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水利工程论文花岗岩动态压缩力学特性的实验和理论研究摘要本文简要介绍了花岗岩材料的动态压缩实验结果,同时建立了花岗岩材料的裂纹模型,并基于断裂力学以及细观力学的相关理论,模拟了花岗岩材料的在动态压缩载荷作用下的强度特性。这些模拟结果与实验结果相符。关键词花岗岩动态压缩力学特性前言岩石材料在动态压缩载荷作用下的力学特性是研究岩石结构如隧道、岩质边坡在爆炸荷载以及地震荷载作用下的响应的重要参数。这一课题的研究始于20世纪中期,如文16的工作。这些研究结果表明,岩石材料的力学特性表现出较明显的率相关特性,例如,岩石材料的抗压强度一般地随应变速率的增加有增加趋势。本文概述了作者近年来对花岗岩材料在动态压缩载荷作用下力学特性进行的实验以及基于细观力学以及断裂力学进行的理论研究成果初步工作,力图为岩石动力学的相关研究提供借鉴。2实验研究实验所用岩样取自新加坡BukitTimah地区钻孔取出的岩芯,在室内用套钻加工成3060mm的圆柱体试样。实验设备为RDT-1000型岩石高压动三轴实验系统,该系统的工作原理以及性能指标见文5,6。实验中,应变速率范围为104~100s1,围压范围为0~170MPa。图1描述了花岗岩在动单轴压缩载荷作用下强度随应变速率的变化规律。可以看出,花岗岩的抗压强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势,当应变速率从10-4s1增加到100s1时,花岗岩的抗压强度约增加15%。实验结果还表明,花岗岩的弹性模量和泊松比随应变速率的增加没有明显的变化趋势,而且结果比较发散。图1花岗岩单轴抗压强度随应变速率的变化规律Fig.1Changeofuniaxialcompressivestrengthwithstrainrateforgranite图2抗压强度随应变速率的变化规律Fig.2Changeofcompressivestrengthwithstrainrate图2、3描述了花岗岩抗压强度在动三轴压应力作用下随应变速率以及围压的变化规律,可以看出。不同围压下,花岗岩的抗压强度随应变速率的增加有增加趋势,同时,强度的增加幅度随围压的增加有明显的减小趋势。在不同应变速率下,岩石的抗压强度随围压的增加明显地增加,而且,强度随围压的增加幅度在不同应变速率下基本上相同。三、理论研究岩石是一种较典型的非均质材料,普遍包含着不同尺度的缺陷。在压缩载荷作用下,微裂纹将在这些缺陷的周围产生并且扩展聚合,导致岩石材料的破坏,影响岩石材料的宏观力学行为。基于这些认识,一些裂纹模型被应用于研究岩石材料在压缩载荷作用下的强度以及变形特性。结合断裂断裂力学的相关理论,这些研究架起了岩石材料细观和宏观力学特性之间的桥梁,也成为目前岩石材料力学特性研究的热点方向。在这些模型中,滑移型裂纹模型最广泛地应用于研究脆性材料在压缩载荷作用下的力学特性。图3抗压强度随围压的变化规律Fig.3Changeofcompressivestrengthwithconfiningpressure图4单轴情况下的裂纹模型Fig.4Slidingcrackarrayunderuniaxialcompression文7,8采用图4、5所示的裂纹模型模拟花岗岩材料在动单轴压缩载荷作用下的劈裂破坏模式以及三轴作用下的剪切破坏模式,并结合裂纹的动态扩展准则模拟了花岗岩材料的动态抗压强度随应变速率的变化规律,如图6、7、8所示。图78的结果表明,模拟结果与实验结果较一致。文7,8的结果还表明,裂纹的扩展速率以及岩石材料的断裂韧度的率相关特性是花岗岩单轴抗压强度随应变速率增加而增加的内在原因,同时,由于围压阻止了拉伸裂纹的扩展导致了岩石材料的抗压强度随围压的增加而增加。图6三轴情况下的裂纹模型Fig.6Slidingcrackarrayundertriaxialcompression图7模拟强度与应变速率关系单轴Fig.7Changeofsimulatedstrengthwithstrainrateuniaxialcompression图8模拟强度与应变速率关系三轴Fig.8Changeofsimulatedstrengthwithstrainratetriaxialcompression四、结语随着国家西部大开发战略的实施,我国将迎来新一轮的基础建设高潮,如青藏铁路以及南水北调西线工程,在这些工程的实施中,普遍存在强烈地震作用下隧道以及边坡岩体的稳定性问题。同时随着工程爆破在岩矿开采、地下洞室的营建以及场平开挖等工程中的广泛应用,也将存在诸如大型水利及能源工程基础爆破开挖中基岩的保护、爆破荷载作用下岩石结构振动安全等问题。另外,在新的战争态势下与国防安全相关的岩石结构防护工事防护性能评估也是目前需要解决的焦点和热点问题。上述问题的解决,在一定程度上要求对岩石材料的动态力学特性进行系统的研究。因此,深入开展岩石材料动态力学特性研究不仅是岩石动力学科发展的需要,也是国家建设和国家安全的迫切需要。图9模拟强度与围压关系三轴Fig.9Changeofsimulatedstrengthwithconfiningpressuretriaxialcompression参考文献1FriedmanM,PerkinsRDandGreenSJ.ObservationofbrittledeformationfeaturesatthemaximumstressofWestlygraniteandSolenhofenlimestone.IntJRockMechMinSci,1970,7297306.2Grady,D.E.andKipp,M.E.Continuummodelingofexplosivefractureinoilshale.IntJRockMechMinSci,1980,17147157.3吴绵拔,刘远惠.中等应变速率对岩石力学特性的影响.岩土力学,1980,15158.4鞠庆海.不同加载速率不同围压条件下混凝土的破裂判据与动态性能研究.中国科学院武汉岩土力学研究所硕士学位论文,1993.5ZhaoJ,LiHB,WuMBandLiTJ.Dynamicuniaxialcompressiontestsongranite.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999362273277.6LiHB,ZhaoJandLiTJ.TriaxialCompressionTestsofagraniteatdifferentstrainratesandconfiningpressures.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,199936810571063.7LiHB,ZhaoJandLiTJ.Micromechanicalmodellingofmechanicalpropertiesofgraniteunderdynamicuniaxialcompressiveloads.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,200037923935.8LiHB,ZhaoJ,LiTJandYuanJX.Anayliticalsimulationofthedynamiccompressivestrengthofagraniteusingtheslidingcrackmodel.InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodinGeomechanics.2001,inpress。AbriefintroductionfortheexperimentalandtheoreticalstudyondynamiccompressivemechanicalpropertiesofagraniteAbstractTheexperimentalstudiesonthemechanicalpropertiesofagraniteunderdynamiccompressionarebrieflyintroducedinthepresentpaper.Thecrackmodelofrockmaterialunderdynamiccompressionisalsoestablished.Basedonthefracturemechanicsandmircromechanics,thesimulatedstrengthunderdynamiccompression,aswellasthestressstraincuresunderdynamicuniaxialcompressionofthegraniteareobtained.Itisindicatedthatthesimulatedresultsagreewiththeexperimentalresults.KeywordsGraniteMechanicalpropertiesunderdynamiccompression
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