三維動(dòng)靜組合加載下石灰?guī)r力學(xué)特性研究

余永強(qiáng) 余靂偉 范利丹 徐 峰 周桂杰

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2.河南省地下空間開(kāi)發(fā)及誘發(fā)災(zāi)變防治國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 河南 焦作 454003)

近些年,淺部礦產(chǎn)資源隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增加而日漸枯竭,為緩解資源接替緊張的局面,深部資源的開(kāi)發(fā)已提上日程。深部煤礦的采掘工作一般采用爆破和大型機(jī)器,加上深部巖體破裂程度加劇[1]和“三高一擾動(dòng)”的惡劣環(huán)境影響[2],使得巷道圍巖遭受較為頻繁的爆破沖擊、機(jī)械擾動(dòng)以及地震地質(zhì)作用,甚至對(duì)圍巖松動(dòng)圈造成了影響[3]。靜載和動(dòng)載的共同作用,使圍巖體的強(qiáng)度有所下降,圍巖變形難以得到有效控制,增加了支護(hù)難度且提高了支護(hù)成本。因此,利用改進(jìn)的霍普金森壓桿動(dòng)靜組合加載裝置(SHPB)研究石灰?guī)r在沖擊荷載下的力學(xué)性能和破壞形式,為煤礦巷道掘進(jìn)和支護(hù)提供理論參考,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過(guò)分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)對(duì)巖石類材料在動(dòng)靜組合加載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。金解放等[4-7]利用改進(jìn)的霍普金森壓桿動(dòng)靜組合加載裝置對(duì)長(zhǎng)徑比為1.0的砂巖進(jìn)行了一系列動(dòng)靜組合加載循環(huán)沖擊試驗(yàn),研究表明:砂巖單位體積吸收能隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加而增大,以致巖石內(nèi)部損傷逐漸加劇,強(qiáng)度明顯下降。王志亮等[8]利用改進(jìn)的分離式霍普金森壓桿裝置,選取4種不同入射波的應(yīng)力幅值對(duì)黑云母花崗巖進(jìn)行循環(huán)沖擊,分析了沖擊次數(shù)對(duì)其峰值應(yīng)力、平均應(yīng)變率、峰值應(yīng)變和損傷值的影響。田諾成等[9]對(duì)花崗巖進(jìn)行了不同軸壓的等幅循環(huán)沖擊,進(jìn)行同等荷載的循環(huán)沖擊時(shí),總循環(huán)沖擊次數(shù)隨軸壓增加呈先升后降趨勢(shì),即軸壓使得循環(huán)沖擊荷載作用下巖石的動(dòng)力學(xué)特性呈先強(qiáng)化后劣化趨勢(shì),且軸壓為60 MPa時(shí)達(dá)到循環(huán)沖擊次數(shù)峰值。朱晶晶等[10]基于動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)損傷模型,利用大直徑霍普金森試驗(yàn)裝置對(duì)花崗巖進(jìn)行單軸循環(huán)沖擊,通過(guò)計(jì)算累計(jì)損傷,以分析其力學(xué)性能和吸能規(guī)律。金解放等[11]、宮鳳強(qiáng)等[12]、余洋等[13]分別利用改進(jìn)的霍普金森動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)裝置,對(duì)砂巖進(jìn)行了一系列循環(huán)沖擊試驗(yàn)。研究表明:圍壓的施加減緩了巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)展,強(qiáng)化了巖石的承載能力,軸壓的作用則剛好相反。LI等[14]利用直徑75mm的霍普金森壓桿對(duì)花崗巖在無(wú)軸壓和無(wú)圍壓情況下進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn),分析了巖石單位體積吸收能與破碎塊度的關(guān)系。研究表明:當(dāng)動(dòng)態(tài)荷載應(yīng)力較低(即不超過(guò)巖石靜態(tài)強(qiáng)度的60%)時(shí),循環(huán)沖擊基本不會(huì)對(duì)巖石造成損傷。

目前,對(duì)于巖石在動(dòng)靜組合加載下的力學(xué)性能、破壞形態(tài)和能量耗散雖有一定的研究,但是有關(guān)巖石在三維動(dòng)靜組合加載下不同圍壓、軸壓與沖擊速度對(duì)力學(xué)特性影響的分析涉及較少。本研究以石灰?guī)r為例,開(kāi)展三維動(dòng)靜組合加載試驗(yàn),通過(guò)SHPB試驗(yàn)得到石灰?guī)r的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,分析石灰?guī)r的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損耗和破壞形態(tài)等,為研究巷道巖體在爆炸沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提供思路,研究結(jié)果對(duì)于礦山安全、高效開(kāi)采具有一定的參考意義。

1 SHPB試驗(yàn)裝置和試樣

1.1 巖石試樣制備

巖石試樣取自中泰礦業(yè)35采區(qū)回風(fēng)下山-500 m巷道中完整性和均質(zhì)性均較好的石灰?guī)r,其靜載物理力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。將其加工成直徑為50 mm、長(zhǎng)度為25mm,即長(zhǎng)徑比為0.5的圓柱體試件。對(duì)試件研磨,保證試件表面光滑,兩底面不平整度和不平行度均要小于0.02 mm,垂直偏差滿足規(guī)程要求,如圖1所示。

表1 石灰?guī)r靜載物理力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Physical and mechanical property parameters of limestone under static loading

圖1 動(dòng)靜加載試驗(yàn)石灰?guī)r試件Fig.1 Limestone specimen for dynamic and static loading test

1.2 SHPB試驗(yàn)裝置

本研究采用河南理工大學(xué)沖擊實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置(SHPB裝置)對(duì)石灰?guī)r試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn),如圖2所示。SHPB裝置由壓桿系統(tǒng)、軸壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)巖石軸向靜壓0～100 kN、圍壓 0～20 MPa和沖擊氣壓0～2 MPa同時(shí)加載,石灰?guī)r試件放置位置如圖3所示。壓桿系統(tǒng)包括子彈、入射桿、透射桿和緩沖桿4個(gè)部分;動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓氮?dú)?通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓控制器改變子彈沖擊速度,激光測(cè)速儀采集子彈速度。子彈、入射桿、透射桿均為鋼桿,直徑分別為37、50、50 mm,長(zhǎng)度分別為400、2 400、1 200 mm,入射桿和透射桿均為變截面錐形桿,變截面段長(zhǎng)為170 mm,小端面直徑為37 mm,緩沖桿為鋁桿,直徑為37 mm、長(zhǎng)度為1 000mm,相對(duì)鋼桿有3倍的應(yīng)變信號(hào)提升。其中鋼桿波速為5.19 km/s,密度為7 800 kg/m3,彈性模量為210 GPa。

圖2 SHPB系統(tǒng)試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device of SHPB system

圖3 石灰?guī)r試件放置位置Fig.3 Placement location of limestone specimen

在試驗(yàn)中,選取了具有代表性石灰?guī)r試件兩端的應(yīng)力—時(shí)間曲線進(jìn)行分析,如圖4所示。由圖4可知:入射波和反射波疊加后得到的應(yīng)變—時(shí)間曲線和透射波的應(yīng)變—時(shí)間曲線基本吻合,由此可以說(shuō)明在整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程中試件左右兩端的受力是幾乎相等的,從而滿足了應(yīng)力平衡條件[15]。

圖4 石灰?guī)r動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡檢驗(yàn)Fig.4 Calibration of dynamic stress balance of limestone

1.3 試驗(yàn)原理

在液壓氮?dú)庾饔孟?通過(guò)調(diào)整氣壓控制器讓子彈獲得一定速度撞擊入射桿端部,在入射桿內(nèi)產(chǎn)生的一維應(yīng)力波向透射桿方向傳遞,到達(dá)入射桿與試件的接觸面時(shí),由于桿件與試件波阻抗的差異,一部分應(yīng)力波將反射回入射桿,另一部分應(yīng)力波則透過(guò)試件進(jìn)入透射桿,經(jīng)過(guò)數(shù)次透射和反射后,試件兩端的應(yīng)力基本趨于相同。試件的力學(xué)參數(shù)可由“三波法”計(jì)算公式[16]求得:

式中,t為時(shí)間,ms;σS(t)為試件的應(yīng)力,MPa;εS(t)為試件的應(yīng)變,無(wú)量綱;·εS(t)為試件的應(yīng)變率,s-1;A0為沖擊壓桿的橫截面積,mm2;AS為試件的橫截面積,mm2;E0為沖擊壓桿的彈性模量,GPa;C0為沖擊壓桿的縱波波速,m/s;εI,εR,εT分別為入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變,均無(wú)量綱;LS為試件長(zhǎng)度,mm。

1.4 三維動(dòng)靜組合SHPB沖擊試驗(yàn)方案

深部巖石所處環(huán)境極為復(fù)雜,本研究將受到的水平和豎直地應(yīng)力簡(jiǎn)化為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力,通過(guò)對(duì)試件施加軸向和環(huán)向荷載來(lái)模擬巖石實(shí)際受力狀態(tài)。為研究軸壓和圍壓對(duì)試件強(qiáng)度、變形、能量耗散和破壞模式的影響,結(jié)合巖石埋深,對(duì)石灰?guī)r試件施加不同大小軸壓和圍壓,在此基礎(chǔ)上取不同的沖擊氣壓進(jìn)行三維動(dòng)靜組合沖擊試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的原始波形圖進(jìn)行分析計(jì)算,得到峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和平均應(yīng)變率等參數(shù),再結(jié)合石灰?guī)r靜載物理力學(xué)性能,最終確定的沖擊氣壓大小為0.5、0.6、0.8、1.0 MPa。為了與深部巖石處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境相匹配,根據(jù)巷道圍巖埋深確定了垂直應(yīng)力為18 MPa,水平應(yīng)力為20 MPa,本研究試驗(yàn)軸壓分別設(shè)置為 8、15、16、17 MPa,對(duì)應(yīng)于石灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度的10%、18.7%、19.9%、21.2%,圍壓分別設(shè)置為 1、2、3、5、7 MPa,加載方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)加載方案Table 2 Test loading scheme MPa

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)分析

巖石三維動(dòng)靜組合加載下破壞形態(tài)的宏觀認(rèn)識(shí)及微觀破壞機(jī)理的研究分析,對(duì)于煤礦巷道中巖爆的預(yù)防具有重要意義。試件典型破裂破碎形態(tài)如圖5所示,其中,圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)具有明顯的共性,即破壞面與加載方向平行,該現(xiàn)象表明試件發(fā)生的破壞主要為受拉破壞。另外,圖5(b)發(fā)生的破壞最為明顯,其在沖擊過(guò)程中發(fā)生了碎裂,在拆開(kāi)熱塑管后,破碎塊度較小,沿環(huán)向和徑向均出現(xiàn)了裂紋。

圖5 幾種典型氣壓及圍壓下石灰?guī)r試件的破碎狀態(tài)Fig.5 Fracture states of limestone specimens under several typical air pressure and circumferential pressure

對(duì)比圖5(a)、圖5(c)和圖5(d)可知,隨著沖擊氣壓的提高,平均應(yīng)變率逐漸增加,試件的損傷范圍由試件邊緣逐漸向中心部位擴(kuò)展[16],試件的破碎程度逐漸增大,由初始的較大塊度向較小塊度過(guò)渡,由于試驗(yàn)系統(tǒng)軸壓加載的上限值為20 MPa,此時(shí)發(fā)生的破壞主要是受拉破壞;當(dāng)軸壓較小時(shí),試件內(nèi)部破壞并不明顯且裂紋較少;而當(dāng)圍壓較小,增加軸壓時(shí)會(huì)使得試件的破壞從邊緣延伸至中心最終貫穿整個(gè)試件,從而導(dǎo)致試件發(fā)生粉碎性破壞。該現(xiàn)象與實(shí)際工程中的“巖爆”現(xiàn)象較為相似,基本都可歸因于在較大應(yīng)力狀態(tài)下巖體(煤體)內(nèi)部裂縫逐漸延伸且數(shù)量急劇增多,從而發(fā)生拉伸和剪切的共同破壞。

圖5(b)的破碎程度尤為明顯,試件表面出現(xiàn)貫穿上下表面的裂紋,在試件端面呈現(xiàn)環(huán)狀破裂的破壞形態(tài),此時(shí)為壓剪破壞,試件基本失去承載能力。由圖5(a)和圖5(b)可知:當(dāng)軸壓一定時(shí),圍壓的施加對(duì)試件環(huán)向變形起到了約束作用,使得試件的破壞程度降低,說(shuō)明增加圍壓會(huì)使得試件內(nèi)部變得更加緊密,從而提高試件的抗壓強(qiáng)度,裂紋的發(fā)展變得愈加困難,抑制了裂縫產(chǎn)生。圖5(d)中試件分裂成多個(gè)塊度較大體,這是因?yàn)榇藭r(shí)試件處于三向受力狀態(tài),受到垂直于沖擊荷載方向的作用力,出現(xiàn)了環(huán)向拉裂現(xiàn)象,此時(shí)的破壞形態(tài)為壓剪破壞。

2.2 應(yīng)力、應(yīng)變、平均應(yīng)變率分析

石灰?guī)r在軸壓和氣壓不變時(shí),改變圍壓時(shí)得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6可知:在軸壓和氣壓相同的情況下,當(dāng)圍壓從2 MPa增加至3 MPa和從3 MPa增加至5 MPa時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致,且變化曲線大致可分為兩個(gè)階段,即從初始值到峰值的彈性階段和近似線性遞減階段(圖6(a))。圍壓的增加使得試件的強(qiáng)度得到提升,但是當(dāng)圍壓增加到試件出現(xiàn)峰值應(yīng)力時(shí),應(yīng)變開(kāi)始出現(xiàn)回彈趨勢(shì),造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于圍壓的增大使得石灰?guī)r的抗壓能力得到提升,約束了試件的變形。圖6(b)曲線中圍壓為1 MPa時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線發(fā)生了異常,斜率明顯大于其他兩條曲線的斜率,呈現(xiàn)出急增急降的趨勢(shì),原因可能是在圍壓較小時(shí),試件在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了較大程度的破碎,試驗(yàn)結(jié)束后拆開(kāi)熱塑管也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

圖6 軸壓和氣壓一定石灰?guī)r的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of limestone under certain axial pressure and air pressure

石灰?guī)r在氣壓和圍壓一定、軸壓變化時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知:在同一圍壓下,隨著軸壓的增大,試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)在整體上趨于一致性。圖7(a)中的軸壓在8～18 MPa區(qū)間和圖7(b)中軸壓在10～18 MPa區(qū)間,應(yīng)變均出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象。應(yīng)力—應(yīng)變曲線大致可以分為3個(gè)階段,其中第1階段的彈性階段,從開(kāi)始加載到峰值點(diǎn),應(yīng)力呈現(xiàn)近似一次增長(zhǎng),之后進(jìn)入平緩階段,此時(shí)應(yīng)力無(wú)顯著變化,試件內(nèi)部的裂紋不斷積累和發(fā)育,而應(yīng)變還在持續(xù)增加,最后裂紋貫穿整個(gè)試件,內(nèi)部損傷變大,試件出現(xiàn)屈服并發(fā)生破壞。此現(xiàn)象說(shuō)明軸壓對(duì)巖石的承載能力起到了弱化效果,也印證了文獻(xiàn)[12]、[13]和[17]“軸壓弱化巖石承載能力”這一結(jié)論。對(duì)于回彈現(xiàn)象,應(yīng)該是由于圍壓的作用,使得試件原本在軸壓的作用下趨于破壞,但圍壓對(duì)試件產(chǎn)生了環(huán)向的約束作用,抑制了試件的破壞。

圖7 氣壓和圍壓一定石灰?guī)r的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of limestone under certain air pressure and confining pressure

石灰?guī)r在三維動(dòng)靜組合加載下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 軸壓和圍壓一定石灰?guī)r的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of limestone under certain axial pressure and confining pressure

由圖8可知:當(dāng)沖擊氣壓逐漸增加時(shí),試件的強(qiáng)度、應(yīng)力及應(yīng)變值均會(huì)增加,應(yīng)力的增加會(huì)使得試件的彈性模量增加,說(shuō)明試件的剛性增強(qiáng)。試件的變形階段大致可分為彈性階段、裂紋發(fā)展階段、變形階段和屈服破壞階段,在應(yīng)變達(dá)到峰值后,出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。在初始彈性階段,隨著應(yīng)變?cè)黾?試件的應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加,增加到應(yīng)力峰值時(shí),試件內(nèi)部微裂縫發(fā)育并持續(xù)擴(kuò)展,之后出現(xiàn)顯著的變形階段,此時(shí)試件的強(qiáng)度得到微小的提升;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力以后,試件的應(yīng)變微小增加,但應(yīng)力下降迅速,試件完全破壞。

2.3 能量耗散分析

基于一維應(yīng)力波理論[18],SHPB試驗(yàn)過(guò)程中入射能、反射能和透射能可分別進(jìn)行如下計(jì)算:

式中,WI、WR、WT、WS分別為入射能、反射能、透射能和耗散能,J;ωS為單位體積吸收能,J/cm3;VS為試件體積,cm3;φ為耗散率,無(wú)量綱;σI,σR,σT分別為入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、透射應(yīng)力,MPa。試驗(yàn)過(guò)程中在壓桿和巖樣接觸面涂抹少量黃油作為潤(rùn)滑劑,以減小摩擦帶來(lái)的能量損失。

根據(jù)一維應(yīng)力波理論和能量守恒定律,將應(yīng)力應(yīng)變傳感器上采集到的入射波、反射波、透射波通過(guò)計(jì)算得到三維動(dòng)靜組合沖擊過(guò)程中的入射能、反射能、透射能、吸收能、單位體積吸收能和耗散率,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示,SH-1、SH-2、SH-3、SH-4、SH-18 試件在試驗(yàn)過(guò)程中因儀器自身因素未采集到有效數(shù)據(jù),因此不再展示。

表3 石灰?guī)r沖擊能量計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results for limestone impact energy

對(duì)于石灰?guī)r沖擊能量計(jì)算結(jié)果選取具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得到試件在三維動(dòng)靜組合加載下的能量變化曲線如圖9所示。由圖9可知:在軸壓和圍壓保持不變的情況下,隨著沖擊氣壓的增大,入射能、反射能、透射能和吸收能均呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì),且吸收能大于透射能,反射能的增長(zhǎng)趨勢(shì)最為緩慢,試件變形越來(lái)越明顯,在破壞形態(tài)上試件的破碎程度逐級(jí)遞增。隨著入射能的增加,反射能、透射能和吸收能也呈現(xiàn)一次函數(shù)上升的趨勢(shì),這與唐禮忠等[19]在一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下矽卡巖的力學(xué)特性試驗(yàn)研究結(jié)果相吻合。由圖9(b)可知:隨著入射能的增加,試件的吸收能也呈線性增加,吸收能占比入射能約60%,這也說(shuō)明試件在三向受力狀態(tài)下時(shí),入射能有60%的能量以桿件的彈性波方式進(jìn)行傳遞。

圖9 入射能與透射能、反射能、吸收能的變化關(guān)系Fig.9 Variation of incident energy along with transmitted energy,reflected energy and absorbed energy

試件的變形和能量的傳遞密不可分[20],石灰?guī)r試件在三維動(dòng)靜組合加載下的能量變化與其峰值應(yīng)變之間的變化關(guān)系如圖10所示。對(duì)試件能量的傳遞規(guī)律分析發(fā)現(xiàn),隨著峰值應(yīng)變的增大,反射能、透射能和吸收能也呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),但與上述分析結(jié)果有所不同,即不再是一次函數(shù),其中吸收能增加的趨勢(shì)最為顯著,說(shuō)明試件吸收了更多的能量用于裂紋發(fā)育與擴(kuò)展,吸收能越大,試件內(nèi)部縫隙越多,裂縫擴(kuò)展得越廣泛。從試件的破壞形態(tài)上進(jìn)行解釋,即試件向破壞乃至粉碎過(guò)渡,峰值應(yīng)力越大,說(shuō)明試件被壓縮得越嚴(yán)重,破碎程度越嚴(yán)重[21]。

圖10 透射能、反射能、吸收能與峰值應(yīng)變的變化關(guān)系Fig.10 Variation of peak strain along with transmitted energy,reflected energy and absorbed energy

不同沖擊氣壓下對(duì)石灰?guī)r試件進(jìn)行三維動(dòng)靜組合加載,試件的平均應(yīng)變率與入射能、反射能、透射能和吸收能之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 入射能、透射能、反射能、吸收能與平均應(yīng)變率關(guān)系Fig.11 Incident energy,transmitted energy,reflected energy,absorbed energy and average strain rate relationship

由圖11可知:隨著平均應(yīng)變率的增加,入射能、反射能、透射能和吸收能與其平均應(yīng)變率呈現(xiàn)二次函數(shù)的增長(zhǎng)關(guān)系,這與上述反射能、透射能、吸收能和入射能之間的關(guān)系有所類似,增長(zhǎng)速率卻有所不同,入射能呈現(xiàn)高速增長(zhǎng),反射能低速增長(zhǎng)。4個(gè)能量與平均應(yīng)變率之間的線性擬合關(guān)系式為[22]

單位體積吸收能與平均應(yīng)變率的關(guān)系曲線如圖12所示。由圖12可知:隨平均應(yīng)變率增加,試件的單位體積吸收能呈二次函數(shù)關(guān)系,但試件的數(shù)據(jù)點(diǎn)大多分布在曲線兩側(cè)左右,說(shuō)明擬合曲線相關(guān)系數(shù)有所降低。在三維動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)中,巖石試件的物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上是動(dòng)態(tài)變化的,因而試驗(yàn)采用巖石試件的初態(tài)作為數(shù)據(jù)中的初值,會(huì)存在些許誤差。對(duì)單位體積吸收能與平均應(yīng)變率的關(guān)系圖和石灰?guī)r試件的破壞形態(tài)圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)試件平均應(yīng)變率較低時(shí),試件內(nèi)部存在裂紋發(fā)育與持續(xù)擴(kuò)展的吸收耗能;隨著平均應(yīng)變率增加,單位體積吸收能的增大會(huì)使得其內(nèi)部呈現(xiàn)新的細(xì)微裂紋且持續(xù)擴(kuò)展;當(dāng)平均應(yīng)變率較高時(shí),在應(yīng)力作用下試件裂縫相互作用、相互影響的增強(qiáng)使得裂縫得以交叉發(fā)展,試件沿著軸向發(fā)生劈裂拉伸破壞與壓剪等破壞。

圖12 單位體積吸收能與平均應(yīng)變率的關(guān)系Fig.12 Relationship between absorbed energy per unit volume and average strain rate

3 結(jié) 論

基于SHPB動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)裝置,開(kāi)展了三維動(dòng)靜組合加載下石灰?guī)r力學(xué)特性研究,分析了不同圍壓、軸壓與沖擊速度對(duì)石灰?guī)r力學(xué)特性的影響,主要得到如下結(jié)論:

(1)在三維動(dòng)靜組合加載下,當(dāng)峰值應(yīng)變?cè)龃?吸收能也隨之增大,加速了試件內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展,吸收能達(dá)到峰值時(shí),裂紋的擴(kuò)展程度達(dá)到最大,此時(shí)試件粉碎,呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室“巖爆”趨勢(shì);反射能、透射能、吸收能、入射能和單位體積吸收能均隨著平均應(yīng)變率的增加呈二次函數(shù)增長(zhǎng)。

(2)試件在軸壓和圍壓不變、沖擊氣壓變化時(shí),應(yīng)力—應(yīng)變曲線可分為彈性階段、裂紋發(fā)展階段、變形階段和屈服破壞階段4個(gè)階段,在達(dá)到應(yīng)變峰值時(shí),出現(xiàn)回彈現(xiàn)象;巖石破壞形態(tài)在不同圍壓下主要呈現(xiàn)拉伸破壞和壓剪破壞,增加圍壓可以降低試件因受動(dòng)力擾動(dòng)而誘發(fā)的實(shí)驗(yàn)室“巖爆”概率。