不同沖擊荷載下花崗巖力學(xué)特性試驗研究

不同沖擊荷載下花崗巖力學(xué)特性試驗研究

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國土木工程行業(yè)發(fā)展迅速，新建項目數(shù)量日益增多。工程領(lǐng)域的許多問題包括巖石動態(tài)荷載下的動態(tài)性質(zhì)和破壞，如隧道開挖、采礦和爆炸防護工程。巖石動態(tài)加載下的力學(xué)性能的表現(xiàn)特征和破碎能耗的演化過程非常復(fù)雜。由于動負荷作用時間短，巖石的動載力和動壓力差異很大，破碎能量也會發(fā)生變化。為了測量和評估巖石動力破壞的難度，有很大的誤差。因此，在輻射影響下研究巖石動態(tài)行為和能量浪費屬性具有重要的理論意義和實用價值。近年來,許多學(xué)者對巖石的動力性能展開研究:劉軍忠等綜上,目前巖石動力特性研究已取得不少成果,但以往對巖石動力特性的研究多集中在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段和動態(tài)抗壓強度等方面,而對應(yīng)變率曲線特征以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段行為的研究尚不多見.本文擬采用SHPB對黑云母花崗巖進行單次和重復(fù)沖擊壓縮試驗,首先考察能量耗散對試樣破壞形態(tài)的影響,然后探討應(yīng)變率曲線的變化規(guī)律,最后對應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征進行分析,力求得出具有參考價值的結(jié)論.1測試準備1.1沖擊彈速的確定試驗采用的黑云母花崗巖試樣取材湖南汨羅地區(qū),巖樣外觀呈灰白色,屬于中細粒黑云母花崗巖.該花崗巖的平均密度為2600kg/m試驗設(shè)計為單次和重復(fù)沖擊兩種加載方式,通過固定子彈位置并調(diào)節(jié)沖擊氣壓來控制彈速.為確定單次沖擊合理的彈速值,先對試樣進行預(yù)沖擊,以試樣破裂并有碎片出現(xiàn)作為沖擊彈速最低臨界值,由此確定單次沖擊的5個彈速分別為12.5,13.6,15.2,16.8和18.6m/s;對于重復(fù)沖擊試驗的彈速,確立依據(jù)是首次沖擊后試樣須完好,且試樣承受的最大重復(fù)沖擊次數(shù)限定在30次以內(nèi),依此選定4個彈速為7.2,8.5,10.0和11.5m/s.為降低測試數(shù)據(jù)的離散性,每種彈速準備3個試樣,并取接近測試數(shù)據(jù)平均值的試樣進行分析.1.2試樣應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力SHPB裝置見圖2,主要由子彈(撞擊桿)、壓桿(入射桿和透射桿)、吸收桿及緩沖器組成.撞擊桿、入射桿和透射桿的長度分別為400,2400和1800mm.壓桿采用高強度合金鋼制成,波速為5172m/s,彈性模量為210GPa.在高壓氣體作用下子彈以一定速度根據(jù)試樣與壓桿的界面條件以及一維應(yīng)力波理論,試樣的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力計算如下,(1),(2).(3)式中:2試驗結(jié)果的分析2.1試樣應(yīng)力時程曲線試驗過程中,在試樣兩端涂抹凡士林,以降低桿件與試樣之間摩擦.為保證試樣在加載過程中達到應(yīng)力均勻,在入射桿撞擊端面中心位置粘貼直徑10mm、厚度1mm的橡膠片作為波形整形器(見圖2)圖4為試樣單次沖擊下應(yīng)力時程曲線,可以看出,不同彈速下入射波曲線形狀比較相似,且入射波峰值隨彈速的增加而增大,但透射波差別較大.圖5為試樣重復(fù)沖擊彈速2.2單次影響下試驗結(jié)果的分析2.2.1變異性與破壞形態(tài)巖石試樣在沖擊荷載作用過程中發(fā)生破碎,其吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為破碎耗散能和彈射動能.根據(jù)文獻,(4)=式中:表1列出了單次沖擊下的彈速、入射波峰值應(yīng)力、應(yīng)變率及比能量數(shù)值,其中試樣編號中首個數(shù)字“1”代表單次沖擊.可以看出,隨著彈速的增加,入射波峰值應(yīng)力、應(yīng)變率和比能量都呈逐漸增大的趨勢.圖6為單次沖擊下比能量與應(yīng)變率的關(guān)系,可以看出,比能量隨應(yīng)變率的增加而增加,表現(xiàn)出較強的線性關(guān)系.圖7顯示了動態(tài)抗壓強度與比能量的關(guān)系,通過擬合可發(fā)現(xiàn)動態(tài)抗壓強度與比能量呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系,因此,比能量在一定程度上可以反映出動態(tài)抗壓強度的變化趨勢.當應(yīng)變率較小時,試樣的破損較小,彈性階段吸能較大,因此,強度隨比能量增加而增大較快;隨應(yīng)變率增大,試樣后期破損嚴重,消耗大量能量,強度隨比能量增加而趨于穩(wěn)定.圖8為單次沖擊下試樣的破壞形態(tài).可以看出,試樣破壞程度隨比能量的增加而增大,由塊狀變?yōu)榧毩?由于試樣在沖擊荷載作用下,獲得的能量將以材料內(nèi)部裂紋萌生、擴展和貫通的形式耗散,因而破壞程度與比能量有關(guān).在比能量較大時,更多的裂紋被激活并匯聚貫通,當累積裂紋密度達到某一閾值時,導(dǎo)致巖石材料發(fā)生粉碎性破壞;而比能量較低時,巖樣內(nèi)部裂紋數(shù)量相對減少,破碎塊體較大.2.2.2應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)分析圖9為不同彈速單次沖擊下試樣的應(yīng)變率曲線.可以看出,應(yīng)變率曲線出現(xiàn)“雙峰”特征,該現(xiàn)象主要與試樣破碎程度有關(guān).當試樣破碎嚴重時,巖石性能發(fā)生顯著變化,與桿件波阻抗嚴重不匹配,導(dǎo)致應(yīng)力波大部分反射回入射桿,因此形成第2波峰,其能較好反映出試樣的破碎程度圖10為單次沖擊下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看出,在加載階段中后期,曲線斜率逐漸減小,表明試樣內(nèi)部裂紋不穩(wěn)定傳播擴展,產(chǎn)生塑性變形,傳遞荷載能力逐漸降低.當應(yīng)變率較小時,曲線峰后階段應(yīng)變隨應(yīng)力的降低而減小,出現(xiàn)回彈現(xiàn)象,這主要因為試樣破壞程度較小,試樣仍具有一定承載能力,部分能量在峰后釋放.當應(yīng)變率較大時(如170.0/s),峰后段應(yīng)變繼續(xù)增加,對應(yīng)的應(yīng)力逐漸降低,試樣失去承載能力.2.3在重復(fù)攻擊下的試驗結(jié)果的分析中2.3.1循環(huán)沖擊下累積比能量與累積比能量的變化規(guī)律探討重復(fù)荷載作用下巖石的力學(xué)特性,有助于正確認識巖體的破壞機理,進而科學(xué)地評價巖體的長期穩(wěn)定性.為了分析重復(fù)沖擊下花崗巖的能量特性,定義累積比能量.(6)式中:表2列出了入射波峰值應(yīng)力、沖擊次數(shù)、累積比能量及試樣破壞程度,其中試樣編號首數(shù)字“2”代表循環(huán)沖擊.可見當入射波峰值應(yīng)力為92.8MPa時,試樣在30次重復(fù)沖擊作用下的累積比能量為0.82J/cm圖12為不同彈速重復(fù)沖擊下峰值應(yīng)力與累積比能量隨沖擊次數(shù)的變化.可以看出,不同彈速下,隨著沖擊次數(shù)的增加,峰值應(yīng)力逐漸降低,而累積比能量逐漸增大.這主要由于沖擊荷載作用下,巖石內(nèi)部原始裂紋由于應(yīng)力集中起裂,且隨著沖擊次數(shù)的增加累積比能量增加,導(dǎo)致更多的裂紋擴展貫通,形成宏觀裂紋引起巖樣斷裂,因此,巖石承載能力逐漸降低.同時,隨著沖擊次數(shù)的增加,整體上累積比能量的增加幅度逐漸增大,比能量呈現(xiàn)出增大的趨勢,說明隨著沖擊次數(shù)的增加,試樣吸能逐漸增加,當達到一定程度時,吸能快速增加導(dǎo)致試樣發(fā)生破壞.2.3.2應(yīng)力應(yīng)變曲線圖13為不同重復(fù)彈速下應(yīng)變率曲線.可以看出,應(yīng)變率持續(xù)增長時間為60～70μs,之后開始逐漸降低.隨著沖擊次數(shù)的增加,應(yīng)變率峰值逐漸增大,同時應(yīng)變率降低為負值的時間逐漸增加,表明峰值應(yīng)變逐漸增大.當重復(fù)彈速圖14為不同彈速重復(fù)沖擊下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看出,當試樣未發(fā)生破壞時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本分為彈性加載、損傷演化和峰后回彈3段.處于彈性加載階段時,表現(xiàn)為應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而近似線性增加;當加載段由直線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍€時,表明試樣產(chǎn)生損傷,微裂紋不穩(wěn)定增長和傳播;卸載階段,試樣彈性變形逐漸恢復(fù),應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)回彈現(xiàn)象.同時,隨著沖擊次數(shù)的增加,回彈線與加載包絡(luò)線面積有增大趨勢,說明試樣損傷逐漸加劇.隨著試樣損傷的累積,其彈性加載段逐漸變短,直接進入損傷演化階段,試樣裂紋不穩(wěn)定擴展并逐漸貫通,導(dǎo)致試樣發(fā)生破壞.應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段形狀與試樣破壞形態(tài)有關(guān),例如彈速根據(jù)以上可知,試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段形狀與吸收能量有關(guān).單次沖擊下,比能量隨著應(yīng)變率的增加而增加,試樣破壞程度逐漸加劇.因此,應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后段的回彈現(xiàn)象將逐漸減弱,應(yīng)變軟化特征逐漸明顯.重復(fù)沖擊下,能量是逐漸累積的過程,應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后段大多出現(xiàn)回彈現(xiàn)象.當試樣發(fā)生破壞時,隨著累積比能量的增加,試樣破壞程度逐漸增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后段回彈現(xiàn)象漸弱,出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象.3重復(fù)沖擊下應(yīng)變率曲線特征結(jié)果—結(jié)論1)單次沖擊下,試樣破壞形態(tài)與比能量有關(guān),隨著比能量的增加,試樣破壞程度逐漸增大,由塊狀變?yōu)榧毩?重復(fù)沖擊下,損傷累積到一定程度試樣發(fā)生破壞,且破壞程度隨著累積比能量的增加而加劇.2)單次沖擊下,應(yīng)變率曲線出現(xiàn)明顯的“雙峰”特征,且隨著入射波峰值應(yīng)力的增加,第2峰逐漸高于第1峰;重復(fù)沖擊下,隨著沖擊次數(shù)的增加,應(yīng)變率曲線的峰值逐漸增大,當試