弱風化花崗巖的動態力學特性試驗研究

鄧杰文

（岑溪市計量檢定測試所廣西石材產品質量監督檢驗中心，廣西 岑溪 543200）

0 引言

巖石動力學近幾年來得到了廣泛重視，落實動態力學特性試驗工作，能夠幫助相關人員進一步了解不同巖石的生長狀態以及各種性能，為后續的水下爆破、機械挖掘工作提供參考。從另一角度來看，在實際的調查過程中，結合具體的數據參數情況構建形成相應的模型，了解具體的強度準則，進一步豐富巖石動力學內容，明確弱風化花崗巖的實際情況。

1 動態力學特性試驗的重要性

巖體的動力特性是巖體在動載作用下的力學性質，在礦山破碎等工程中，如常用的鑿巖爆破，不同部位的巖體所受的外力都是具有不同的強度和延時的動載。隨著國家經濟建設水平不斷提高，國防軍事、科研領域方面也在不斷發展，巖土動力學計算是其中的重要內容。但是巖土動力學過程極為復雜，涉及多方面的問題，想要保證計算結果的穩定準確性，就要對影響因素進行分析，通過動態力學特性試驗可以進一步掌握弱風化花崗巖的力學特性，了解沖擊荷載作用下弱風化花崗巖的動態抗壓強度、彈性模量、應變率情況。因此加強對動態力學特性試驗這方面的研究，具有重要意義。在進行巖石動力學計算過程中，動態力學特性試驗中的應變率會對諸多工作的可靠性產生影響，通過針對動態力學特性試驗內容以及具體機制進行研究。由上可知，巖土動力學計算中主要完成的計算任務就是巖土中波傳播情況，而動態力學特性試驗在落實過程中，可以了解試樣應力－應變曲線、動抗壓強度、彈性模量、破壞特征隨應變率的變化規律。想要保證弱風化花崗巖相關開采工作、挖掘工作順利進行，就要對動態力學特性試驗具體內容、結果進行分析。霍普金森桿是一種重要的材料動力特性的工具，將壓力作用于棒的內部，使其產生應力波，并且通過該應力波的傳播，使其產生應力和測量，應力波通過試件時，將引起試件的變形。

2 動態力學特性試驗開展流程

想要分析弱風化花崗巖的巖土動力學情況，就要進一步落實開展動態力學特性試驗，從而在后續的礦產資源開采、巖石存儲工作、水下環境開采中對爆炸載荷特征進行精細化控制。在選擇弱風化花崗巖中，為了確保試驗數據的準確性，對質地、礦物組分含量進行了充分的調查分析，以此減少外部影響因素，提高最終結果的科學性。綜合挑選分析后，最終選擇了質地較為均勻的標準化弱風化花崗巖展開試驗工作，并且借助經過X 光衍射確定了其中含有的礦物質成分，主要包括石英、長石、云母、方解石，石英含量最多。巖石本就是由不同的晶體礦物構成的，而本次試驗選擇的弱風化花崗巖是一種完全晶體的、塊狀的結構。為了進一步確保試驗的穩定開展，對樣品進行了系統的加工制備處理，將試驗樣品直徑與高度誤差控制在允許范圍內，以減小試驗數據的離散性。不僅如此，為了保證試驗數據的對比性，選擇了五種不同狀態下的弱風化花崗巖，包括：為天然狀態、飽水狀態以及3 種不同酸性環境中的弱風化花崗巖，通過這種方式，可以為不同的開采、爆破、挖掘環境提供參考。例如，在爆炸中需要使用到一噸的TNT，通過對爆心距某一位置處的壓力波形情況，得到壓力波形圖，從而就可以結合壓力波形中的載荷等效曲線，確定外載荷周期，才能夠更好開展后續工作。而在動態力學特性試驗在開展過程中，旨在通過超聲脈沖技術實現對縱波波速的確定，并且確定不同等級氣壓下沖擊試驗數據，挖掘其中可能存在的線性關系。

3 動態力學特性試驗數據分析

3.1 動態強度

縱波速度對巖體內部的微缺陷的發展十分敏感，因而可以作為一種有效的巖體損傷評估方法。利用具體的試驗數據，借助相關試驗手段，對天然、飽水和酸性介質中的花崗巖樣品進行了試驗，在關于動態強度方面得到以下結論。

在進行一次撞擊后，在滲透測試結束后，再進行一定程度的持續的撞擊，直到達到極限。通過對試件的反復沖擊試驗，可以看出在適當的松散后，試件的穩定狀況。4 個試件在不同的撞擊速率下，其動力強度隨時間的變化而變化。巖石試件在不同撞擊速率下的動壓比由曲線可知，在4.00m/s 時，巖石的動力壓縮強度是最小的，且隨沖擊速率的增加而增加。在低撞擊速率條件下，試件要進行多次撞擊才能到達破壞狀態，且隨著撞擊次數的增加，巖石試件受到的傷害也會隨之增加，再加上裂縫的連續穿透和新的裂縫，巖石試件的耐受力會繼續下降，最后的動壓比也會隨之減小。在不同孔隙率下進行的反復撞擊試驗，得出了隨著撞擊次數增加，巖石中的峰值應力呈現出由高至低的規律。但在相同撞擊速率下，不同的空隙率變化并沒有顯著的規律性，而在較低的強度下，其內部的孔隙構造是一種非常復雜且不規則的類型，其破裂本質上是由裂縫的生成與擴張所致，且隨著撞擊次數的增加，其變形也是隨機的。在受應力波影響后，弱風化花崗石的內壁發生了破壞，裂縫擴大，孔隙率增大。通過不同撞擊速率的試件的空隙率的比較發現，撞擊速率為4.00～6.00m/s 時，孔隙率增加迅速，7.00m/s 時降低，而6.00m/s 和7.00m/s的沖擊速率下，孔隙增加明顯。

3.2 變形特征

在沖擊載荷下，天然狀態的動態累積損傷在二次撞擊后有下降的趨勢，而飽和樣品則基本保持了累積損傷隨著沖擊次數的增加而增加的趨勢。結果表明：飽和樣品的裂縫充滿了水，其抗壓性能優于空氣，在沖擊時，由于水的抗壓作用阻礙了孔隙的封閉，從而導致了整體的孔隙增加，從而導致了破壞程度的增加。相對于水分，空氣的抗壓能力要弱于水，因此，在沖擊下，試樣的孔隙易于閉合，以減少損傷。而與應力波在天然狀態試件中的傳播相比，它更易于穿過巖體與水的結合面，從而減少了反射和繞射，對孔隙壁的負荷也是有限的。因此，與天然狀態樣品相比，飽和試樣的裂紋更難閉合。在有較大孔隙的情況下，天然狀態試樣品中的小孔隙在沖擊前后基本不變，以大孔隙和中等孔隙為主，而小孔、中等孔隙和大孔隙則基本不變；在中、小孔隙占主導地位的試件，中孔孔隙隨沖擊次數的增大而逐漸增大，而小孔隙則逐漸減少；飽和試件在一次撞擊后，中等孔隙基本消失，以小孔隙為主，在二次撞擊后，孔隙仍以小孔隙為主，與首次撞擊相比沒有明顯的改變。總而言之，在風化花崗巖動力破壞過程中，水能減緩其發展。通過對天然狀態、飽和試驗樣品的NMR 圖像的比較，發現在一定的沖擊載荷作用下，天然狀態的孔隙比飽和樣品的變化要大得多，這說明在飽和狀態下，風化花崗巖樣品的動態累積損傷要比天然狀態小，從側面反映出，在相同的破壞程度下，飽和樣品的耗能要大得多[1]。

4 動態力學特性試驗結論分析

4.1 綜合分析

通過動態機械性能試驗，對自然，飽水，pH 分別為2、4、6 的弱風化花崗巖進行了動力壓縮試驗，對其應力－應變曲線、動壓強度、彈性模量、破壞特征隨應變速率的變化規律進行了分析。在受沖擊載荷時，樣品的應力－應變曲線與靜壓曲線的變化規律大致相同，可分為4 個階段：壓密階段、彈性階段、應力屈服階段和卸載階段，其區別在于，沖擊是一剎那的，當應力速率很高時，一些樣品的內部裂縫沒有完全封閉，直接進入彈性階段，隨著應變率的增大，壓密階段縮短。在沖擊加載下，弱風化花崗巖的動態抗壓強度和彈性模量都隨應變速率的增加而增加，并呈現出顯著的應變效應。綜合來看，強度和彈性模量比動態抗壓強度和彈性模量都要大。在飽水期，弱風化花崗巖樣品的縱波速度隨酸液的變化而增加，而在酸性溶液中則表現出降低的趨勢；另外，水和酸液都會影響試樣的動態抗壓強度和彈性模量，在應變速率相同的情況下，試樣的動抗壓強度和彈性模量隨著pH 的降低而降低。試樣的破裂特性與應變速率、加工條件有關，在應變速率下，花崗巖樣品全部破碎，變形速率愈高，破碎愈大，粒徑愈小。反之，應變速率低時，試樣出現軸向斷裂，以拉應力為主，隨著應變速率增加，試樣的斷裂主要受到拉剪力作用的影響。最終出現壓碎破壞在同樣的應變率下，因酸性溶液H+與礦物發生化學反應，使試樣發生軟化，壓實后破壞程度愈高，試樣的粒徑愈小[2]。

4.2 影響因子

從以上的研究內容可以看出，應力波的落實效果越好，試驗數據的精度越高，爆炸的數量越少，所得到的經驗公式、結果也就越準確。應力波當量的影響因素中，最重要的一個因素是爆破縮率，這是由壓力波的作用時間和應力波當量的特定關系來確定的。通過對試驗數據的分析，發現壓力波的作用時間與當量的1/3 次方成正比。由此可以得出，當爆炸當量增大時，所產生的爆炸載荷波長也會相應地增大。例如，當波長中的柵格數量達到16 時，就可以精確地計算出所有的物理量，而當波長越長，柵格的數量就越多，數值就越大。總體而言，在相同的動力性能試驗中，隨著爆炸當量的增加，數值計算的精度也比較高[3]。

隨著撞擊速度的增加，入射波及反射波也會增加，但透過波的大小隨著試件內部裂縫的增加而增加。在低速沖擊時，由于沒有足夠的能量來產生新的裂縫，從而使試樣更致密，使更多的應力波通過巖石而通過，當沖擊波的速度增加時，壓力波的強度會增加，在一定程度上會產生新的裂縫，從而使樣品的孔隙度變得疏松，從而加劇反射、折射和繞射，降低了傳輸波長。

試件的動態應變隨沖擊次數和孔隙率的增加而增大，不受含水量影響。另外，飽和試件的變形速率比天然狀態試件要大，由于裂縫中的填充物受到水的作用，會發生由固體到塑態再到液體的弱化，從而導致試件整體呈現軟化的現象。循環沖擊作用下，風化花崗巖的彈性模量隨時間推移呈現逐漸降低和先增加再降低的趨勢，即充分水試樣的抗沖擊強度越高，在一定的撞擊次數下，彈性模量就會逐漸趨于穩定，而天然狀態則沒有這種特性，說明在沖擊過程中，試件內部裂縫的變化是不同的，而且水的存在也會對試樣的彈性模量產生明顯的影響。風化后的花崗巖試件的彈性模量隨孔隙率的增加而降低，而飽和試件的彈性模量降低得較快，天然狀態試件的彈性模量則趨于平穩。由于自然巖石內部裂縫的非規則性，在不同的沖擊次數下，各樣品的峰值應力值都會隨沖擊次數的增加而降低。隨著孔隙率的增加，試件的應力總體上呈降低趨勢，并且有一個臨界值，孔隙度低于該值后，應力總體上呈下降趨勢，但出現顯著的分散性，超過該范圍后，應力峰值趨于平穩，并且飽和試件相應的特征值比天然狀態試件大[4]。

此外，在動力性能測試中，時間步長系數也有不同程度的差異。要確定時間步長系數，首先要明確時間步長的先后次序，而一般的顯式方法則能獲得最佳解，而在實踐中，最常用的方法是中心差分法。但是，在此基礎上，需要對各單元的特征長度進行進一步的界定，并據此求出關鍵時刻步長，進而得出該單元的特征長度。在這種情況下，如果要解決某些動力性試驗數據中的小變形問題，則必須保證該單元的特征長度不變，從而使關鍵時刻步長不會改變。但在一些特定的條件下，其特征長度也會隨之變化，從而影響到關鍵時刻的步長。在LS-DYNA3D 程序中，單元的特征長度與關鍵時刻步長呈正相關，因而使用了變步長增量求解方法。另外，在求解有限時間步長的過程中，需要通過動力性能測試數據來求解三維實體單元，在這個過程中，必須確定單元的體積、單元體積、單元最大邊的面積等數據。在計算精度方面，時間步長系數對試驗結果的影響很大，通過對不同時程系數的計算，得出最優步長系數為0.05[5]。

5 結語

綜上所述，通過對巖石動力學計算中動態力學特性試驗落實分析后發現，要根據載荷特征以及波傳播介質的屬性具體確定弱風化花崗巖的具體性能情況，在開展動態力學特性試驗的過程中，想要確保數據的準確性，還需要對動態力學特性試驗進行細化分析，結合具體數據分析變化規律，了解壓力、速度、位移波形等方面參數數據可能會對弱風化花崗巖帶來的影響。不僅如此，在動態力學特性試驗帶動下，弱風化花崗巖機制數據也會更加準確，步長系數、爆心距、應力波當量等因素都會帶來不同的結果，由此在實際工程中，可以更加科學地完成試驗工作。