循環(huán)沖擊過程中巖石動態(tài)強度和變形特性的影響因素

循環(huán)沖擊過程中巖石動態(tài)強度和變形特性的影響因素

目前，爆炸仍然是各種土木工程開挖的主要手段，如礦山暴露、地下開采、隧道開挖、核巖爆炸開挖等。由于生產(chǎn)和工藝的需要,這些工程的開挖大都需要多次爆破,例如大斷面隧洞施工過程的推進式往復(fù)爆破施工、小凈距并行隧道的爆破開挖和礦山生產(chǎn)頻繁重復(fù)爆破作業(yè),圍巖承受的動載荷作用形式是多次的或循環(huán)的。工程巖體遭受爆破、機械鉆鑿等循環(huán)動載作用時,已經(jīng)承受了來自地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等靜載荷,如圖1所示的A點和B點的圍巖?；谏鲜稣J(rèn)識,巖土工程中大多數(shù)圍巖承受載荷的形式為具有一定靜應(yīng)力下的循環(huán)沖擊。許多安全事故并不僅是發(fā)生在采場工作面,在遠(yuǎn)離工作面的硐室、巷道等構(gòu)筑物附近也時有發(fā)生。研究具有一定預(yù)應(yīng)力的巖石在循環(huán)沖擊載荷作用下力學(xué)特性對各種巖體工程安全、高效施工和運營具有非常重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者對靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)載荷作用下巖石的力學(xué)特性進行了深入的研究,在疲勞門檻值、疲勞變形、材料性能劣化、疲勞損傷演化以及疲勞性能的影響因素方面取得了豐碩的研究成果,即巖石在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)作用下的力學(xué)特性已建立了相對完善的理論體系。而巖石在循環(huán)沖擊載荷作用下的力學(xué)特性研究較少,就筆者得到的文獻,僅有以下研究成果。金解放等通過理論計算和試驗研究,得出了可以利用巖石波阻抗的變化定義其在循環(huán)沖擊過程的損傷變量;LiXB等利用桿徑為75mm的SHPB對無軸壓無圍壓的花崗巖進行了重復(fù)沖擊試驗,認(rèn)為當(dāng)沖擊峰值應(yīng)力小于其靜態(tài)單軸強度的60%~70%時,循環(huán)沖擊基本不能增加巖石內(nèi)部的損傷;林大能等利用近似落錘的裝置對不同圍壓下的巖石進行多次沖擊試驗,得到了沖擊損傷度與圍壓大小、荷載沖量大小和沖擊次數(shù)的相關(guān)性;呂曉聰?shù)葘Σ煌瑖鷫旱膸r石進行了循環(huán)沖擊試驗,得到了楊氏模量、屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變隨循環(huán)沖擊次數(shù)的關(guān)系,并研究了在循環(huán)沖擊過程中巖石試件的比能量吸收值與圍壓的關(guān)系;文獻[3,13-14]利用質(zhì)點峰值速度、鉆孔伸縮儀、鉆孔相機和聲波波速等研究工程巖體在多次爆破開挖過程中損傷累積演化特性。文獻[3,10-14]的成果為進一步開展巖石(體)在循環(huán)沖擊載荷作用下力學(xué)特性研究奠定了一定的基礎(chǔ)。然而,上述文獻進行研究時,沒有考慮軸向靜載對巖石在循環(huán)沖擊過程中的動態(tài)強度和變形特性的影響,并且沒有過多考慮循環(huán)沖擊過程中巖石在卸載段的強度和變形隨循環(huán)沖擊次數(shù)增加的變化特性,對這些問題進行討論有助于進一步了解在循環(huán)沖擊作用過程中巖石抵抗外部動載荷能力劣化的過程,進而為研究巖體在循環(huán)沖擊過程中損傷的累積演化過程和指導(dǎo)有關(guān)巖石工程的開挖設(shè)計奠定基礎(chǔ)。基于上述科學(xué)認(rèn)識,本文利用動靜組合加載試驗裝置,對不同軸壓的巖石進行一維循環(huán)沖擊試驗,重點研究軸壓和循環(huán)沖擊次數(shù)對巖石動態(tài)力學(xué)的影響,進而研究在循環(huán)沖擊過程中巖石強度和變形特性的演化關(guān)系。1循環(huán)脈沖試驗1.1截面的不平行度和不垂直度試件采用完整性和均值性較好的砂巖,試件的長徑比為1∶1,尺寸為?50mm×50mm,對試件的兩端進行仔細(xì)研磨,兩橫截面的不平行度和不垂直度均小于0.02mm。在RMT-150B試驗機上進行單軸抗壓試驗,測出其平均單軸抗壓強度為96MPa。1.2高強度40cr鋼內(nèi)沖頭鋼絞線的特性采用自行研制的基于SHPB裝置的巖石動靜組合加載試驗系統(tǒng),如圖2所示。該裝置的沖頭、入射桿、透射桿和吸收桿均為高強度40Cr合金鋼,其彈性極限達800MPa,縱波波速為5400m/s,密度為7810kg/m3;直徑為50mm,入射桿、透射桿和緩沖桿長度分別為2,1.5和0.5m,發(fā)射腔內(nèi)采用異型沖頭以消除PC振蕩,實現(xiàn)半正弦波加載,達到恒應(yīng)變率加載的目的。數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備為CS-1D超動態(tài)應(yīng)變儀和DL-750示波器。1.3試樣應(yīng)變值的簡化計算由于巖石試件的厚度很小,引入均勻性假設(shè)εI(t)+εR(t)=εT(t)。由試驗測得的入射桿和透射桿的應(yīng)變值,根據(jù)一維應(yīng)力波理論,巖石試件的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率能用下式簡化計算:式中,Ae,Ce和Ee分別為彈性桿的橫截面面積、聲波波速和彈性模量;As和Ls分別為試樣橫截面積和長度;εI(t),εR(t)和εT(t)分別為入射波、反射波和透射波。1.4靜載單軸抗壓強度的試驗研究參考靜載壓縮試驗結(jié)果,為考察軸壓大小對巖石在循環(huán)沖擊載荷作用過程力學(xué)特性的影響,并與巖石一維動靜加載下力學(xué)特性進行比較,軸壓分別設(shè)置為0,21,49,63和84MPa,分別對應(yīng)靜載單軸抗壓強度的0,22%,51%,65%和87%。在循環(huán)沖擊試驗中,嚴(yán)格保證每次沖擊時的軸壓等于其設(shè)定的軸壓值。每種軸壓情況做4個試件的試驗。根據(jù)文獻確定的巖石循環(huán)沖擊載荷門檻值的研究結(jié)果,經(jīng)過多次試驗調(diào)整,試驗時,軸壓為0,21,49,63和84MPa時,高壓氣室的氣壓分別為0.5,0.6,0.7,0.8和0.9MPa,調(diào)整異型沖頭在氣腔內(nèi)位置,確保入射桿上入射應(yīng)力波的峰值相同。試驗時試樣兩端面涂抹適量黃油,確保試樣兩端面與入射桿和透射桿間接觸良好。2段和de段應(yīng)力值的計算圖3為砂巖試件在軸壓為21MPa時循環(huán)沖擊過程中單次沖擊得到的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3可以看出,應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可以分為5個階段,分別為OA段、AB段、BC段、CD段和DE段,依次定義為壓密階段、彈性階段、微裂紋擴展的加載階段、第1卸載階段和第2卸載階段。OC階段中,應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加,故整體上稱為加載階段。C點對應(yīng)的應(yīng)力值是試件在該次沖擊中所承受的最大動態(tài)應(yīng)力值,本文稱其為峰值強度。在CD階段中,試件應(yīng)變隨著其應(yīng)力的增加而減小,而在DE段,應(yīng)變隨著應(yīng)力的減小而減小,D點的應(yīng)力值有臨界意義,在此定義其為臨界卸載應(yīng)力,而其對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)樵摯螞_擊中的試件產(chǎn)生的最大應(yīng)變,在此定義為峰值應(yīng)變。從圖3中還可以看出,壓密階段OA和彈性階段AB較短,而BC段在加載段中所占比例較大。3軸壓—試驗結(jié)果及分析表1為試驗中部分試件的物理參數(shù)、施加的軸壓大小以及累積沖擊次數(shù),圖4為其在試驗過程中對應(yīng)的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及動態(tài)壓縮應(yīng)變-時間曲線。當(dāng)軸壓為0,21,49和63MPa時累積沖擊次數(shù)較多,圖4沒有顯示出全部的數(shù)據(jù)曲線,而近似等間距的選擇部分?jǐn)?shù)據(jù),分析其強度和變形與沖擊次數(shù)間的關(guān)系。圖中的數(shù)字表示循環(huán)沖擊的次數(shù)(圖4(a)中的1,3,5和8等分別表示第1,3,5和8次沖擊),ε·表示該次沖擊得到的平均應(yīng)變率。3.1循環(huán)沖擊下的變形模量變化巖石的變形特性通常用彈性模量或變形模量來表示。由圖3可以看出,循環(huán)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載段上線性段不明顯,不能清晰地表示巖石循環(huán)沖擊過程的變形特征。對常規(guī)沖擊得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性模量,文獻提出應(yīng)用加載段動態(tài)抗壓強度峰值50%處的點與坐標(biāo)原點的割線斜率作為巖石的變形模量,取得了很好的效果。由圖3可以看出,BC部分占整個加載段變形的大部分,且BC部分變化較平緩,用文獻的方法定義變形模量僅表示圖3中加載段一部分的變形能力,不能較好地表示加載段整體上的變形能力。本文應(yīng)用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上應(yīng)力值為峰值應(yīng)力50%處切線斜率作為加載段的變形模量。圖5為不同軸壓的巖樣在循環(huán)沖擊過程中加載段變形模量與沖擊次數(shù)間的變化關(guān)系。從圖4和圖5可以看出,對同一軸壓的巖石,隨著沖擊次數(shù)的增加,其加載段變形模量逐漸減小,無軸壓的巖石試件在不同圍壓下進行循環(huán)沖擊研究也有如此結(jié)果。從圖6可以看出,文獻得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加載段的變形模量隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律不是很明顯,第1次沖擊的變形模量小于第2,3次的變形模量,而第3次的小于第2次的變形模量。分析認(rèn)為,根據(jù)文獻的研究結(jié)論,只有當(dāng)沖擊的峰值應(yīng)力低于其單軸強度的60%~70%時,循環(huán)沖擊基本不會使巖石發(fā)生動態(tài)損傷,而圖6中動態(tài)峰值強度為其單軸強度的80%~90%。第1次沖擊的峰值強度最小,接近文獻中巖石的彈性極限強度,此次沖擊會使巖石中的部分微裂紋閉合,或者說此次沖擊引起的損傷整體上小于微裂紋閉合的量,即巖石整體還是處于壓密過程。導(dǎo)致在第1次沖擊后,后2次沖擊過程中巖石加載段的變形模量增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率整體上還是呈減小的趨勢。由圖5可得,對軸壓為0和84MPa(靜載抗壓強度的87%)的試件,其變形模量隨沖擊次數(shù)增加呈均勻降低。當(dāng)軸壓為84MPa時,變形模量下降速度較0軸壓時更快,這是由于84MPa的軸壓已經(jīng)進入到巖石屈服應(yīng)力階段,靜載對巖石內(nèi)部裂紋的擴展中起到加速的作用。當(dāng)軸壓為21,49和63MPa時(分別對應(yīng)靜載抗壓強度的22%,51%和65%),分別在前23,7和5次沖擊過程中,變形模量變化相對較小。而隨著沖擊次數(shù)的增加,變形模量開始急劇下降。這主要因為此時的軸向靜載沒有超出巖石的彈性階段,部分裂紋在靜載作用下處于閉合狀態(tài),在一定的沖擊載荷作用下,巖石內(nèi)部裂隙的擴展速度較緩慢,擴展程度較小。而隨著沖擊次數(shù)的增加,微裂紋擴展程度逐漸加大,裂紋已部分連成片或成核,此時再進行沖擊,裂紋擴展速度明顯增加,擴展程度加劇,表現(xiàn)在變形模量上整體上呈“平緩發(fā)展—急劇下降”趨勢。由于每次沖擊氣壓很難保證完全一致,且軸壓值沒有超出其靜態(tài)彈性極限,沖擊載荷會使內(nèi)部裂紋部分閉合,在變形模量平穩(wěn)發(fā)展階段不排除有個別變形模量較前一次沖擊變形模量大的現(xiàn)象,但變形模量隨循環(huán)沖擊次數(shù)的增加整體上呈現(xiàn)“平緩發(fā)展—急劇下降”的趨勢。3.2軸壓對巖石力學(xué)特性的影響在循環(huán)沖擊過程中,巖石峰值應(yīng)力與沖擊次數(shù)間的變化關(guān)系如圖7所示。由圖7可以看出,在能量大小相同的應(yīng)力波循環(huán)作用下,隨著沖擊次數(shù)的增加,峰值應(yīng)力的大小呈逐漸下降趨勢,即巖石對外部沖擊載荷的抵抗能力逐漸下降,體現(xiàn)出巖石在循環(huán)沖擊作用下強度劣化的特性。從峰值應(yīng)力和總循環(huán)沖擊次數(shù)看,軸壓為84MPa時,巖石試件承受3次循環(huán)沖擊即發(fā)生宏觀破壞,且峰值應(yīng)力隨累積沖擊次數(shù)的增加直線下降;原因與軸壓影響變形模量相同,不再贅述。軸壓為21MPa時,在前46次沖擊過程中,峰值應(yīng)力降低的速度非常緩慢,而后隨著沖擊次數(shù)的增加快速下降,整體呈現(xiàn)“平緩發(fā)展—急劇下降”的變化趨勢,巖石試件對外部沖擊的抵抗能力最大。當(dāng)軸壓為49和63MPa時,峰值應(yīng)力的大小隨循環(huán)沖擊次數(shù)間也具有“平緩發(fā)展—急劇下降”的變化趨勢,分別在前14和5次沖擊過程中峰值應(yīng)力降低的速度也較小,而后快速下降。當(dāng)巖石的軸壓為0時,隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加,巖石動態(tài)峰值強度勻速降低,沒有“平緩發(fā)展”的階段。表明巖石具有一定預(yù)應(yīng)力時有助于提高其抵抗外部循環(huán)沖擊載荷的能力,當(dāng)預(yù)應(yīng)力過大時,此能力會逐漸降低。從圖7可以發(fā)現(xiàn),在相同入射能的循環(huán)沖擊過程中,軸壓為單軸抗壓強度22%時的動態(tài)強度整體上較其他軸壓情況下高。LiXB等在研究動靜組合下巖石的力學(xué)特性時,當(dāng)入射應(yīng)力波相同軸壓不同的條件下沖擊破壞時,得出了軸壓為其單軸強度20%的動態(tài)峰值強度最高,這與本文研究循環(huán)沖擊的規(guī)律一致。這表明,對不同軸壓的巖石試件,無論是單次沖擊還是循環(huán)沖擊,軸壓對其動態(tài)強度的影響一致,當(dāng)軸壓為其單軸抗壓強度的22%左右時,其抵抗外部沖擊的能力最高。3.3次數(shù)與次數(shù)的關(guān)系在不同軸壓的情況下,巖樣平均應(yīng)變率與循環(huán)沖擊次數(shù)間的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出,巖石平均應(yīng)變率隨沖擊次數(shù)的增加而遞增。此變化也能反映隨著沖擊次數(shù)的增加,巖石內(nèi)部損傷逐漸增大的現(xiàn)象,從式(1)可知,巖樣在每一瞬時的應(yīng)變率大小與反射波的絕對值大小成正比,在入射能相同的情況下,巖石的波阻抗越大反射波越小,對同一巖石試件,波阻抗越大表明巖石越致密,內(nèi)部裂隙越不發(fā)育,反之表明巖樣內(nèi)部裂隙擴展成核的程度越高,巖石損傷越嚴(yán)重。3.4間的關(guān)系上的不對稱不同軸壓情況下,在相同入射能的循環(huán)沖擊過程中,巖石的峰值應(yīng)變與循環(huán)沖擊次數(shù)間的關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出,峰值應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的增加而遞增,最后一次沖擊得到應(yīng)變明顯較前若干次大許多,表明了隨著沖擊次數(shù)的增加,抵抗外部沖擊的能力降低,體現(xiàn)在強度上就是其峰值應(yīng)力逐漸減小,體現(xiàn)在變形上就是變形逐漸增大。3.5循環(huán)沖擊次數(shù)對變形破壞特征的影響圖10為不同軸壓的巖石試件在第1卸載階段的變形模量隨循環(huán)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系。從圖10可以看出,隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加,第1卸載階段的變形模量逐漸增大,第1卸載段整體上越來越平緩,即在相同應(yīng)力變化的情況下,應(yīng)變越來越大,表明此過程中巖石內(nèi)部裂紋的擴展程度逐漸加劇,巖石的變形形式由脆性逐漸過度到延性。3.6第2沖擊次數(shù)對巖石彈性模量的影響不同軸壓的巖石試件在第2卸載階段的變形模量隨循環(huán)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系如圖11所示。從圖11可以看出,第2卸載階段的變形模量大小隨循環(huán)沖擊次數(shù)的增加逐步減小,表明隨著循環(huán)沖擊的進行,巖石彈性模量越來越小。當(dāng)軸壓為21,49和63MPa時,分別在前46,14和5次循環(huán)沖擊過程中第2卸載變形模量變化相對較小,而后隨著沖擊次數(shù)快速下降,整體上呈現(xiàn)“平緩發(fā)展—急劇下降”的變化趨勢;當(dāng)軸壓為0和84MPa時,此階段變形模量的大小隨沖擊次數(shù)勻速快速降低;這與加載段變形模量大小隨沖擊次數(shù)的變化趨勢一致,表明當(dāng)巖石的軸壓為21,49和63MPa時,巖石具有很好的抵抗外部循環(huán)沖擊的彈性變形能力,當(dāng)無軸壓或軸壓過大時(約超過單軸抗壓強度的87%)其承受循環(huán)沖擊的彈性變形能力逐漸下降。3.7循環(huán)次數(shù)對巖石力學(xué)特性的影響圖12和圖13為在第2卸載階段恢復(fù)的彈性應(yīng)變與峰值應(yīng)變之比以及恢復(fù)的應(yīng)力與臨界卸載應(yīng)力之比的變化關(guān)系。從兩圖可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,2個比值同時出現(xiàn)降低,表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加,巖石的彈性能力越來越小,而裂紋擴展、巖石基體塑性變形以及基體開裂等不可逆變形越來越大。當(dāng)這2個比值逐漸降為0時,根據(jù)圖7~13可以看出,此時峰值應(yīng)力逐漸降到一定值,平均應(yīng)變率達到最大,最大應(yīng)變中將不再包含彈性應(yīng)變,不再存在第2卸載階段,巖石完全被沖擊破壞。3.8儲層參數(shù)對巖石能量耗散率的影響圖14為單位體積吸收能隨循環(huán)沖擊次數(shù)的變化曲線。由圖14可以看出,對相同軸壓的巖石試件,隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加,試件單位體積吸收能越來越大。當(dāng)巖石試件在沖擊過程中沒有發(fā)生局部破壞而引起小顆粒飛濺產(chǎn)生的動能時,吸收能將全部用來使內(nèi)部裂紋擴展,越來越大的吸收能意味著在循環(huán)沖擊過程中,裂紋擴展的速度和程度逐漸加劇,介質(zhì)不可逆變形越大。鞠楊等通過數(shù)值模擬和實驗研究了不同孔隙率砂巖的能量耗散率(吸收能與入射能的比值)隨巖石孔隙率變化規(guī)律,如圖15所示,得出了在恒定沖擊速度下能量耗散率隨空隙率增大而線性增加,這與本文的研究結(jié)果一致。從圖14可以看出,巖石在文中5個軸壓下的循環(huán)沖擊過程中吸收能都為正值,軸壓為49MPa(為靜態(tài)抗壓強度的51%)時單位體積吸收能最小,較其他軸壓下的吸收值小一個數(shù)量級。宮鳳強等研究得出在軸壓為靜態(tài)強度的52%時,一次沖擊破壞過程中巖石吸收的能量為負(fù)值,即總體上是釋放能量。分析認(rèn)為,文獻主要研究的是巖石在不同軸壓下一次沖擊破碎的情況,巖石在破碎過程中,積蓄在內(nèi)部的彈性能快速釋放,內(nèi)部微裂紋沒有充分?jǐn)U展、成核和聚集,僅在某些損傷嚴(yán)重的地方快速貫通而出現(xiàn)宏觀破壞;而文中的軸壓為49MPa的巖石試件在循環(huán)沖擊過程中,前若干次沖擊巖石沒有出現(xiàn)宏觀破壞,積蓄在巖石內(nèi)部的彈性能逐步釋放,但巖石內(nèi)部微裂紋擴展過程中還要從外界吸收能量,只是吸收能與釋放能相差較小。在整個循環(huán)沖擊