三軸循環荷載下巖石的變形及阻尼特性試驗研究

摘要：對取白露天礦邊坡的粗粒輝長巖，在MTS815巖石力學試驗系統上進行三軸循環荷載試驗，研究在三軸循環荷載下粗粒輝長巖的變形及阻尼特征，探討在相同圍壓下軸向循環荷載周次對粗粒輝長巖動彈性模量、阻尼比的影響，及其相互關系；并分析在相同軸向振動荷載作用下，圍壓對動彈性模量和動阻尼比的影響，以及相互之間的變化規律。結果表明：在相同的軸向振動荷載作用下，動彈性模量和動阻尼比隨圍壓的增加而逐漸增加；在相同圍壓和軸向振動荷載的作用下，當圍壓為3MPa和4MPa時動彈性模量隨振動次數的增加逐漸增加，圍壓為2MPa時動彈性模量隨振動次數的變化規律不明顯。在相同圍壓和軸向振動荷載的作用下，動阻尼比與振動次數沒有明顯的變化規律；在相同軸向振動荷載和振動次數作用下，動阻尼比隨圍壓的增加逐漸變大。

關鍵詞：巖石力學；三軸循環荷載；動彈性模量；動阻尼比

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0001-04

引 言

在地震及爆破荷載作用下的露天礦邊坡變形及其穩定性，直接決定著露天礦能否安全運營。地震及爆破荷載作用下的巖石穩定性問題屬巖石動力學范疇，而這正是目前學術界和工程界廣泛關注的熱點問題。目前楊永杰等已對巖石在單軸周期性荷載作用下的強度、變形特性、疲勞損傷及動態響應特征進行了研究。葛修潤等嗵過循環荷載試驗，對巖石的不可逆變形及疲勞門檻值等進行了研究，認為巖石的疲勞壽命主要由巖石本身結構、幅值荷載和荷載差決定；當應力水平達到某一“門檻值”后，循環次數增加將促使不可逆變形加速增長，最終導致整個試件破壞。莫海鴻通過單軸循環荷載試驗，把巖石的變形分為初始變形、蠕變變形和疲勞損傷變形3個部分，得到振幅越大巖石的損傷變形越大，其工作壽命越短的結論。地震荷載下，不僅地基巖石的動態強度和變形特征直接影響上部結構的穩定性，其阻尼特征對上部結構的穩定性更是起至關重要的作用。劉建鋒等采用單軸循環荷載方法測試巖石阻尼參數和變形參數，分析了循環荷載周次和動應力幅值對細砂巖的動彈性模量和動泊松比的影響，探討了選擇中間加載周次計算巖石阻尼參數的試驗依據和合理性，并研究了循環荷載周次和動應力幅值與動彈性模量、動泊松比、阻尼比和阻尼系數的關系。朱珍德等也應用該方法對不同巖性巖石的阻尼特征進行了研究。但是，上述研究成果幾乎都是在單軸循環荷載下得出的。在三軸循環荷載下，圍壓、動應力幅值以及循環次數對巖石的動彈性模量、阻尼比和動強度的影響，及與其相互關系如何，仍缺乏系統地研究和探討。

本文通過三軸循環荷載試驗，分析圍壓、動應力幅值以及循環次數對粗粒輝長巖的動彈性模量和阻尼比的影響，探討圍壓、動應力幅值以及循環次數與動彈性模量、阻尼比的關系。

1.試驗測試

I.I 試驗樣品

試驗測試樣品為粗粒輝長巖，呈灰至灰黑色且晶粒粗大，主要礦物成份為呈塊狀結構的輝石、長石和角閃石。其天然平均密度為3.04g/cm3，取自某露天礦邊坡，取芯鉆孔深度距坡面分別約100，148，176m。對現場鉆孔獲得的巖芯進行密封包裝處理，以保持其天然含水量不變，室內按GB/T 50266-1999《工程巖體試驗方法標準》制樣要求，采用切割機和磨石機對鉆孔巖芯進行精加工，制備標準試樣尺寸為φ50mmxl00mm，如圖1所示。

1.2 試驗設備

利用MTS815 Flex Test 40巖石力學試驗系統（見圖2）進行試驗測試。該試驗機軸向最大荷載為3000kN，圍壓最大值為100MPa，振動頻率達5Hz，振動波形可為正弦波、三角波、方波、斜波及隨機波，振動加載控制方式為軸向荷載。

1.3 試驗方法

對取自100，148，176m 3個深度的巖樣分別施加不同的圍壓（2，3，4 MPa）。在不同的圍壓下，施加相同的軸向振動荷載26 MPa，進行三軸振動試驗。振動頻率為SHz，波形為正弦波，振動2000次。試驗過程如下：

1）防油處理。將試件表面套一個熱縮管，并放在三軸壓力室的底座中央，用“帶風焊塑槍”給熱縮管加熱，讓熱縮管緊貼于試件表面，使試件與液壓油完全隔離。

2）施加圍壓及靜態軸向荷載。給試件施加預定圍壓（σ3），使試件處于軸向應力和圍壓相等的靜水壓力狀態。再施加與振動應力幅值σd相等的靜態軸向應力，即試件軸向靜態應力值為σ1=σ3+σda加載方式采用應力控制，加載速度為15MPa/min。

3）施加動荷載。在保持圍壓不變，軸向靜態應力達到σ1的情況下，施加軸向動應力σd，進行三軸振動試驗，直至振動次數達2000次，結束試驗。

1.4 試驗原理

若巖石試件是理想的彈性體，則在每級動應力作用下，動應力和動應變與時間的曲線，在時間上必然同步對應，即動應力作用的同時，動應變隨即產生。由于巖石內部存在許多裂隙、孔洞、顆粒接觸面等具有微結構特征的機械缺陷，所以巖石試樣實際上為非理想彈性體。因此，動應力σd與相應動應變εd的曲線在時間上并不完全對應，兩者之間存在一定的時間差，使同一振動周次的動應力和動應變曲線形成滯回環。滯回環面積的大小反映了振動加載、卸載過程中能量損失的大小，也反映了振動阻尼比A的大小，滯回環的平均斜率反映了動彈性模量Ed的大小（見圖3）。

巖石的動彈性模量及阻尼比的表達式分別為

式中：Ed——動彈性模量；

σdmax -滯回環的最大動應力；

εdmax -滯回環的最大軸向動應變；

A-阻尼比；

A-圖3中滯回環4BCDA的面積；

A8——三角形OAE的面積。

根據在3種圍壓條件下，相同動應力（σd）作用下的振動三軸試驗結果，繪制每個試件振動次數分別為100，400，800，1000，1400，1800，2000的動應力和軸向動應變的關系曲線（滯回環），利用式（l）、式（2）分別計算巖石的動彈性模量和阻尼比。

2.試驗結果及分析

為探討巖石在不同圍壓條件下的動力學特征，對3個粗粒輝長巖試件分別在不同的圍壓（2，3，4 MPa）條件下，施加相同的軸向動荷載（26 MPa），得到振次分別為100，400.800，1000，1400，l800，2000對應的滯回環來研究巖石的變形特征和阻尼特性。

表l、表2分別為粗粒輝長巖在不同圍壓條件下，不同振動次數對應的動彈性模量和阻尼比。

2.1 動彈性模量分析

從表1可以看出：圍壓為3 MPa和4 MPa時，動彈性模量隨振動次數的增加有逐漸增大的趨勢，變化范圍分別為：19.67～20.04GPa和19.72～20.37GPa。平均值分別為：19.86GPa和20.06GPa，變化幅度分別為0.37GPa和0.65GPa。說明在3MPa和4MPa的圍壓應力水平，圍壓對動彈性模量影響不大。圍壓為2MPa時，動彈性模量隨振動次數的變化無明顯的規律性，平均動彈性模量為18.56GPa。粗粒輝長巖在2，3，4MPa 3個不同圍壓條件下，動彈性模量與振動次數的變化關系如圖4所示。可以看出：動彈性模量的平均值隨著圍壓的增加有增大趨勢。隨著圍壓的增加，巖石內部的裂隙、孔洞變小，顆粒接觸得越緊密，巖石抗破壞能力越強，動彈性模量隨之增大。

2.2 阻尼比分析

從表2可以看出：圍壓為2，3，4MPa時，阻尼比隨振動次數的增加都有減小趨勢，平均值分別為：0.100 4，0.0525 ，0.0507，阻尼比與振動次數的變化關系如圖5所示。可以看出：阻尼比的平均值隨圍壓增加逐漸變小，即圍壓越大，阻尼比越小。原因在于高圍壓對巖石產生側向約束，使巖石內部顆粒連接更加緊密，而密實巖石能增加巖石內部波的傳播路徑，減少傳播過程中能量的消耗；而阻尼比的本質就是表征能量損耗多少的參數，因而也隨之減小。圍壓為3MPa和4MPa時，阻尼比的變化相對較小，說明3MPa和4MPa的圍壓水平對巖石的阻尼比影響較小。可以認為巖石在3MPa的圍壓下，巖石內部顆粒之間的空隙閉合已經完全，顆粒處于比較緊密的狀態，所以增加圍壓，對顆粒之間的空隙閉合影響不大。

3.結束語

通過上述試驗和分析得出以下結論：

1）利用程控伺服剛性試驗機，進行巖石較高頻率（5Hz）的三軸振動試驗是可行的。

2）巖石在三軸振動荷載作用下，其破壞強度與振動荷載大小、振動次數和振動頻率等動荷載性質有關。

3）在軸向振動荷載性質不變的情況下，巖石動彈性模量隨著圍壓的增加逐漸增大。隨著圍壓的增加，巖石內部的裂隙、孔洞變小，顆粒接觸得越緊密，巖石抗破壞能力越強，動彈性模量隨之增大。

4）在軸向振動荷載性質不變的情況下，巖石阻尼比隨圍壓增加逐漸變小。增加圍壓，巖石內部顆粒連接更加緊密，而密實巖石能增加巖石內部波的傳播路徑，減少傳播過程中能量的消耗，因而阻尼比隨之減小。