（岩土工程专业论文）动、静荷载作用下不同倾角裂隙岩体力学性能试验模拟研究.pdf

摘要工程中经常遇到两类岩体动力问题：一是动力开挖时如何确定动力的直接作用面；二是岩体受动力荷载作用时如何降低动力荷载的破坏效果。针对这些问题，本文设计了试样模具，对磨平机进行了改进，利用水泥砂浆制作试样来模拟具有不同倾角的贯通裂隙岩体，然后利用微控电液伺服万能试验机和s h p b 试验装置对试样分别施加静态荷载和不同冲击速度的动态荷载，研究裂隙岩体在静、动荷载下的力学性能。从试验结果可以看出，倾角对裂隙岩体在静、动荷载下的力学性能有很大的影响比如抗压强度，静态荷载下裂隙倾角为4 5 。时最小，而动力荷载下则是在3 0 。时为最小；裂隙倾角对于岩体的静、动弹性模量均有影响，其影响与裂隙对强度的影响相似；裂隙岩体具有应变率效应，并且应变率效应受裂隙的倾角影响，倾角为3 0 。时其应变率效应最低，6 0 。、9 0 。和无裂隙岩体的应变率效应较明显。同时，随着应变率的提高，应变率的增长对于动力增长系数的增长贡献减小。试验还发现裂隙水的存在对于裂隙岩体的力学性能也有很大的影响，静态荷载下裂隙岩体的软化系数与倾角无关；动态荷载下，由于动力荷载而产生的动水压力与裂隙的倾角有关。根据试验获得的结果，对工程中涉及的动力开挖，当动力荷载作用面与裂隙面成3 0 。角时，动力破坏效果最大；对于处于动力荷载作用下的岩体工程，当动力荷载作用面垂直于裂隙面时，动力荷载对岩体的破坏效果最小。【关键词】：裂隙岩体；试验研究；动、静态力学性能；s h p b ；动力增长系数；动水压力本文得到了科技部十一五科技支撑计划“西线超长隧洞t b m 施工关键技术问题研究”之专题。深部陡倾角层状裂隙岩体涌水与突水机理及对隧洞安全影响”( 项目编号：2 0 0 6 b a b 0 4 a 0 6 ) 的资助la b s t r a c ta b s t r a e tt w ok i n d so f d y n a m i cp r o b l e m so f f r a c t u r e dr o c km a s sa l eu s u a l l ym e ti ne n g i n e e r i n g o n ei sh o wt od e c i d et h ea c t i n gs u _ r f a c eo fc l r n a m i el o a di nd y n a m i cd i g g i n g 1 1 坞o t h e ri sh o wt od e c r e 拨t h ee x e c u t i o no f t h ed y n a m i cl o a d i n g f o rs t u d y i n gt h e s ep r o b l e m s c e m e n tg r o u ts p e c i m e n sa m a d et os i m u l a t ef r a c t u r e dr o c km a s sw i t hd i f f e r e n ti n c l i n e da n g l eb yt h ed e s i g n e ds p e c i m e nm o u l da n dt h ei m p r o v e dr u b d o w nm a c h i n e t h e nb yu s i n gt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e l v ot e s tm a c h i n ea n ds p l i th o p k i n s o np r e s s mb a r , s p e c i m e n sa r cl o a d e dw i t hs t a t i cl o a da n dd r n a m i cl o a dw i t hd i f f e r e n ts h o c kv e l o c i t y o nt h eb a s i so f t h ee x p e r i m e n t s ，t h es t a t i c ：a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r e dr o c km a s sc a nb ec o n c l u d e d f r o mt h er e s u l t , t h e r ei se v i d e n td i f f e r e n c eb e t w e e ns l = l t i ca n dd r n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r e dr o c km a s s 1 1 艟l o w e s tc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ff r a c t u r e dr o c km a s so c c u l sw h e ni n c l i n e da n g l ei s4 5 。u n d e rs t a t i cl o a d i n g b u tu l l d c rd y m m i el o a d i n gc o n d i t i o ni ti s3 0 。a n di ti ss i m i l a rf o rt h ee l a s t i cm o d u l u s t h ei n c l i n e da n g l e sa l s oh a v eg r e a te f f e c t so l lt h es t r a i nr a t eo ff r a c t u r e dr o c km a s s w h e ni n c l i n e da n g l ei s3 0 * ，t h es t r a i nr a t es e n s i t i v i t yi sv e r yl o w , b u ti ti sv e r ye v i d e n ti n6 0 。、9 0 0o rt h er o c km 嘲w i t h o u tf r a c t u r e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i nr a t es e n s i t i v i t y , t h ec o n t r i b u t i o no fi n c r e a s eo fs u a f i nr a t es e n s i t i v i t yt oa y n a m i ei n c r e a s ef a i ri sd e c r e a s e d 1 1 舱e x i s t i n go f w a t e ri nf l - a c t u r ea l s oh a sg r e a te f f e c t s0 1 1m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r e dr o c ki 潞n 圮s o f t e n i n gc o e f f i c i e n to ff r a c t u r e dr o c km a s s e sh a sn ov a r i a t i o nw i t ht h ei n c l i n e da n g l eu n d e rs t a t i cl o a dc o n d i t i o n , b u tt h ei n c r e a s i n gl a y d r o d y m m i ep r e s s u r ed u et od y n a m i cl o a di sr e l a t e dt oi n c l i n e da n g l eo f f r a c t u r e dr o c km a s s 一a tl a s t , b a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s , t h ea n g l eb e t w e e na c t i n gs u r f a c eo fd y n a m i cl o a da n df r a c t u r es u r f a c ei ss u g g e s t e dt ob e3 0 。d u r i n gd y n a m i cd i g g i n g , a n dt h ef r a c t u r es u r f a c ei ss u g g e s t e dt ob ev e r t i c a lt ot h ea c t i n gs u r f a c eo fd y n a m i cl o a dw h i l ed e f e n d i n gr o c km a s s f r o md y n a m i cl o a d k e y - w o r d l s ：f r a c t u r e dr o c km a s s ；e x p e r i m e n t a ll e s c a r c l 【l ；d y n a m i ca n ds t a t i cm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ；d y n a m i ci n c r e a s ef a c t o r ；, h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：逢垒f 瞧川年月严日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：月舡日第一章绪论第一章绪论1 1 引言随着我国经济建设的高速发展，在岩体中修建了大量水利、交通、土木、采矿、石油、国防等岩土工程，岩体的力学特性已被广泛关注。岩石力学是伴随着人类生产活动逐渐发展起来的一门研究岩石材料及工程岩体在力的作用下，产生变形和破坏规律的应用性基础学科其理论基础涉及弹塑性力学、固体物理、流变学、流体力学、工程地质、地球物理学、矿物学等多种学科。对岩石力学性能的研究直接影响到人类的资源开发、交通运输、道路、国防安全的全面建设，影响岩土结构工程的质量、效益和安全状况裂隙岩体是坝基、边坡、采矿、地下洞室、石油开采，国防建设等工程中广泛遇到的复杂岩体，它在外荷载作用下的强度、变形及稳定性等特性，直接影响工程的设计、施工和运营。许多专家学者对裂隙岩体在静荷载下的力学性能进行了广泛丽富有成效的研究，但是对于其在动荷载下的力学性能，特别是在应变率比较高的情况下的研究，目前还比较少。裂隙岩体与完整的岩石材料不同，它是地质体的一部分，在其形成和存在的整个地质历史时期中，经受过各种复杂而不均衡的地质作用，并最终赋存于一定的地质环境之中，因此裂隙岩体在力作用下的变形与强度特征要比岩石材料复杂的多【l 】。裂隙岩体的变形和强度，一方面取决于它的受力条件，另一方面则受岩体本身特征及其赋存条件的影响，特别是水对其的影响。近几十年来，岩土工程的建设规模不断扩大，岩土工程中遇到了许多关于岩体动力学方面的问题。例如：在进行动力( 如爆破) 开挖时，隧洞、边坡岩层及邻近建筑物的稳定性问题；地震作用下岩石边坡和岩基的稳定性问题；矿井下煤岩体、大型水利工程的地下厂房及引水隧洞在开挖过程中引起的冲击地压问题；由岩体、混凝土等构成的防护工程在高速弹体作用下的侵入问题；核武器在空中或地下爆炸时产生的冲击波对岩体和地下防护工程产生的冲击效应问题；以及列车提速后引起的加速振动对现有隧道的安全性能的影响等。所有这些问题均涉及到岩体的动力特性，如果仍然沿用静力学的原理和方法来求解这类问题，显然是不够的【2 】，必须要从动力学的角度来考虑这类问题。同时，随着对这些动力方面的问题的进一步研究、解决，也促进了岩体动力学的形成与发展。岩体动力学作为- - f l 新兴的学科，专门研究在各种动力荷载作用下，岩石和岩体产生的应力、应变、位移、速度、加速度、裂缝以及破坏等的力学特性和动态效应问题，其研究范围包括：( 1 ) 岩石和岩体自身的动力特性以及应力波在岩石类介质中的河海大学硕士学位论文传播；( 2 ) 岩石和岩体在各种动力因素作用下所表现出来的各种动力学响应。因此，运用岩体动力学知识，对裂隙岩体动力特性进行进一步的研究，无疑具有十分重要的意义。研究裂隙岩体的动力特性，是岩体动力学的重要理论基础，也是工程实践中有广泛应用前景的课题，它的意义在于：研究裂隙岩体的动力学特性，可以加深对裂隙岩体基本动力学特性的了解，正确评价各种动力因素对岩体动态强度和变形的影响以及各种因素之间的相互关系。掌握岩体动力学规律，可以指导工程实践，例如：快速开挖和钻探；地震法勘探；石油、天然气的开采；爆破和洞室开挖设计；受动力荷载作用下裂隙岩体边坡的稳定性分析等一系列涉及到动力荷载作用的岩体动力学问题。1 2 裂隙岩体的研究现状1 2 1 裂隙岩体的力学试验研究岩石是一种天然材料，由于岩石的组成成份和其结构的差异，岩石的力学特性变化很大，非均匀性、各向异性和非连续性是岩石力学特性复杂性的主要表现【3 】。在微观尺度上，由于地质演变和多次复杂的构造运动使得岩石含有不同阶次随机分布的微观孔隙和裂纹；在宏观尺度上，天然岩体又被多种地质构造面切割。所以岩体既不是离散介质，也不是连续介质，而是一种由许许多多晶体间的滑动面、裂纹、节理、弱面、夹层以及断层等组成的非均质、各向异性、非连续的复合结构体。因此，应当首先研究非连续面的力学特性，从而进一步研究整个岩体的力学特性。根据岩体中裂隙的连通与否，可以将岩体分为含贯通裂隙和含非贯通裂隙两种情况。如果岩体中存在连续的裂隙，或者裂隙与其他结构体相互切割时将岩石完全隔离，岩石只是由于周围的岩石的约束而保持稳定，则这种裂隙面为贯通裂隙面。如果岩体的强度和变形以及破坏形态主要受贯通裂隙所控制时，则将这样的岩体视为贯通裂隙岩体，在研究贯通裂隙岩体的力学特性时，既要考虑岩块的特性，也要考虑贯通裂隙的特性。在对岩体的力学特性进行的研究中，试验占有非常重要的地位，近几十年来，许多学者在岩体力学性能的测试上已经做了大量的工作，发展了比较可靠的试验技术，积累了丰富的试验数据。国际岩石力学学会先后三次( 1 9 7 8 、1 9 8 8 、1 9 9 5 ) 颁布了测试岩石材料拉伸强度和i 型( 张开型) 断裂韧度建议的试验方法，这些方法被许多国家所采纳。但这些试验主要集中在岩石受静态或准静态荷载，而对于其在动荷载下的力学性能的测试方法则没有涉及。在动态荷载作用下，由于岩石类材料具有很强的应变率效应而使其力学性能较为复杂，主要表现为应变率的增加会使岩石的破坏应力迅速提高，破坏应变也会相应提高，因此，在动荷载情况下，尤其是在高应变率条件下，2第一章绪论岩石类材料的测试方法和其力学特性的研究还有待迸一步深入研究开展岩体力学试验，主要是通过现场大型原位试验进行的，这些试验常常是工期长、投资大的艰巨工作，完成一项重大工程的岩体力学现场原位试验，所需消耗的资金往往是相当大的另一方面，人们已经认识到岩体的结构特性( 节理、裂隙特性)是控制岩体强度、变形、破坏等力学特性的根本因素，通常的室内岩石试验很难如实反映岩体的结构特征。通过室内模拟试验把岩体的结构特征和赋存环境统一到模拟试验中去，模拟工程岩体的强度、变形、破坏过程和机理，是近年来研究裂隙岩体力学特性的一种有效的方法【4 】国内许多学者采用多种模型材料对裂隙岩体力学特性及其规律进行了研究。范景伟、何江达【5 】通过石膏模型试验，着重分析了含定向断续节理脆性岩体的强度特性和破坏机理，发现在所研究的断续节理岩体中破坏机理是由裂隙端部的应力集中而引起的撕裂破坏，并提出了估算这种岩体强度的准则孙卫军等人1 6 1 为了验证节理裂隙岩体本构方程及其演化方程的正确性，利用石膏硅藻土混合材料制成一批倾角不同的裂纹体，对此模拟试件进行了常规三轴及单轴试验。朱珍德，胡赳7 】运用断裂力学理论定量地分析了裂隙长度、方向、间距对岩石强度的影响，详细推导了含裂隙水压力岩体的初始开裂强度公式，并通过试验结果加以证实，所建立的强度公式具有较高的可靠性，可用于暴雨入渗边坡和实际工程岩体稳定性评价刘东燕、朱可善嘲通过含中心斜裂纹砂浆试件的单轴压缩模型试验，发现初裂强度受裂纹倾角影响明显，当裂纹面法向与加载方向成4 5 。夹角时，初裂强度最低；并借助断裂力学理论，建立了表征初裂的新的断裂准则。李建林、哈秋舱 9 1 根据节理岩体模拟试验中受节理切割岩体的受拉破坏是沿与受拉平面交角最小的节理面张开、岩桥断裂这一破坏模式，建立了节理岩体断裂等效模型，从而导出了节理岩体拉剪断裂等效判据。白世伟、任伟中、沈婷等【盼12 】通过直剪试验条件下的模型试验，研究了不同节理连通率、节理排列方式、正应力条件下同时包含闭合节理和岩桥的剪切面的变形和强度特性及其相应的变化规律，同时还根据激光散斑照相技术及应变片测试技术，深入分析了平面应力条件下闭合断续节理脆性岩体的变形和破坏特征，揭示了裂纹扩展规律和破坏机理。陈文玲f 1 3 】通过石膏模型试验系统分析了循环动荷载作用下单组非贯通裂隙岩体的力学特性，研究了荷载频率、裂隙倾角、裂隙密度对岩体变形和强度性质的影响；发现裂隙倾角为4 5 。时裂隙岩体强度最低，随着加载频率的逐渐增加，残余强度也呈河海大学硕士学位论文逐渐增加的趋势。1 2 2 动荷载下的裂隙岩体研究现状随着大量岩土工程的建设，裂隙岩体在静荷载作用下的力学性能已经受到国内外众多学者的高度重视，并且在其强度理论、破坏机理等方面作了大量的工作。同时，对不同种类的岩石在不同加载速率范围内的动力学特性及其本构关系的研究也取得了很大的进步，获得了许多有重要意义的结果。但是，大量的工程实际表明，岩体中的宏观缺陷( 节理、裂隙、断层、结构面等) 越来越多的处于动荷载环境中，而且，它们是影响动载效果的主要因素之一。缺陷的存在不但使岩石承受荷载能力下降，还使应力波传播速度降低、峰值衰减【1 4 1 。因此，对动载下裂隙岩体的研究显得尤为重要，吴绵拔【1 5 】用模拟爆炸应力波加载形式的岩石快速加载机，对含有预制裂隙的大理岩和花岗岩做了三点弯曲的动态断裂试验，得出岩石的断裂韧度随加载速率的提高而明显提高。黄理兴1 1 6 】研究了爆炸荷载作用下混凝土模块裂纹起动、形成、扩展、止裂的全过程。王明洋、钱七虎【1 4 1 结合实际的地质特点，根据断层与节理裂隙带的几何关系，运用应力波通过裂隙传播理论，分析了应力波通过节理裂隙带的衰减规律。认为纵波阶跃波经过两条以上平行闭合裂隙后出现上升时间a t r ，它随入射角的增大而减小，与纵波通过裂隙间距的时间同量级。同时得出断层裂隙带越破碎，耗能越大的结论。陈静曦【l 川明通过对具有不同裂隙分布的石膏模型破裂过程的描述，分析了单轴动、静荷载作用下裂纹扩展的试验结果，揭示了它们之间的差异和共同遵循的规律。此后，又通过石膏模型爆炸试验，得出岩石动力断裂相关因素为应变率、应力幅值及其上升时间、应力幅值持续时间以及地压应力场的取向等结论。张平、李宁等【1 9 - 2 1 】针对地震、爆破等动力荷载作用下节理裂隙岩体的稳定性问题，采用含2 条、3 条闭合非贯通裂隙的类砂岩模拟试样，对应变速率为1 7 x 1 0 4 s - 1 、1 7 x l o 。3 s 1 、1 7 x 1 0 4s - 1 条件下的含裂隙试样进行了单轴加载试验，发现裂隙试样的变形与内部裂隙的贯通过程紧密相关，且呈现显著的局部化渐进破坏特征；随着应变速率的增加，裂隙试样应力一应变曲线斜率显著增加，裂隙试样与无裂隙试样弹模差别减小。他们还采用预制断续裂隙类砂岩模型试样单轴动载试验，对不同裂隙空间位置( 雁行、共面排列) 条件下两条裂隙的贯通机制进行了研究。田象燕、高尔根等瞄】通过在m t s 上对南京砂岩和大理大理岩进行的应变率为1 0 - 5 1 0 之s 1 的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应；通过对饱和岩石的应变率效应和各向异性作出的分析，得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。李夕兵等【2 3 】为了考察应力波延续时间和波形对岩石动态破碎强度的影响，对不同类型的岩石进行了不同入射波波形和延续时间条件下的冲击加载试验，得出了入射应4第一章壤谂力波波膨和延续时闻对岩葫动态破碎强度的影响很小，破裂强发激饔取决于应变速率，弗j 垃似与应变速率的l ，3 次幂成正比的结论。来选民、顾铁凤等洲聱j 用三轴压力试验机谶行了裂隙岩体巷道的动力模型试验，研究了槐造控制性裂隙与麓遂布置不同匹配瓣鞠采巷道戆稳定性影响筑律，分耩了裂骧鬻糕( i ) 、裂稼颓蕉 ) 及其裘豫方霞_ 箨熊遂辘两夹囊( 球) 镣阂素对巷遂嚣砉收敛变形的影响，并提出了构造控制性贯通裂隙条件下保证巷道稳定及其维护的袭隙一巷遒轴线匹配布黄原则。1 3 分离式霍普金森厩杆的研究现状一缎壤况下，对者嚣、潼凝耪餐豹动态试验静凌备主要骞麓三辘纹、分离式鬈普金淼聪杆( s h p b ) 装鬟、平板撞击装置、警蕊波发生器，各种装嚣所能测试的应变率及熊测试方法的比较如袭1 1 所示：表1 1 动力测试方法比较由予s h p b 装置所适用的应变率范围是1 0 2 s - l 1 0 s ，该应变攀范围恰好包括了动癍秀耱瘦交率发生转辑瓣辍交率，嚣蘧，该试验装壹在溅试耪辩溯态力学毪戆方瑟具有较羯的实用价值。蠡驮1 9 4 9 年k o l s k y 提嫩分离式h o p k i n s o n 聪耔技术以来1 2 5 1 ，作为研究材料动态力学性能的最基本试验装鬣，s h p b 试验技术已被广泛用于材料高应变攀下动态力学性能的测试中。程潮外，二十世纪7 0 年代前后，对该试验技术的研究很多，象要围绕该试验技拳戆秀今蓥零霰定( 一维艨秀鞭定窝均匀毪稷定) 遴孬了磅究论滚，建立了骞关试撵熬设计琢掰移数据楚理豹修难方法泌嚣l 。l i n d h o l m 、o r e c n 等 删铡用这耱方法已经得到了许多金属材科在应变帛i 0 2 s - l 1 0 3 s 1 范嗣内的动态压缩应力一应变曲线。二十世纪9 0 年代以来，很多研究人员为了拓宽该技术的应用范围，对该试验方法进行了改进和理论方面的修正。测试了几种软材料的幼态力学性能；d j f t e w 等人应用该试河海大学硕士学位论文验技术研究了岩石等脆性材料的动态力学性能。在国内，自从二十世纪8 0 年代初，中科院力学研究所率先设计加工了s h p b 装置以来，至今已有数十家单位拥有这种试验装置。利用该装置，已经做了大量的试验工作，涉及到的材料有金属、混凝土、有机玻璃、泡沫、岩石、橡胶等。刘剑飞、胡时胜等【3 3 】和j 用分离式h o p k i n s o n 压杆对花岗岩材料实施了高应变率动态试验，试验中采用了预留间隙法，有效地避免了加载波上升沿对这类脆性材料试验精度的影响，发现花岗岩材料有很明显的应变率硬化效应和损伤软化效应。王鲁明等跚在脆性材料s h p b 实验技术的研究中用s i - i p b 装置研究了脆性材料( 硬岩、混凝土、高强度砂浆、陶瓷等) 及脆性材料组的非均一材料高应变率下的动力特性，简要讨论了万向头、波形整形器、异型炮弹、软性介质、节理试样与结构性试样等问题。李廷、席道瑛等阴利用s h p b 装置对饱油和饱水的砂岩、大理岩进行冲击试验，发现对于同种岩石试样，饱油岩样的衰减系数比饱水试样的小，对于不同的类型的岩样，孔隙率大的岩样相应的衰减系数大，应力波在饱和介质中的衰减与介质中液体的粘滞系数有关。同时，材料中的孔隙和液体的存在对应力波的弥散特征也有一定的影响。东兆星、单仁亮等 3 6 1 基于统计学和损伤力学的观点，建立岩石在高应变率下的动态本构模型是进一步研究爆破机理、爆炸应力波传播、爆破参数优化的基础，并用动态本构模型与试验结果进行比较，发现具有较好的一致性。他们还在证明了利用s h p b装置测试岩石动态全应力应变曲线的可行性的基础上p 7 3 9 1 ，测试了大量的花岗岩和大理岩的动态全应力应变曲线，对它们在受到冲击后从变形至破坏全过程的机制进行了深入的探讨，发现花岗岩的冲击应力应变曲线峰前具有明显的跃进性，初始阶段能够较好地近似为直线，且直线的斜率与加载速率没有明显的相关性，峰后则表现出较大的离散性，同时发现花岗岩的应力应变曲线有时还能表现为递减硬化和递增硬化的特性。根据试验结果，提出了简明的岩石冲击损伤时效模型为了获得材料准确的动态力学性能参数，陶俊林等【舯】提出了两种对试件实现恒应变率加载的试验方法：双试件s h p b 方法和将圆柱形子弹改变成锥形子弹的s h p b 方法，对三种金属材料进行了试验，并且用数值模拟的手段对这两种方法进行了验证和比较，验证了方法的可行性。周子龙，李夕兵等【4 l 】从s h p b 试验装置加载波形入手，运用非线性动力分析有限元程序对传统矩形波和改进的半正弦波加载下不同直径入射杆中的波形弥散情形进行分析，验证了s h p b 半正弦波加载波随杆径增大无明显弥散，认为这种波形是用于岩石、混凝土类脆性材料大直径s h p b 测试的理想波形。陈德兴，胡时胜等【4 2 】讨论了在大尺寸( 直径1 0 0 r a m ) s h p b 装置上测量混凝土、岩石等脆性材料动态力学性能时会出现的问题，并且采取了在入射杆的打击端加设波6第一章绪论形整形器，在试件与杆件中间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的试验技术及采用新的处理方法，提高了试验结果的精确度和可信度夏昌敬，谢和平等1 4 3 】利用分离式h o p k i n s o n 压杆装置对砂岩的动态力学特性进行了试验研究，分析冲击过程和砂岩能量耗散过程，研究了孔隙率对人造岩能量耗散的影响，通过试验，发现利用一维应力波理论得到的动态荷载下砂岩的应力应变关系曲线，有助于在数值模拟计算中选择合适的模型参数；由于砂岩中存在大量的缺陷( 微裂隙、空洞和孔隙等) ，因此在冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式；孔隙率对冲击荷载作用下的岩石能量耗散起着重要作用：在冲击荷载作用下，随着岩石孔隙率的增加，岩石耗散的能量也增加。s 玎) b 试验装置主要有以下优点：1 设计思想巧妙。原来的h o p k i n s o n 压杆只能用于测量应力脉冲信号，经过k o l s k y的改进，可用于测量材料在高应变率下的应力应变关系2 装置结构简单，操作使用方便，使用成本低。3 测量方法简单，在冲击条件下测量材料的动态应力一应变关系，需要在试样的同一位置上同时测量应力、应变，这是一件比较困难的事情。而s h p b 试验技术避开了这一难题，利用贴在输入杆和输出杆上的应变片可以直接测量入射脉冲、反射脉冲和透射脉冲，用间接的方法推算出试样的动态应力应变关系，因此测量起来比较容易，而且应变片技术是电测中最为成熟的实验技术4 加载波形容易控制。在s h p b 实验中，改变子弹的撞击速度，可以调节入射脉冲的强度，改变子弹的长度和形状，可以改变入射脉冲的波形，从而进一步调整作用在试样上的波形。并且可以用改进的实验方法实现对波形的滤波处理。1 4 本文研究思路、方法和内容1 4 1 本文研究思路、方法工程中所遇到的岩体，其内部包括各种软弱结构面，如断层、节理、裂隙等，裂隙岩体由于内部裂隙的存在，使得其力学特性与均匀介质呈现显著的不同，在水利工程中，地下厂房、隧洞等所处的岩体中，裂隙中常充满了水，裂隙水对岩体的动态强度也有很大的影响，而且裂隙的倾角对裂隙岩体的力学特性也有很重要的影响。同时，岩体的强度与其所受的荷载类型有着密切的关系，岩体在静荷载与动荷载下的力学特性有着很大的区别。目前，对于裂隙岩体在静荷载作用下的强度、变形以及破坏形态已经有了很广泛而深入的研究。而实际工程岩体常处于地震、爆破及开挖扰动等动力荷载之下，裂隙岩体的破坏失稳与裂隙岩体的动力学特性密切相关。一方面，对于处于动力荷载作用下的岩体，为了保持其稳定性，需要找出岩体在动力荷载下最大强度所对应的裂隙倾角；另一方面，对于诸如矿山爆破等一系列开挖方面的工程，为了获7河海大学硕士学位论文得爆炸动能的最大破坏效果，需要找出动荷载下岩体的最小强度所对应的裂隙倾角。因此对于动荷载下的裂隙岩体的力学性能的研究显得尤为重要目前，对完整岩块的动力学特性已经开展了广泛的研究，对于非贯通裂隙在低应变率下的特性也有一定的研究，但是对于在岩体中起控制作用的大量裂隙在高应变率下的动力特性以及孔隙水、裂隙倾角对裂隙岩体的动态强度的影响的研究还比较少。因此，对这些问题的研究对工程中裂隙岩体的防护和开挖有重要的意义。研究裂隙岩体的动力学特性，是岩体动力学的重要理论基础，也是工程实践中有广泛应用前景的课题。研究裂隙岩体的动力学特性，其最终目的是确定裂隙岩体的动力响应。由于试验条件的限制，制作由岩石材料组成的裂隙岩体试样难度很大，而且不可能在裂隙岩体内有流动的水流时对其施加动力荷载。同时，考虑到本试验是作为基础性研究，关键在于对裂隙岩体在动荷载作用下的强度、变形特性进行了解，因此本文利用由水泥砂浆制成的具有不同裂隙倾角的试样模拟裂隙岩体，对干燥试样和水饱和试样施加动力荷载，研究其动力特性，以及裂隙水对其强度的影响1 4 2 本文研究的内容本文利用w a w 3 0 6 0 0 型微控电液伺服万能试验机对模拟裂隙岩体的试样施加静态荷载，分析裂隙岩体在静态荷载下的力学性能；利用分离式h o p k i n s o n 压杆对试样施加动态荷载，得出应力波通过输入杆和输出杆的脉冲信号，分析得出试样在动态荷载作用下的应力应变关系，分析裂隙不同倾角、裂隙水以及应变率对裂隙岩体强度的影响。解决工程中需要用到的裂隙岩体在动态荷载作用下的力学特性将静荷载下的力学性能和动荷载下的力学性能进行对比，分析裂隙岩体在动、静荷载作用下力学性能的不同。在试样的制作过程中，根据试验需要，设计、制作试样模具，采用由水泥砂浆制成的试样模拟具有贯通裂隙的裂隙岩体，试样中的裂隙具有五种倾角：0 。，3 0 0 ，4 5 。，6 0 0 ，9 0 0 ，模拟岩体中的裂隙倾角，同时制作一组没有裂隙的试样，用以与具有不同倾角的裂隙的试样对比，在试验过程中，把试样分为裂隙中含有裂隙水和干燥两种情况，分别施加静态荷载和动态荷载，研究裂隙水、裂隙倾角对强度的影响，在冲击速度方面，施加3 种冲击速度，研究应变速率对岩体强度的影响。通过试验，最终得出模拟裂隙岩体在静力、动力荷载作用下的应力一应变关系，分析应变率、裂隙水、裂隙倾角对裂隙岩体强度的影响，给出一些有工程应用价值的结论。本文的主要研究内容如下；l 、概述国内外在裂隙岩体力学性能以及s h p b 试验技术的研究现状；2 、对于岩石、混凝土等脆性材料，为满足s h p b 试验的需要，采用了s h p b 试验技术的部分改进方案，通过使用波形整形器、万向头、半导体应变片测量等技术，第一章绪论使试验测得的数据更加科学与精确；3 、针对真实裂隙岩体试样制作难度较大的问题，设计、制作试样模具，采用由水泥砂浆制作试样模拟具有不同倾角的裂隙岩体，并利用双端面试件磨平机对试样进行打磨，由于磨平机的夹具尺寸不符合本次试验要求，设计了可以磨厚度较小试样的夹具，使试样的端面平整度、平行度满足试验要求同时，也拓宽了试样磨平机的使用范围。将试样分为干燥和饱水两种情况，分别进行试验。4 、利用w a w 3 0 6 0 0 型微控电液伺服万能试验机对试样施加静力荷载，观察试样在压缩过程中的现象，根据试验结果分析试样在静荷载下裂隙倾角和裂隙水对裂隙岩体力学特性的影响；5 、利用直径为7 4 r a m 的分离式h o p k i n s o n 压杆对试样施加速率不同( 压气枪气压分别为0 2 m p a 、0 4 m p a 、0 6 m p a ) 的动力荷载，利用采集的入射、反射、透射信号，分析得到试样在动荷载下的力学特性，分析应变率、裂隙倾角、裂隙水对于裂隙岩体动态力学性能的影响，并与静态力学性能进行比较。9河海大学硕士学位论文第二章分离式霍普金森压杆试验技术2 1 分离式霍普金森压杆概述2 1 1h o p k i n s o n 压杆s h p b 是分离式霍普金森压杆( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ) 的简称，s h p b 试验装置的基本原型是h o p k i n s o n 嗍( 1 9 1 4 年) 提出的h o p k i n s o n 压杆( h o p k i n s o np r e s s u r eb a r - - h p b ) ，具体装置如图2 1 所示。它可能是测量瞬态脉冲应力的第一种方法，可用于测定和研究炸药爆炸或者子弹射击杆端时的压力时间关系。h o p k i n s o n 压杆的主体是一个圆柱形弹性钢杆，用线水平悬挂以允许在垂直面内摆动杆的一端为打击端，承受炸药爆炸或者子弹射击所造成的瞬变压力另一端加接一段称为测时器或者飞片的短圆柱体。杆和测时器的接触端面都磨得很平整，试验时涂以少许机油或者通过磁力相衔接，使得应力脉冲通过接触面时不受什么影响，但几乎不能承受拉力。这样当应力脉冲在测时器自由端面反射为拉伸脉冲，并当入射应力脉冲与反射拉伸脉冲相叠加后而在衔接面处出现净拉应力时，测时器将带着陷入其中的动量飞离。测时器的动量可由接一t炸药压杆测时暴弹道摆图2 1h o p k i n s o n 压杆装置受测时器的弹道摆来测得，而留在杆内的动量则可由杆的摆动振幅来确定。当测时器长度等于或者大于应力脉冲长度的一半时，应力脉冲的动量将全部陷入测时器中测时器飞离时杆将保持静止。因此，变化测时器的长度，求得其飞离时而杆能保持静止的最小长度a = 2 1 0 ，或者应力脉冲的持续时问r = 乡乞= 2 乡o 如果测时器长度小于厶，则入射应力脉冲的动量只有一部分陷入飞离的测时器中，则动量m 为：m = a 【a ( t ) d t( 2 1 )式中4 为测时器( 和杆) 的截面积；丁为应力波通过测时器来回时间。因此，在试验中如果采用一系列不同长度的测时器，就能近似求出应力脉冲的波形。当然，通过测量不同长度测时器的动量所确定的脉冲波形不如直接测量伊f 关系精确方便，测时器与杆的衔接力也会带来误差，而且从根本上说，所测应力脉冲的峰第二章分离式霍普金森压杆实验技术值不得超过压杆材料的屈服极限，脉冲长度也必须比压杆直径大得多，否则就不能满足杆中一维应力波初等理论关于忽略横向惯性的近似假定而有波的弥散现象。这些都是h o p k i n s o n 压杆使用中的限制条件但是在过去电测技术尚未发展到能直接测量盯( ，) 的情况下，这一方法的提出是很有价值的。即使到现在，各种改进形式的h o p k i n s o n 压杆装置仍然在使用和发展之中。分离式霍普金森压杆( s h p b ) 就是其中应用最为广泛的装置之一2 1 2 分离式h o p k i n s o n 压杆1 9 4 9 年k o l s k y 2 5 l 对h o p k i n s o n 压杆装置进行了改进，将压杆分成两截，试验时将试件放于两杆中间，从而使得这一装置可以用于测量材料在冲击荷载下的动态应力应变关系，由于这一装置采用了分离式结构，因此该装置被称为分离式h o p k i n s o n压杆( s h p b ) ，或k o l s k y 杆试验技术发展至今已有5 0 多年的历史了，作为测量材料动态力学性能的主要手段之一，s h p b 试验技术已被广泛地应用于材料高应变率下动态力学性能的测试中早期的s h p b 装置主要用于研究金属等内部均匀性较好的材料，试样的尺寸较小，近二十年来，随着大规模水利、土木、交通、国防工程的建设，混凝土、岩石、复合材料被广泛应用，由于这些材料内部结构不均匀，对小尺寸试样的测量结果一般不能反映其宏观统计规律，必须用尺寸大的试样进行试验，因此，大尺寸s h p b 装置的研制显得尤为重要国内有关科研单位为了不同的研究目的相继建立起不同尺寸的s h p b 试验装置，如中国科学技术大学的变截面$ 7 4 的s h p b 装置，中国矿业大学( 北京校区) 的7 5 ，以及总参三所的1 0 0 s h p b 装置等。s 玎) b 试验系统示意图如图2 2 所示，该试验装置由压气枪、子弹、测速仪、输入杆、输出杆、超动态应变仪、数据采集仪、阻尼器等部分组成。其试验过程是：试图2 2 s h p b 实验装置l l河海大学硕士学位论文样放于输入杆、输出杆之间，压气枪以高压气体推动子弹以某一速度撞击输入杆，在输入杆内产生一个入射脉冲t ，当应力脉冲到达试件时，试件在该应力脉冲作用下发生变形，并在输入杆中产生一个往回的反射脉冲8 ，在输出杆中产生一个向前的透射脉冲8 r 。s h p b 试验系统在进行材料动态力学性能试验时，要求波导杆( 包括输入杆与输出杆) 在试验过程中始终保持弹性，系统的主要假设是一维应力假设和均匀性假设，一维假设要求试件与波导杆中应力是一维的，只存在轴向应力，这使得应力波在波导杆中的传播满足一维弹性应力波理论。均匀性假设要求压杆材料是均匀的，杆在变形时横截面保持为平面，沿截面只有均布的轴向应力。2 2 一维弹性应力波理论s h p b 试验方法的核心理论是弹性杆中的一维应力波的传播，下面首先推导弹性杆中一维应力波的基本公式，然后分析两弹性杆相互撞击的过程，从理论上阐述s h p b试验方法【4 5 1 。2 2 1 弹性杆中的一维应力波图2 3 给出了弹性杆中的微元体在一维应力波下的变形示意图，当弹性杆受到动力荷载时，微元体的两端受一维轴向压力荷载尸的作用。根据均匀性假设，杆在加载过程中横截面始终保持为平面，杆只在轴向应力作用下发生变形，忽略了横向惯性效应根据牛顿第二定律，可以得到微元体所受的力与变形之间的关系。倒缸鲁：- ( p + 罢+ 尸研研l i p p a x 祟：一罢缸( 2 2 )研式中彳为弹性杆的横截面积；p 为杆的密度；“为微元体在工处的位移。l变形前lmx + 缸+ + 曼堡x盘图2 3 弹性杆在一维应力波下变形示意图再引入工程应力、工程应变及质点速度：p扣j( 2 3 )第二章分离式霍普金森压杆实验技术o u占= 一一蠡o uv = 一a( 2 4 )( 2 5 )即得运动方程：口鱼：一塑( 2 6 )口= 一z o ，a岔在以上的讨论中，规定应力和应变均以压为正，而质点位移以x 轴正向为正，反之为负关于材料本构关系，讨论应变率无关理论，假定应力只是应变的单值函数，即材料的本构关系可以写成：盯= c r ( s )( 2 7 )由于应力波波速很高，在应力波通过微元体的时间内，微元体还来不及和邻近的微元体及周围介质交换热量，因此可以近似地认为过程是绝热的这里写出来的本构关系实质上是指绝热的应力应变关系。一般情况下，仃p ) 是连续可微函数，根据弹性杆中的一维应力波速度而栌、f 石i ，引入：c 0 2 ：土牢t , 2 8 )c o2 一-5 j则可由式( 2 6 ) 和( 2 8 ) 消去口，得：孚：吖。2 堡( 2 9 )否2 吖。瓦。2 9 将( 2 4 ) 、( 2 5 ) 带入( 2 9 ) 即得到经典的波动方程：娶一：垂：oc a t 2g oo x 2 一( 2 1 0 )方程( 2 1 0 ) 一般有通解：u ( x ，) = f ( c o t + x ) + f ( c o t 一工)( 2 1 1 )式( 2 1 1 ) 中的，和f 分别表示左行波和右行波函数，二者相互独立。为了简化，我们只考虑右行的压缩波，于是式( 2 1 1 ) 可以简化为：u ( x ，) = f ( c o t 一曲将上式分别对于x 和t 求偏导数，得：学= 书( c o r 一曲僚( 2 1 2 )( 2 1 3 )河海大学硕士学位论文詈= 咿( 铲( 2 1 4 )综合( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 8 ) 、( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 五式以及虎克定律盯= e 宫，最终可以得至微元体内质点的轴向应力和质点速度之间的关系：盯= 肛o i o u = ：c o y( 2 1 5 )盯2 肛。百2u 式中岛为杆中应力波的传播速度；1 ，为杆中质点沿x 轴方向的速度以上根据波动力学的基本理论推导出应力波传播中质点速度和轴向应力之间的重要基本关系，这一关系是应力波讨论中最常用的。卢。常称为弹性杆中纵波的波阻抗或声阻抗，是表征材料在动荷载下力学特性的一个基本参数2 互2 两弹性杆的共轴撞击上面推导了应力波理论中的基本关系，下面根据应力波理论分析两弹性杆的共轴撞击( 图2 4 ) ，这是传统的s h p b试验技术理论的基本模型。设有一撞击杆以速度从左向右撞击一静止的输入杆。撞击杆的长度为工，撞击杆的弹性模量、横截面积、密度、杆中的弹性波速分别为易，彳。，砌，白，输入杆的弹性模量、横截面积、密度、杆中弹性波速分别为蜀，彳l ，n ，白。撞击杆输入杆- 撞击前吩一彤b 撞击后图2 4 两弹性杆的共轴撞击撞击之前( 5 d ，这样可以保证杆中一维应力波的传播，从而可以忽略横向惯性效应的影响。1 3第二章分离式霍普金森压杆实验技术压杆系统主要由撞击杆、输入杆、输出杆和吸收杆等组成，压杆的材料有钢杆和铝杆，其中钢杆用来测试硬质材料的动态压缩性能，而铝杆用来测试软质材料的动态力学性能。输入杆和输出杆采用相同的截面和材料。使用不同长度的撞击杆可以得到不同宽度的加载波形，撞击杆的长度越大，应力脉冲宽度越大撞击杆的速度越大，应力脉冲的幅值越大吸收杆主要用来吸收来自输出杆的动能，削弱和延缓二次波加载效应，将吸收杆与输出杆连接起来，可以防止输出杆端面反射回来的卸载波干扰正常的透射信号，吸收杆后面的阻尼器用来吸收由吸收杆传来的能