波整形的問題，因此試驗(yàn)結(jié)果的精確性有待提高［7］。

為此，本文利用改造的三軸SHPB動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)裝置［8］(可以消除應(yīng)力波傳播過程中的彌散效應(yīng)和波形振蕩，并且能夠達(dá)到應(yīng)力平衡和恒應(yīng)變率加載)，選用均質(zhì)砂巖進(jìn)行三軸SHPB加載試驗(yàn)，并重點(diǎn)對(duì)巖石沖擊變形過程中的力學(xué)特性及破壞模式進(jìn)行了討論分析。

1 三軸SHPB加載技術(shù)和方法

為研究巖石在多維受力狀態(tài)下承受動(dòng)態(tài)抗沖擊特性，專門研制了三軸SHPB動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圖1為實(shí)物圖，圖2為裝置平面示意圖。考慮到巖石材料的本質(zhì)屬性和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求，便于跟同直徑靜載壓縮試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，本系統(tǒng)的入射桿和透射桿直徑為50 mm，對(duì)巖石試樣采用等徑?jīng)_擊加載。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與一般SHPB系統(tǒng)類似。軸壓系統(tǒng)主要由液壓油缸、軸向活塞、液壓油進(jìn)出口、排氣口及手動(dòng)油壓泵組成。手動(dòng)泵通過油進(jìn)出口與油缸相連，加壓過程和卸壓過程均由手動(dòng)泵控制。圍壓裝置主要由油缸、隔油橡膠套、液壓油進(jìn)出口、支座等組成。

關(guān)于本試驗(yàn)機(jī)的詳細(xì)介紹和實(shí)驗(yàn)操作過程可參考文獻(xiàn)［8］。試驗(yàn)中采用線性化的“紡錘型”沖頭產(chǎn)生恒應(yīng)變率的半正弦應(yīng)力波進(jìn)行加載［9］。利用該系統(tǒng)，已經(jīng)進(jìn)行一系列相關(guān)的動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)［8，10-11］。

圖1 三軸SHPB動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 Physical map of triaxial SHPB coupled static and dynamic loads

圖2 三軸SHPB動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Schematic map of triaxial SHPB coupled static and dynamic loads

2 三軸SHPB加載下試驗(yàn)結(jié)果及分析

選取完整性和均質(zhì)性較好的細(xì)質(zhì)砂巖作為研究對(duì)象，按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程要求對(duì)巖石進(jìn)行加工，對(duì)試樣兩個(gè)端面仔細(xì)打磨，使其不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。進(jìn)行三軸沖擊試驗(yàn)時(shí)，主要研究了圍壓水平分別為0 MPa、5 MPa和10 MPa的情形。同時(shí)為了解靜態(tài)三軸壓縮下巖石的力學(xué)特性，利用RMT-150C試驗(yàn)機(jī)也進(jìn)行了部分圍壓為0 MPa、10 MPa和20 MPa的三軸試驗(yàn)(應(yīng)變率ε·=1.0×10-5/s)。試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，詳細(xì)分析如下。

2.1 三軸加載下巖石變形和強(qiáng)度特性

圖3(a)是靜態(tài)范圍下不同圍壓σcp水平的砂巖應(yīng)力-應(yīng)變代表性試驗(yàn)曲線。可以看出，隨著圍壓的增加，砂巖的抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變也隨之增大，割線模量有稍微增加的趨勢(shì)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取均值，得到砂巖在圍壓為0 MPa、10 MPa和20 MPa時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為114.9 MPa、223.3 MPa 和 305.8 MPa，即在圍壓存在的情況下，抗壓強(qiáng)度分別增加了94%和166%。進(jìn)行三軸SHPB沖擊試驗(yàn)后，在應(yīng)變率接近2.1×102/s的情況下，砂巖在不同圍壓下沖擊所得應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3(b)所示。圖中顯示與靜態(tài)三軸試驗(yàn)結(jié)果類似，隨著圍壓的增大，砂巖的抗沖擊強(qiáng)度也大幅增加，圍壓為0 MPa、5 MPa和10 MPa時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到186.0 MPa、310.6 MPa 和 402.8 MPa，相對(duì)于無(wú)圍壓的沖擊強(qiáng)度，分別增加了67%和117%。通過比較可以看出，在高應(yīng)變率下，圍壓對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高影響更大。而在相同的圍壓10 MPa下，高應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度是靜載抗壓強(qiáng)度的180%，說明應(yīng)變率的增加對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響也是較大的，尤其是應(yīng)變率大于102/s時(shí)。

從圖3(b)中還可以看出，在高應(yīng)變率下，圍壓對(duì)巖石彈性模量的影響比靜態(tài)下顯著很多。而且由于受圍壓的影響，加載初期巖石的非線性段顯著降低，近似線彈性段更加明顯。

圖3 不同圍壓下砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線Fig.3 The stress-strain curves of sandstone under different confining pressures

2.2 三軸SHPB加載下巖石耗能規(guī)律

圖4是圍壓為10 MPa以及無(wú)圍壓時(shí)沖擊入射能EI和單位體積吸收能Ev之間的關(guān)系圖。可以看出，巖石單位體積吸收能隨著入射能的提高呈線性遞增趨勢(shì)，不同圍壓情況都存在一個(gè)吸能為零的臨界入射能值。而且從變化趨勢(shì)看，在入射能相同的情況下，無(wú)圍壓或低圍壓下巖石單位體積吸收能比高圍壓情況下大很多。這是因?yàn)閲鷫涸酱螅瑤r石受沖擊作用時(shí)側(cè)向變形收到的反作用力越大，裂紋的萌生和擴(kuò)展受到限制作用越大，因此用于裂紋擴(kuò)展所吸收的能量越小。因此，圍壓存在下砂巖吸能為零的臨界入射能要比無(wú)圍壓情況下大很多，本文圍壓為0 MPa和10 MPa下臨界入射能分別為3.717J和667.4J。所得結(jié)論與參考文獻(xiàn)［12］類似。

圖4 入射能與單位體積吸收能的關(guān)系圖Fig.4 Diagram of incident energy-absorption energy per unit volume

圖5是圍壓為10 MPa和無(wú)圍壓情況下單位體積吸收能跟應(yīng)變率之間的關(guān)系圖。在圍壓存在的情況下，砂巖的臨界破壞應(yīng)變率相對(duì)于無(wú)圍壓情況也大很多，本文中臨界破壞應(yīng)變率為155/s，大約是無(wú)圍壓臨界應(yīng)變率的4.05倍。

圖5 應(yīng)變率-單位體積吸收能之間的關(guān)系圖Fig.5 Diagram of strain rateabsorption energy per unit volume

2.3 三軸加載下巖石的破壞模式

靜載三軸加載下巖石的典型破壞模式見圖6。對(duì)于靜態(tài)三軸試驗(yàn)(圖6中四個(gè)典型試樣)，在不同圍壓情況下，基本以單面剪切或“入”字型剪切面破壞，少數(shù)出現(xiàn)了“V”字型破壞形式，但都是剪切破壞起主導(dǎo)作用，在巖石內(nèi)部形成很大的剪切面導(dǎo)致整體失穩(wěn)，這種剪切面可以是平面形式、錐面形式以及“錐-平面”混合形式。

三軸動(dòng)態(tài)沖擊加載下砂巖的破壞模式見圖7～圖10。圖7是應(yīng)變率接近圍壓不同情況下砂巖的破壞模式圖。從圖中可以看出，常規(guī)沖擊下巖石主要沿著加載方向形成破裂面受拉破壞，圍壓存在時(shí)會(huì)降低巖石的破壞程度。圖8是在相同圍壓不同應(yīng)變率下巖石的破裂及破壞模式圖，當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，巖石只會(huì)在沖擊面形成裂紋，整體不會(huì)發(fā)生大的破壞。隨著應(yīng)變率的提高，巖石內(nèi)部裂紋會(huì)貫穿整體發(fā)生大的破裂甚至破碎，破碎的塊度也在增加。

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)三軸加載下砂巖的破壞模式Failure model of sandstone under static triaxial tests

圖7 應(yīng)變率接近不同圍壓下砂巖的破壞模式圖Fig.7 Failure model of sandstone under dynamic triaxial tests

圖8 10 MPa圍壓不同應(yīng)變率下砂巖的破壞模式圖Fig.8 Failure model of sandstone under 10MPa confining pressure and different strain rate

圖9是動(dòng)態(tài)三軸沖擊加載下砂巖側(cè)面破壞形式。從圖9可以看出，巖石長(zhǎng)度方向上形成的破裂面不再平行于長(zhǎng)度方向，而是有一定角度。圖10是動(dòng)態(tài)三軸沖擊加載下砂巖破壞后的塊體形式，可以看出塊體形式也不同于常規(guī)沖擊后的長(zhǎng)條狀塊體形狀，而是呈現(xiàn)出四面錐體形式。說明在圍壓存在下，巖石的破壞模式由拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閴杭羝茐摹?/p>

圖9 動(dòng)態(tài)三軸沖擊加載下砂巖側(cè)面破壞形式(圍壓10 MPa)Fig.9 Side failure model of sandstone under 10 MPa confining pressure and different strain rate

圖10 動(dòng)態(tài)三軸沖擊加載下砂巖破壞后的塊體形式Fig.10 Block form of sandstone under triaxial tests

3 結(jié)論

本文利用改造的三軸SHPB動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)均質(zhì)砂巖進(jìn)行了三軸沖擊壓縮試驗(yàn)，在分析圍壓對(duì)砂巖沖擊變形和強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了沖擊過程中砂巖的能量耗散規(guī)律和破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果顯示，圍壓和應(yīng)變率的提高，對(duì)巖石的抗壓強(qiáng)度都會(huì)有加強(qiáng)的影響趨勢(shì)。砂巖發(fā)生破壞的臨界入射能，隨著圍壓的增大而增大。砂巖單位體積吸收能與應(yīng)變率之間呈線性遞增關(guān)系，而且遞增的程度隨著圍壓的增加而增加。三軸沖擊加載下，應(yīng)變率較低時(shí)砂巖內(nèi)部形成壓剪破裂面但整體不失穩(wěn)，應(yīng)變率很大時(shí)砂巖破碎形成椎形塊體形式。本文所得試驗(yàn)現(xiàn)象還只是對(duì)三軸沖擊試驗(yàn)的初步探討，三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)的影響因素眾多，包括圍壓、應(yīng)變率、試樣尺寸等等，因此在以后的工作中還需要繼續(xù)深入研究，才能更好的了解和認(rèn)識(shí)三軸加載狀態(tài)下巖石的動(dòng)力學(xué)特性。

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