三維動靜組合加載下砂巖力學(xué)特性試驗研究

三維動靜組合加載下砂巖力學(xué)特性試驗研究

1巖體力學(xué)特性隨著國家經(jīng)濟和國防結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，地下空間（包括采礦、水電、地下保護等）的開發(fā)變得越來越深入，其中包括深度巖石項目。以金屬礦山開采為例,據(jù)不完全統(tǒng)計,國外開采超千米深的金屬礦山有80多座,其中Anglogold公司的西部非洲金礦達到了地下深度3800m。在我國,已有一批金屬礦山進入深部開采。例如紅透山銅礦開采深度達900~1100m,冬瓜山銅礦達1100m,夾皮溝金礦達1200m,靈寶崟鑫金礦已達1500m。為保證深部巖石結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定,并減小深部工程災(zāi)害事故的發(fā)生,越來越多的專家和學(xué)者把研究注意力和重心投向深部巖石力學(xué)這一領(lǐng)域。很多資料顯示,深部巖石表現(xiàn)出與淺部巖石非常不同的力學(xué)特性。在高地應(yīng)力作用下,總體上巖石的強度隨深度的增加有所提高,而且?guī)r石更脆,這是所有深部巖石工程問題發(fā)生的介質(zhì)屬性基礎(chǔ);同時深部巖石工程進行施工建設(shè)時,必須考慮爆破開挖擾動或沖擊機械擾動下這一外在動力影響因素。把這2種因素共同考慮,即屬于典型的巖石動靜組合加載問題。為了研究動靜組合加載下巖石的力學(xué)特性,馬春德等利用特制的一維水平靜壓裝置和Instron電液伺服材料試驗機組合分別進行了低中應(yīng)變率范圍內(nèi)一維和二維動靜組合加載下紅砂巖破壞的試驗;X.B.Li等則基于改造的SHPB系統(tǒng)對高應(yīng)變率范圍內(nèi)一維動靜組合加載下巖石的力學(xué)特性進行了研究,并對巖石的強度特性、變形規(guī)律、能量規(guī)律和破壞模式等進行了分析,所得研究結(jié)果對一維動靜組合加載下工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題分析有一定參考價值。實際上,很多情況下工程巖體不止處于一維動靜組合加載下的受力狀態(tài),而是處在多維動靜組合受力狀態(tài)。多維動靜組合受力狀態(tài)最明顯的是深部巖體開采工程。以深部采礦為例,如圖1所示,深部礦體和圍巖在遭受炸藥爆破、機械鉆掘等動載荷作用前,已經(jīng)承受了來自地應(yīng)力、自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等高靜應(yīng)力作用,處于一維或三維受力狀態(tài)。顯然,研究預(yù)靜應(yīng)力條件下巖石動靜組合強度和變形性質(zhì),比單純研究靜載荷或者動載荷對巖石的影響要更加合理,對科學(xué)認識深部巖石的力學(xué)特性并保證工程結(jié)構(gòu)的安全也有一定的工程意義。進行具體的科學(xué)研究時,對巖石受高地應(yīng)力和動載荷作用下的受力狀況進行提升和簡化,如圖1(a)中A,B兩點的受力狀態(tài)可簡化為如圖1(b),(c)所示的受力狀態(tài)。圖1(b)可以認為是一維動靜組合受力狀態(tài),圖1(c)則可以認為是三維動靜組合受力狀態(tài)。針對“高靜應(yīng)力+動力擾動”的三維動靜組合加載下的巖石力學(xué)特性,目前已有部分研究成果。崔棟梁等對三維動靜組合加載條件下砂巖在不同水平軸向靜壓和不同水平圍壓下受相同應(yīng)力波擾動作用時的力學(xué)響應(yīng)和破壞特征進行了一系列研究,得到了很多研究結(jié)論,他們雖然對“三維高靜應(yīng)力+動力擾動”的組合作用進行了研究,但是在高應(yīng)力(圍壓、軸壓)可控的條件下,對動力擾動沒有采取統(tǒng)一的衡量指標進行比較。因此,在“高靜應(yīng)力+動力擾動”組合作用條件下,本文以宮鳳強等研究為基礎(chǔ),從擾動載荷加載量級的尺度出發(fā),在圍壓或軸壓可控的條件下,利用相同的應(yīng)變率作為具體的衡量指標對試驗結(jié)果進行比較,從“點”的概念出發(fā)著重考察相同應(yīng)變率下圍壓、軸壓以及圍壓–軸壓對巖石力學(xué)特性的影響。2三維動靜組合加載下砂巖力學(xué)試驗2.1巖性試樣加工試驗選取完整性和均質(zhì)性較好的砂巖作為研究對象。試樣尺寸取為φ50mm×25mm(直徑×長度),長徑比為0.5。按照巖石力學(xué)試驗性能測試要求加工試樣,對試樣2個端面進行仔細打磨,使其不平行度和不垂直度均小于0.02mm,加工好的代表性砂巖試樣如圖2所示。砂巖靜載物理力學(xué)參數(shù)見表1。2.2試驗系統(tǒng)及試驗材料一維動靜組合加載試驗中試樣的受力和載荷組合示意圖見圖3。圖3中Pas為軸向預(yù)加靜載荷,Pd為動態(tài)沖擊載荷,試樣幾何尺寸如圖1(a)所示。圖4為自行研制的基于SHPB裝置的三維動靜組合加載試驗系統(tǒng)示意圖。圖5和6分別為組合加載試驗系統(tǒng)中的軸壓和圍壓裝置,該系統(tǒng)的詳細介紹可參考X.B.Li等的研究。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)跟一般SHPB系統(tǒng)類似,對巖石進行了沖擊試驗時,所得試樣應(yīng)變率為102~103s-1。輸入桿和輸出桿的桿徑均為50mm,采用試樣與桿等徑加載方式進行沖擊。加載波為可以恒應(yīng)變率加載的半正弦波應(yīng)力脈沖。2.3試驗土地的壓壓對砂巖進行三維動靜組合沖擊加載試驗,需要綜合考慮圍壓、軸壓和應(yīng)變率之間的關(guān)系。參照X.B.Li等的研究結(jié)論“軸向靜壓在巖石靜壓強度的70%前,巖石的沖擊抗壓強度比純動載和純靜載受力時都高,靜載一定增加動載,巖石表現(xiàn)出率相關(guān)性”。試驗中軸向靜壓取為60,80和100MPa,分別相當于靜載抗壓強度的52%,70%和96%。同時考慮圍壓的影響,本文分別選取2個圍壓水平5,10MPa。進行同系列試驗后,選取應(yīng)變率相對比較接近的試驗結(jié)果整理在一起,如表2所示。3在動態(tài)組合的基礎(chǔ)上，分析了砂巖試驗的結(jié)果3.1加載力對砂巖應(yīng)力–應(yīng)變變化規(guī)律的影響圖7為無圍壓不同軸壓下沖擊加載得到的砂巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線,圖中同時給出了常規(guī)沖擊(軸壓為0MPa)下砂巖的應(yīng)力–應(yīng)變試驗曲線。從圖7中可以看出,在軸壓作用下,砂巖的抗壓強度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,彈性模量的變化趨勢也有類似的規(guī)律,這一點在宮鳳強等研究中已經(jīng)有詳細討論。圖8為砂巖在三維動靜組合加載下的應(yīng)力–應(yīng)變試驗曲線。圖中顯示,在圍壓相同的條件下,砂巖的應(yīng)力–應(yīng)變曲線隨著軸壓改變而表現(xiàn)出來的規(guī)律性變化在整體上基本一致。對于圖8,在組合加載初期,3種軸壓水平下的試驗曲線可以看作重合,后來隨著加載力的提高開始出現(xiàn)不同的變化。相對于其他2種軸壓加載情形,在相同的應(yīng)變狀態(tài),軸壓為60MPa時砂巖的變形模量最大,而且應(yīng)力–應(yīng)變曲線大部分區(qū)段接近于直線狀態(tài)。隨著軸壓的增大,砂巖試樣的模量開始減小,表現(xiàn)為應(yīng)力–應(yīng)變曲線的切線斜率開始降低。當軸壓增大到100MPa時,試驗曲線開始非線性變化,說明此時砂巖內(nèi)部損傷加劇,部分微元體承載能力降低甚至失效,表現(xiàn)為試樣砂巖模量的逐漸減小。由于受三維應(yīng)力組合加載,而且抗壓強度較高(靜載抗壓強度為115MPa),因此不論加載力大小,巖石在經(jīng)受沖擊即使內(nèi)部發(fā)生破壞后,仍然會有一定的整體承載能力,因此試驗曲線中的全應(yīng)變總會出現(xiàn)回彈的現(xiàn)象。說明沖擊加載過程中巖石內(nèi)部會儲存一部分彈性能,在加載后期當加載力小于巖石彈性力時,巖石的壓縮應(yīng)變開始回彈,總應(yīng)變開始降低。這一點不同于常規(guī)沖擊加載和一維動靜組合加載。在常規(guī)沖擊和一維動靜加載時,巖石的側(cè)面都是臨空面,在泊松效應(yīng)作用下可以自由發(fā)生變形,加載力較小達不到巖石破壞強度時,巖石內(nèi)部可以儲存部分彈性能,在加載后期也會出現(xiàn)總應(yīng)變減小的現(xiàn)象。但是當加載力過大時,巖石的吸收能就會轉(zhuǎn)化為巖石膨脹變形所需能量以及破裂剝落巖片的動能,總應(yīng)變會持續(xù)增加,這一點在圖7中可以看到。另外,圖8中還顯示破壞應(yīng)變有隨軸壓增大而增大的趨勢。圖9為軸壓一定圍壓變化情況下組合加載得到砂巖的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。圖中砂巖的應(yīng)力–應(yīng)變曲線隨著圍壓改變而表現(xiàn)出來的規(guī)律性變化也基本一致。在軸壓一定時,圍壓的改變對砂巖在加載前期的影響不大,各條試驗曲線在加載初期表現(xiàn)可以看作近似一致。但是在加載后期,圍壓對試驗曲線的影響會較大,主要表現(xiàn)在2個方面:(1)圍壓較大情況下砂巖的彈性模量在加載后期仍然保持原來的水平,基本不會降低,但是圍壓較低情況下砂巖的彈性模量會出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象;(2)圍壓較大情況下砂巖會表現(xiàn)出較高的抗壓強度,而圍壓較低時的強度跟無圍壓情況下差別不大。上述分析說明圍壓增大強化了砂巖的抗壓能力,對砂巖變形和強度的變化產(chǎn)生較大的影響。圖10(a)為不同圍壓下砂巖抗壓強度隨軸壓的變化規(guī)律?？梢钥闯?不論是有圍壓還是無圍壓情況,整體上砂巖的抗壓強度都會隨著軸壓的增大而逐步減小,基本呈現(xiàn)線性遞減趨勢。在圍壓為5MPa時,砂巖的抗壓強度跟無圍壓情況下差別不大。但是當圍壓增大到10MPa,砂巖的抗壓強度會有較大提高。如軸壓為100MPa,圍壓為10MPa時的抗壓強度為307.67MPa,而此時對應(yīng)的圍壓5MPa和無圍壓的抗壓強度分別為240.22和232.66MPa,前者分別是后兩者的128%和132%。圖10(b)為不同軸壓下砂巖抗壓強度隨圍壓的變化規(guī)律。圖中顯示,隨著圍壓的增大,抗壓強度有增大的趨勢,這一點跟低應(yīng)變率段下砂巖抗壓強度的變化規(guī)律類似。通過應(yīng)力–應(yīng)變曲線考察彈性模量的變化。根據(jù)標準,通常用平均模量和割線模量表示。平均彈性模量Eav,有時也簡稱彈性模量,通過計算軸向應(yīng)力–應(yīng)變曲線上近似直線部分的平均斜率而得到,目前應(yīng)用最廣。平均彈性模量雖然意義明確,但是起始點和終點的選取會直接影響模量的取值。例如:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT–150C試驗機自帶的計算機處理系統(tǒng)默認為起始點為峰值應(yīng)力的30%,終點為峰值應(yīng)力的70%,取這2點間的斜率為平均彈性模量。但是在實際試驗過程中,應(yīng)力–應(yīng)變曲線不一定是試驗系統(tǒng)所設(shè)置的范圍,需要人為做出判斷。因此,即使對同一條曲線,經(jīng)過不同試驗人員的處理會得到不同的結(jié)果。對于割線模量來說,優(yōu)點在于確定數(shù)值時比較方便。取最大應(yīng)力值的1/2,然后找到相應(yīng)的應(yīng)變值,再跟原點連成直線,很容易得到該直線的斜率,即為割線模量的具體數(shù)值。雖然割線模量會受到加載初期下凹段變形的影響,離散性較大,但仍然是反映砂巖整體壓縮變形的一個重要參考值。在巖石動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線中,要確定平均彈性模量和割線模量更加復(fù)雜。主要表現(xiàn)在:(1)目前國內(nèi)外都還沒有如何確定動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線彈性模量(包括平均彈性模量和割線模量)的規(guī)范方法;(2)動態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線的變化趨勢不同于靜態(tài)應(yīng)力–應(yīng)變曲線。和靜載壓縮曲線相比,可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)曲線有時不存在明顯的直線段。因此,在沒有規(guī)范方法的情況下,即使參照靜載曲線的原理來確定動載曲線的平均模量,也無法確定起始點和終點。因此,本文以割線模量作為衡量指標進行對比,即式中:E50為巖石的割線模量(GPa),σd50為動態(tài)抗壓強度峰值50%時的應(yīng)力值(MPa),εd50為σd50對應(yīng)的軸向應(yīng)變值。為了更好地考察巖石模量的變化,對巖石應(yīng)力–應(yīng)變加載曲線簡化為2段(見圖11),并定義第二類割線模量,即巖石應(yīng)力–應(yīng)變曲線上峰值強度和峰值強度的1/2值兩點處的斜率,并用E250表示。圖12為不同圍壓(軸壓)下砂巖割線模量隨軸壓(圍壓)的變化規(guī)律。從圖12中可以看出,計算得到的割線模量值存在一定的離散性,離散程度已經(jīng)把其中可能存在的微小變化規(guī)律淹沒了。因此,割線模量可以認為是和軸壓、圍壓無關(guān)的量。此時需要注意的是,由于割線模量是利用抗壓強度的1/2值及對應(yīng)應(yīng)變計算得到的,因此在加載前期割線模量可以認為是常量,但是從圖9中可以看出,不同軸壓下砂巖變形的彈性模量在加載后期會有較大變化。圖13為砂巖第二類割線模量變化規(guī)律。從圖13中可以看出,軸壓和圍壓對第二類割線模量的影響也比較有規(guī)律性。當圍壓一定時,第二類割線模量隨軸壓增加而遞減;當軸壓一定時,第二類割線模量隨圍壓而遞增。說明在加載后期,軸壓對砂巖內(nèi)部的裂紋起催生作用,從而弱化微元體的承載能力,導(dǎo)致割線模量降低。圍壓起到的作用恰恰相反,可以抑制裂紋的萌生和擴展,強化了微元體的承載能力,因此割線模量會增加。關(guān)于軸壓和圍壓對巖石強度的影響,國內(nèi)外很多學(xué)者進行了大量研究,本文研究結(jié)果跟H.B.Li等的結(jié)論一致。3.2圍壓時砂巖單位體積釋/吸能隨軸壓的變化規(guī)律三維動靜組合加載下巖石內(nèi)部能量的傳遞由于涉及影響因素較多,因此比較復(fù)雜。本文以表2中砂巖試驗所得到的有關(guān)能量數(shù)據(jù)進行定性分析。各項能量傳遞的求解過程如下:根據(jù)SHPB試驗中利用入射波σI(t)、透射波σT(t)和反射波σR(t)的應(yīng)力曲線以及SHPB試驗加載原理和能量守恒定律,通過如下公式計算得到各項能量:式中:A為壓桿截面積;ρs為試樣密度;C0為應(yīng)力脈沖即彈性應(yīng)力入射波在入射桿中的波速;EI,ER,ET,EA和EV分別為沖擊過程中的入射能、反射能、透射能、吸收能和試樣單位體積耗能;Vs為試樣體積。圍壓一定軸壓變化以及軸壓一定圍壓變化情況下砂巖沖擊過程能量的傳遞規(guī)律見圖14。圍壓一定砂巖單位體積釋/吸能隨軸壓變化的規(guī)律見圖14(a)。圖14(a)中顯示,不論圍壓如何變化,當圍壓一定時,從整體上看砂巖單位體積釋放能會隨著軸壓的增大而降低,當常規(guī)靜載軸壓比為0.6~0.7時,轉(zhuǎn)化為吸能狀態(tài)。這一點跟宮鳳強等的研究結(jié)論互相對應(yīng),說明即使有圍壓作用,在軸壓比為0.6~0.7區(qū)段內(nèi),仍然是砂巖釋放能和吸收能進行轉(zhuǎn)變的一個臨界區(qū)間。但是由于受圍壓作用,砂巖內(nèi)部比單純受軸壓作用時儲存了更多的能量,因此在動力擾動下會釋放出更多的能量。例如在無圍壓軸壓為60MPa的釋放能為1.48J/cm3,當軸壓不變同時存在5和10MPa圍壓時的釋放能則分別為4.31和11.08J/cm3,增長倍數(shù)分別為2.92和7.50。該圖也說明即使存在圍壓,即砂巖處于三維受力狀態(tài),在沒有臨空面的情況下,在軸向和環(huán)向受力滿足一定的條件下,砂巖也可能發(fā)生“巖爆”。這一現(xiàn)象跟錢七虎最新的研究結(jié)論“巖爆不僅發(fā)生在洞壁,也可能發(fā)生在遠離洞壁的地方?！痹谝欢ǔ潭壬弦驳玫搅嘶ハ嘤∽C。圖14(b)為不同軸壓下砂巖單位體積釋/吸能隨圍壓變化的規(guī)律。在軸壓分別為80,100MPa時,砂巖開始處于吸收能量階段,但是吸收能量的能力非常小,這主要是因為在沖擊加載前,在三維高應(yīng)力作用下的加載能已經(jīng)用于砂巖內(nèi)部裂紋萌生發(fā)展所需的能量,因此在此狀態(tài)下吸收能量會非常有限。3.3細胞破碎試驗動靜組合加載下巖石的破壞模式對于正確認識巖石破裂和失穩(wěn)后形成的狀態(tài)具有重要的意義,對于科學(xué)了解深部巖石的破壞過程及結(jié)果有理論指導(dǎo)意義。為了對三維動靜組合加載下巖石的破壞模式進行對比,圖15給出了無圍壓不同軸壓下砂巖的破裂和破碎模式。圖15(a)為常規(guī)沖擊下的砂巖的破壞模式,破裂面平行于加載方向,主要是受拉破壞。圖15(b)為軸壓為60MPa時砂巖受沖擊后的破壞模式,圖中顯示砂巖沿環(huán)向發(fā)生了破裂,發(fā)生了室內(nèi)的“巖爆”現(xiàn)象。圖15(c),(d)分別是在軸壓為80和100MPa情況下,進行沖擊后得到的砂巖破碎塊度分布圖。把圖15(c),(d)和圖15(a)進行對比可以看出,砂巖塊度要比常規(guī)沖擊下砂巖的塊度更加破碎,說明在沖擊前軸向加壓對砂巖內(nèi)部裂紋的擴展有很大貢獻。從圖15(c),(d)中還可以看出,不同軸壓下砂巖破裂或破碎模式以及破碎塊度的分布也不相同,這為高應(yīng)力下砂巖的誘導(dǎo)致裂提供了室內(nèi)試驗依據(jù)。圖16,17分別為圍壓為5,10MPa不同軸壓下砂巖沖擊后的破壞模式圖。由于3個軸壓水平下砂巖的破裂模式基本類似,因此文中只選取2個軸壓系列的典型圖片進行對比說明。在各試樣的正面圖中,有一個底面會比較完整,另一個底面顯示出破裂圓環(huán)帶。而在各砂巖試樣的側(cè)面圖中,出現(xiàn)了一些走向不太規(guī)則的裂紋。在軸壓較小時,裂紋不是特別明顯并且只是局部出現(xiàn)。當軸壓較大時,裂紋的形狀已經(jīng)比較明顯,數(shù)量也較多并且會貫穿試樣的上下面。為了更好地了解三維應(yīng)力狀態(tài)下砂巖受沖擊后的破壞模式,對其中一個典型試樣沿著環(huán)狀破裂帶進行了人工剝離,剝離結(jié)果見圖18。經(jīng)過剝離后,出現(xiàn)明顯環(huán)狀破裂帶的地方基本都剝離開來,并呈現(xiàn)出比較光滑的錐形破裂面,說明試樣宏觀上是在壓剪作用下破壞的。圖19給出了三維動靜組合加載下砂巖破壞模式的簡化示意圖。由圖19可知,砂巖沖擊加載后形成一個環(huán)狀圓錐臺,砂巖長度方向跟圓錐面之間的形成一個夾角。葉洲元中進行的三維動靜組合沖擊試驗,采用的砂巖試樣尺寸為φ50mm×50mm,沖擊破壞后也形成一個圓錐體(見圖20)。說明在三維動靜組合加載下,砂巖的破裂模式是壓剪破壞,雖然整體不會失穩(wěn),但實際上砂巖內(nèi)部破裂已經(jīng)并形成一個圓錐臺(體)形狀的破裂面。4測試結(jié)果與分析利用改進后的SHPB試驗裝置對均質(zhì)砂巖進行了三維動靜組合加載試驗,對試驗數(shù)據(jù)整理和分析后得到如下主要結(jié)論:(1)在三維動靜組合沖擊加載試驗中,當圍壓一定,常規(guī)靜載軸壓比為0.52~0.87時,整體上砂巖的抗壓強度都會隨著軸壓的增大而逐步減小,基本呈現(xiàn)線性遞減趨勢。在圍壓為5MPa時,砂巖的抗壓強度跟無圍壓情況下差別不大。但是當圍壓增大到10MPa,砂巖的抗壓強度會有較大提高。在軸壓一定時,隨著圍壓的增大,抗壓強度有增大的趨勢。(2)本文的沖擊試驗也證明了沖擊過程中軸壓對砂巖內(nèi)部的裂紋起催生作用,弱化微元體的承載能力,導(dǎo)致模量降低;圍壓則可以抑制裂紋的萌生和擴展,強化了微元體的承載能力,使得模量會增加。研究結(jié)果還表明,當軸壓滿足一定條件時,不論圍壓如何變化,在圍壓一定的條件下,砂巖單位體積釋放能會隨著軸壓的增大而降低,當常規(guī)靜載軸壓比為0.6~0.7時,轉(zhuǎn)化為吸能狀態(tài)。在三維動靜組合加