岩石单压加卸载实验研究

岩石单压加卸载实验研究

在荷载过程中，岩石结构内部产生能量消耗，并随着变形能力的积累而减少。岩石材料的损伤劣化与内部能量的耗损有关;耗散能或耗散功可与损伤变量建立起理论联系,由此可预测结构体破损程度与破损区域[1―4]。岩石结构的突发破坏则与结构体内可释放应变能相关;例如岩爆的发生,它是地下岩体中可释放应变能猛烈释放的结果[5―6]。由能量守恒原理,已知了能量的消耗可推知可释放应变能大小,进而可对破坏后的状态做出估计。目前,在这两方面,国内外有了一些理论与实验分析结果[7―8],且国内的研究论文较为多见。还有的研究集中在建立岩石结构的能量型失稳与破坏准则上[9―11],这些准则对判断岩体结构总体的稳定性具有比较重要的理论意义。但对于实际受力的岩石材料,其内部能量量值的系统实测分析,却报导得不多。岩石结构在逐步受载过程中,内部储藏的可释放应变能和己耗散能的计算,将涉及到在当时工况下岩石的卸荷弹性模量和卸荷泊松比;它们与载荷水平与加载速度有关。本文通过不同加载速度及不同载荷水平下的单压加卸载实验,系统分析了岩石变形破坏过程中的能量变化,实测了各种受力条件下卸荷弹性模量、卸荷泊松比、试件内的可释放应变能与耗散能的变化规律。实验结果可深化对岩石在变形破坏过程中能量变化规律的了解,可用于有限元程序对岩石结构内部总可释放应变能及耗散能的总量计算,对分析工程岩体的突发破坏(如岩爆)与可释放应变能及耗散能的相互关系有着基本而又重要的意义。1受拉压岩石可释放应变能在复杂应力状态下,对具有线性或非线性应力-应变本构关系的岩石材料,其单位体积内的应力功及能量计算具有以下公式:式中各量值的几何意义请见图1。U为主应力在主应变方向上做的总功,在图1中表示为总应力-应变曲线下的面积;Ue为单位体积内储存的可释放弹性应变能,在图1中由卸载线下的深色三角形面积来表示;Ud为受力过程中的耗散能或称耗散功,在图1中表示为浅色曲边梯形的面积,也即U与Ue面积之差。对于弹性加载过程,岩石内的耗散能Ud基本为零。εi为主应力σi方向上的总应变,为相应的弹性应变;Ei为卸载弹性模量,νi为卸荷泊松比。从图1可知,随着材料力学性能的变化,Ei与νi会随载荷水平及加载速度变化而改变。由此可知,在各种加载速度下,只要能测得各个载荷水平下的加卸载曲线,就能测得这种岩石材料在此种受力条件下的卸荷弹性模量、卸荷泊松比、可释放应变能与耗散能。进而可分析出它们随载荷水平及加载速度的变化规律。2反复加装卸实验本文选用了较为坚硬的花岗闪长岩作为实验材料,其力学性能如表1所示。试件尺寸为直径70mm,高为140mm(见图2)的圆柱体。在静态实验中,选用了准高速(3µm/s)、中速(1.5µm/s)和低速(0.3µm/s)三种加载速度;准高速与低速相差10倍。对每种加载速度,实测了3个试件。如图1、图3、图4所示,在不同的加载速度与不同的载荷水平下反复加卸载,就可测得此种岩石在这种载荷速度与这种载荷水平下的卸荷弹性模量、卸荷泊松比、可释放应变能与耗散能。在动态SHPB冲击实验中,测得了4个试件破坏时的动态应力-应变曲线和单位体积总吸收能;由于微结构和微缺陷对冲击力的敏感性,试件的应力虽高但因变形小而使总吸收能不大(图5)。对于反复加卸载实验,每个试件都经历了5次加卸载过程,每到一个新的压力水平则卸载至零,然后再重新加载到高一级的压力水平。实验中测得了在5个载荷水平下的卸荷弹性模量与卸荷泊松比,最后一次卸载设在400kN时(表2),此时应力已临近此岩石的抗压强度(表1)。在计算本文所关心的各力学量时,要涉及到试件的实际位移,因而本文在计算时,对实验机记录的总荷载位移数据,扣除了实验机的变形值,留下了试件的实际位移,比较精确地得到了各次卸载对应的卸荷弹性模量、卸荷泊松比以及可释放应变能和耗散能。3宏观受拉条件下的卸荷泊松过程通过表2及图6可以看出,在单向受压条件下,岩石材料的卸荷弹性模量E随外加压力增加而逐渐增大,400kN时的卸荷弹性模量值约为50kN时的2倍。这是因为在受压条件下,岩石材料初期有一个逐步被压实的过程,岩石试件抵抗变形的能力增强,因而卸荷弹性模量逐步增大。当达到某一值后,随着岩石损伤程度的增加,并伴随扩容现象的发生,岩石材料的内部横向结构变得松散,卸荷弹性模量值才开始减小,直到试件发生宏观破坏;此种规律在本文的准高速组实验中表现得尤为明显。在单向受拉条件下,岩石材料卸荷弹性模量的变化规律则与受压情况不同,随着拉伸载荷的增加,卸荷弹性模量逐步变小;没有受压条件下逐步变强的过程。通过表2还可看出,随着加载速度的升高,卸荷弹性模量逐步升高。这种高速下的弹性模量增强趋势与现有的结论是一致的。在卸载过程中,通过试件上粘贴的横向及纵向应变片所得应变比值来计算卸荷泊松比;在不同载荷水平下卸载,测得的卸荷泊松比归纳在表3中。从表3中可以看出,卸荷泊松比都随压力水平的增大而逐渐增大;从开始阶段到即将破坏,卸荷泊松比可增大1倍―2倍。泊松比的变大意味着材料的劣化和内部横向结构变得松散,同时也影响了可释放应变能的大小。值得一提的是,每一阶段卸载时的泊松比总小于这一阶段重新加载时测得的泊松比。从表3及图7还可看出,在同一载荷水平下,随着加载速度升高,卸荷泊松比略有升高。这些卸荷弹性模量及泊松比的变化规律可用于有限元程序,以准确计算非线性岩石结构总体可释放能和耗散能。需要指出的是,表1与表2都涉及了弹性模量与泊松比,但它们的内涵不同。前者为一次性加载到某一较高应力水平下所测得的值,后者为不同的应力水平下卸载所测得的值;对于伴随着能量消耗的受损材料,它们是有区别的。4静态荷载组合由式(1)、式(2)和式(4)及相应的几何意义,可通过图1所示求面积的方法,分别计算出岩石试件在各载荷速度及载荷水平下,单位体积内所吸收的总能量U、蕴含的可释放应变能Ue和己耗散能量Ud。试件各阶段各能量值的变化列于表4中。由表4、图8―图10可以看出,随着载荷水平的不断增大,岩石试件吸收的总能量、可释放应变能都在显著增加。由表4、图9和图10又可看出,随着载荷水平的不断增大,岩石耗散能起初比较小,在即将破坏阶段才显著增加。但是耗散能与总吸收能的比值却随着载荷水平的增加而不断下降,在破坏阶段才有明显回升;这说明总吸收能比耗散能增速更快;直到破坏前期耗散能才明显增加。表4最后一栏列出了本文最为关心的,岩石临近破坏时,试件所吸收的总能量U、蕴含的可释放应变能Ue和己耗散能Ud。通过表4、图8、图9以及总吸收能表5,可以看出,随着加载速度升高,各能量值呈下降趋势。或反过来说,在相同的载荷水平下,加载速度越慢,破坏过程历时越长,变形越能够充分发展,岩石单位体积内所吸收的总能量、所蕴含的可释放应变能和已耗散掉的能量越有增多的趋势。此实验结果与文献的理论分析结果一致。综上所述可知,在本文所涉及的相当宽的静态加载速度下,岩石内部可释放应变能和耗散能都随压力水平的增大而逐渐增大,对于花岗闪长岩这种较坚硬的岩石,耗散能远比可释放能小且增长得更为缓慢;外界输入的能量主要以弹性可释放能的形式储存在试件内。但在破裂过程中,有新发生的且比较大的能量耗散。通过表4的最后一栏可以看出,对于本文选用的花岗闪长岩,在破裂前,其内部的耗散能与可释放能相比,只占很小的比例,几乎为0.1∶0.9。而对于软弱岩石,在其受压破裂前,其内部的能量耗散值与总吸收能和总可释放能相比,却占了比较大的比例。由于硬岩强度远比软岩强度高,因而坚硬岩体的储能极限远比软弱岩体大,这是硬岩容易发生岩爆的主要原因。5考虑卸荷泊松比的动态冲击实验(1)在单向受压初期,由于岩石变得紧密,卸荷弹性模量有一逐渐增大过程;但随压力的进一步提高,岩石发生扩容,卸荷弹性模量才会逐渐变小。在单压条件下,随着岩石材料在横向变得松散,卸载泊松比随压力的增大而增大。随着加载速度的升高,卸荷弹性模量和卸荷泊松比有增大的趋势。这些卸荷弹性模量及泊松比的变化规律可用于有限元计算,以准确地得到非线性岩石结构总体的可释放应变能和已耗散能,对估计岩石结构破坏后的状态有着基本而又重要的意义。(2)在相同加载速度下,岩体内的可释放应变能和已耗散能都随外加压力的增大而逐渐增大。但耗散能远比可释放应变能小且增长得更为缓慢;在达到强度极限之前,外界输入