不同風化程度花崗巖動力特性實驗研究

劉 博，李海波，李俊如

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

巖石材料在動載荷作用下的力學特性是研究爆破載荷以及地震作用下巖體結構響應的重要參數，也是研究爆破沖擊波以及地震波在巖石介質中傳播和衰減的基本資料。

從20世紀中期開始，國內外很多學者對不同巖石的動力特性進行了實驗研究。國外方面，Brace[1]，Friedman[2]，Janach[3]，Blanton[4]，Grady[5]，Masuda[6]，Swan[7]，Yang[8]等學者對不同加載/應變速率下的巖石力學性質作了大量的研究工作，指出巖石的抗壓強度隨加載/應變速率的增加而增加，試件的破壞形式也發生變化。

國內方面，吳綿拔[9]、朱瑞賡[10]、鞠慶海[11]、楊仕教[12]、李海波[13]等作過相關工作，指出花崗巖的抗壓強度、變形模量隨應變速率的增加而增加，泊松比隨應變速率的變化不明顯。例如文獻[9]通過對花崗巖和煌斑巖進行中等應變速率下的力學實驗，指出隨應變速率的增加，巖樣的單軸抗壓強度和變形模量均有不同程度的增加，而泊松比基本與應變速率無關。文獻[10]通過對花崗巖在加載速率范圍為1～104MPa/s的動三軸實驗指出，花崗巖的單軸抗壓強度隨加載速率的提高而明顯提高。文獻[13－16]對花崗巖材料在動態壓應力作用下的力學特性進行了實驗和理論研究，提出了基于滑移型裂紋模型的動態擴展模型，初步分析了巖石材料強度特征的應變速率相關機制。文獻[17－18]通過對花崗巖、大理巖的沖擊破壞實驗，研究了巖石單軸沖擊破壞的本構關系及時效損傷模型。

本文采用不同風化程度的6種花崗巖巖樣，進行了加載速率范圍在1～105MPa/s的動三軸壓縮實驗，分析了巖樣的抗壓強度、彈性模量、泊松比隨加載速率的變化規律，探討了不同風化程度花崗巖力學特性率相關性的差異，旨在為進一步的理論分析提供實驗依據。

2 實驗設備與試樣制備

2.1 實驗設備

實驗采用RDT－10000型巖石動三軸實驗機，該實驗機可以對巖石施加1～105MPa/s量級加載速率的動載荷。實驗機主要由氣缸、油缸、速泄閥、連接桿、調節閥和加載桿組成（見圖1）。

實驗中，試件按要求安裝完畢后，將A、B氣缸的氣壓調節到設計值，確保加載過程中加載桿上的出力能使巖石試樣破壞；然后快速打開速泄閥門，B氣缸中的壓縮氣體逸出，氣缸中的壓力迅速降為0，此時連接活塞在A氣缸壓力的驅動下迅速向下移動，推動調節閥上部的液壓油快速通過調節閥，從而推動加載桿對巖樣施加動載荷。通過改變調節閥的大小(過油面積)來調節油液通過調節閥的速度，從而改變加載桿輸出的載荷速率。

圖1 儀器原理圖Fig.1 Sketch of triaxial dynamic compression equipment

實驗中的軸向壓力通過標定的測力柱量測，圍壓通過標定的錳銅應力計量測，試樣的縱向、橫向變形通過應變片量測。巖石試件尺寸為 Φ30 mm×60 mm。

2.2 試樣制備

實驗所用的花崗巖巖樣取自同一工程巖體，巖性、礦物成份大體一致，但風化程度有一定差別，表現為相對密度、吸水率、孔隙率和聲波波速的差異。綜合考慮上述參數，將巖樣分為A～F 6種不同風化程度(風化程度遞減)，如表1所示。

表1 巖樣物理特性參數表Table 1 The physical parameters of weathered granite

實驗采用的加載速率范圍為5～5×104MPa/s，圍壓均為3 MPa。

針對每種風化程度試樣，均進行4種加載速率實驗，分別為 5×100、5×101、5×103、5×104MPa/s，每種加載速率3個試樣，6種風化程度實驗共72個試樣。試件照片如圖2所示。

圖2 實驗試件照片Fig.2 Typical rock samples

3 實驗結果與分析

3.1 巖石抗壓強度隨加載速率的變化

不同風化程度花崗巖的三軸抗壓強度隨加載速率的變化關系見圖3。

實驗結果表明，不同風化程度花崗巖動三軸抗壓強度均隨加載速率的增加而增加。與此同時，不同加載速率情況下，隨著風化程度的增加，試樣的抗壓強度有較明顯的減小趨勢。

圖3 抗壓強度與加載速率關系Fig.3 The relationships between σf andσ˙

3.2 巖石彈性模量隨加載速率的變化

不同風化程度花崗巖彈性模量值隨加載速率的變化關系見圖4。

圖4 彈性模量與加載速率關系Fig.4 The relationships between E andσ˙

實驗結果表明，不同風化程度花崗巖的彈性模量值均隨加載速率的增加而增加。同時，不同加載速率情況下，隨著風化程度的增加，試樣的彈性模量有較明顯的減小趨勢。

3.3 巖石泊松比隨加載速率的變化

不同風化程度花崗巖泊松比ν與加載速率σ˙的變化關系見圖5。

圖5 泊松比與加載速率關系Fig.5 The relationships between ν andσ˙

實驗結果表明，不同風化程度花崗巖的泊松比均隨加載速率的增加略有降低的趨勢。另外，不同加載速率下，隨著風化程度的變化，試樣的泊松比沒有明顯的變化規律。

3.4 巖石抗壓強度隨加載速率的增加幅度特征分析

對每種花崗巖試樣，取加載速率為5 MPa/s時的抗壓強度為初值抗壓強度σ0，對實驗結果進行歸一化處理，用不同加載速率下的抗壓強度增加值與初值抗壓強度之比(σf- σ0)σ0來表述抗壓強度增加幅度，如圖6所示。

可以看出，不同風化程度巖石試樣抗壓強度增加幅度隨加載速率的增加均有較明顯的增加趨勢。

圖6 抗壓強度增加幅度與加載速率關系Fig.6 The relationships betweenand

圖7 抗壓強度增加幅度與初值抗壓強度關系Fig.7 The relationships between(σ f -σ 0)/σ 0 and σ 0

進一步分析表明，不同風化程度的花崗巖巖樣，加載速率變化引起的抗壓強度增加幅度隨著初值抗壓強度（加載速率為5 MPa/s時的抗壓強度值）的增加明顯減小，如圖7所示。例如，對風化較重的A組花崗巖試樣，當加載速率由 5 MPa/s增加到5×104MPa/s時，抗壓強度的增加幅度達到58.6%；而對風化較輕的 F組花崗巖試樣，當加載速率由5 MPa/s增加到5×104MPa/s時，抗壓強度增加幅度為20.4%。

由于初值強度也是風化程度的一種反映，可以認為，巖石試樣抗壓強度隨加載速率的增加幅度隨風化程度的增加而增加。

3.5 巖石彈性模量隨加載速率的增加幅度特征分析

對每種花崗巖試樣，取加載速率為5 MPa/s時的模量為初值模量E0，對實驗結果進行歸一化處理，用不同加載速率下的彈性模量增加值與初值彈性模量之比(E -E0)E0來表述彈性模量增加幅度，如圖8所示。

可以看出，不同風化程度巖石試樣的彈性模量增加幅度隨加載速率的增加有較明顯的增加趨勢。

圖9為加載速率變化引起的巖石彈性模量增加幅度隨著初值模量（加載速率為5 MPa/s時的彈性模量值）的變化規律。可以看出，不同風化程度情況下，試樣彈性模量隨加載速率的增加幅度相近。例如，對風化較重的A組花崗巖和風化程度較輕的F組花崗巖試樣，當加載速率由 5 MPa/s增加到5×104MPa/s時，彈性模量的增加幅度分別為30.0%和 26.1%。由于初值強度也是風化程度的一種的反映，可以認為，巖石試樣的彈性模量隨加載速率的增加幅度 (E -E0)/E0隨風化程度的增加基本不變。

圖8 彈性模量增加幅度與加載速率關系Fig.8 The relationship between (E-E0)/ E0 andσ˙

圖9 彈性模量增加幅度與初值彈性模量關系Fig.9 The relationships between (E-E0)/ E0 and E0

4 結 論

（1）不同風化程度花崗巖巖樣的抗壓強度和彈性模量均隨加載速率的增加而增加，泊松比隨加載速率的增加略有降低的趨勢。

（2）不同風化程度花崗巖巖樣的抗壓強度增加幅度均隨加載速率的增加而增加；風化程度越重，巖石試樣抗壓強度增加幅度越大。

（3）不同風化程度花崗巖巖樣的彈性模量增加幅度均隨加載速率的增加而增加；不同風化程度情況下增加幅度基本相同。

[1]BRACE W F, MARTIN R J. A test of the law of effective stress for crystalline rocks of low porosity[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1968, 5(5): 415－426.

[2]FRIEDMAN M, PERKINS R D, GREEN S J.Observation of brittle-deformation features at the maximum stress of westerly granite and Solenhofen limestone[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1970, 7(3): 297－302.

[3]JANACH W. The role of bulking in brittle failure of rock under rapid compression[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1976, 13(6): 177－186.

[4]BLANTON T L. Effect of strain rate from 10-2to 10 sec-1in triaxial compression tests on three rocks[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1981, 18(1): 47－62.

[5]GRADY D E. The mechanics of fracture under high-rate stress loading. Mechanics of geomaterials[M]. U.S.:Sandra National Labs, 1985: 129－155.

[6]MASUDA K, MIZUTANI H, YAMADA I. Experimental study of strain-rate dependence and pressure dependence of failure properties of granite[J]. Journal of Physics of the Earth , 1987, 35: 37－66.

[7]SWAN G, COOK J, BRUCE S, et al. Strain rate effect in Kimmeridge Bay Shale[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1989, 26(2): 135－149.

[8]YANG C H, LI T J. The strain rate-dependent mechanical properties of marble and its constitutive relation[C]//Int.Conf. Computational Methods in Structural and Geotechnical Engineering. Hong Kong: [s. n.], 1994:1350－1354.

[9]吳綿拔, 劉遠惠. 中等應變速率對巖石力學特性的影響[J]. 巖土力學, 1980, (1): 51－58.WU Mian-ba, LIU Yuan-hui. The effect of intermediate strain rates on mechanical properties of rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 1980, (1): 51－58.

[10]朱瑞賡, 吳綿拔.不同加載速率條件下花崗巖的破壞判據[J]. 爆炸與沖擊, 1984, (1): 3－11.ZHU Rui-geng, WU Mian-ba. Failure criterion of granite at different loading rates[J]. Explosion and Shock Waves, 1984, (1): 3－11.

[11]鞠慶海, 吳綿拔. 巖石材料三軸壓縮動力特性的實驗研究[J]. 巖土工程學報, 1993, 15(3): 72－80.JU Qing-hai, WU Mian-ba. Experimental studies of dynamic characteristic of rocks under triaxial compression[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1993, 15(3): 72－80.

[12]楊仕教, 曾晟, 王和龍. 加載速率對石灰巖力學效應的實驗研究[J]. 巖土工程學報, 2005, 27(7): 786－788.YANG Shi-jiao, ZENG Sheng, WANG He-long.Experimental analysis on mechanical effects of loading rates on limestone[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(7): 786－788.

[13]李海波, 趙堅, 李俊如, 等. 三軸情況下花崗巖動態力學特性的實驗研究[J]. 爆炸與沖擊, 2004, 24(5): 470－474.LI Hai-bo, ZHAO Jian, LI Jun-ru, et el. Triaxial compression tests of a granite[J]. Explosion and Shock Waves, 2004, 24(5): 470－474.

[14]ZHAO J, LI H B, WU M B, et al. Dynamic uniaxial compression tests on a granite[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1999, 36(2):273－277.

[15]LI H B, ZHAO J, LI T J. Triaxial compression tests of a granite at different strain rates and confining pressures[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1999, 36(8): 1057－1063.

[16]LI H B, ZHAO J, LI T J, et al. Analytical simulation of the dynamic compressive strength of a granite using the sliding crack model[J]. International Journal for Numerical and Analytical Method in Geomechanics,2001, 25: 853－869.

[17]單仁亮, 陳石林, 李寶強. 花崗巖單軸沖擊全程本構特性的實驗研究[J]. 爆炸與沖擊, 2000, 20(1): 33－38.SHAN Ren-liang, CHEN Shi-lin, LI Bao-qiang.Experimental study of granite constitutive properties under uniaxial impact[J]. Explosion and Shock Waves,2000, 20(1): 33－38.

[18]單仁亮, 薛友松, 張倩. 巖石動態破壞的時效損傷本構模型[J]. 巖石力學與工程學報, 2003, 22(11): 1771－1776.SHAN Ren-liang, XUE You-song, ZHANG Qian. Time dependent damage model of rock under dynamic loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(11): 1771－1776.