围压对岩石动态冲击性能的影响

围压对岩石动态冲击性能的影响

目前，深部岩石力学是现代岩石力学的热点和研究方向之一。很多研究资料表明,受高应力作用下的深部岩石表现出与浅部岩石非常不同的力学特性。究其原因,深部岩石不止涉及岩石的一维受力状态,经常会处于三维受力状态。例如对于深部巷道或隧洞的爆破和机械开挖过程,借鉴室内静载试验的力学概念,可以看成是“三轴”受力状态,即掌子面前面的推进地段受到围压的作用,然后沿推进方向受到爆破或机械冲击作用。为了解岩石在围压作用下承受冲击载荷的力学响应特性,可借助三轴SHPB装置进行室内实验研究,国内外一些大学实验室也先后研制了一系列的三轴SHPB装置。但以往的三轴SHPB试验系统大部分没有解决好加载应力波整形的问题,因此试验结果的精确性有待提高。为此,本文利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置(可以消除应力波传播过程中的弥散效应和波形振荡,并且能够达到应力平衡和恒应变率加载),选用均质砂岩进行三轴SHPB加载试验,并重点对岩石冲击变形过程中的力学特性及破坏模式进行了讨论分析。1试验结果和分析为研究岩石在多维受力状态下承受动态抗冲击特性,专门研制了三轴SHPB动静组合加载实验系统,图1为实物图,图2为装置平面示意图。考虑到岩石材料的本质属性和室内实验要求,便于跟同直径静载压缩试样的试验结果进行比较,本系统的入射杆和透射杆直径为50mm,对岩石试样采用等径冲击加载。数据采集系统与一般SHPB系统类似。轴压系统主要由液压油缸、轴向活塞、液压油进出口、排气口及手动油压泵组成。手动泵通过油进出口与油缸相连,加压过程和卸压过程均由手动泵控制。围压装置主要由油缸、隔油橡胶套、液压油进出口、支座等组成。关于本试验机的详细介绍和实验操作过程可参考文献。试验中采用线性化的“纺锤型”冲头产生恒应变率的半正弦应力波进行加载。利用该系统,已经进行一系列相关的动静组合加载试验。2轴冲击试验研究为大轴现代专四轴围压为1010选取完整性和均质性较好的细质砂岩作为研究对象,按照岩石力学试验规程要求对岩石进行加工,对试样两个端面仔细打磨,使其不平行度和不垂直度均小于0.02mm。进行三轴冲击试验时,主要研究了围压水平分别为0MPa、5MPa和10MPa的情形。同时为了解静态三轴压缩下岩石的力学特性,利用RMT-150C试验机也进行了部分围压为0MPa、10MPa和20MPa的三轴试验(应变率率率试验后对试验数据进行处理,详细分析如下。2.1围压对砂岩应力应变曲线的影响图3(a)是静态范围下不同围压σcp水平的砂岩应力-应变代表性试验曲线。可以看出,随着围压的增加,砂岩的抗压强度和破坏应变也随之增大,割线模量有稍微增加的趋势。对试验结果取均值,得到砂岩在围压为0MPa、10MPa和20MPa时的抗压强度分别为114.9MPa、223.3MPa和305.8MPa,即在围压存在的情况下,抗压强度分别增加了94%和166%。进行三轴SHPB冲击试验后,在应变率接近2.1×102/s的情况下,砂岩在不同围压下冲击所得应力应变曲线如图3(b)所示。图中显示与静态三轴试验结果类似,随着围压的增大,砂岩的抗冲击强度也大幅增加,围压为0MPa、5MPa和10MPa时的抗压强度分别达到186.0MPa、310.6MPa和402.8MPa,相对于无围压的冲击强度,分别增加了67%和117%。通过比较可以看出,在高应变率下,围压对抗压强度的提高影响更大。而在相同的围压10MPa下,高应变率下的抗压强度是静载抗压强度的180%,说明应变率的增加对抗压强度的影响也是较大的,尤其是应变率大于102/s时。从图3(b)中还可以看出,在高应变率下,围压对岩石弹性模量的影响比静态下显著很多。而且由于受围压的影响,加载初期岩石的非线性段显著降低,近似线弹性段更加明显。2.2围压对岩石单位体积吸收的影响图4是围压为10MPa以及无围压时冲击入射能EI和单位体积吸收能Ev之间的关系图。可以看出,岩石单位体积吸收能随着入射能的提高呈线性递增趋势,不同围压情况都存在一个吸能为零的临界入射能值。而且从变化趋势看,在入射能相同的情况下,无围压或低围压下岩石单位体积吸收能比高围压情况下大很多。这是因为围压越大,岩石受冲击作用时侧向变形收到的反作用力越大,裂纹的萌生和扩展受到限制作用越大,因此用于裂纹扩展所吸收的能量越小。因此,围压存在下砂岩吸能为零的临界入射能要比无围压情况下大很多,本文围压为0MPa和10MPa下临界入射能分别为3.717J和667.4J。所得结论与参考文献类似。图5是围压为10MPa和无围压情况下单位体积吸收能跟应变率之间的关系图。在围压存在的情况下,砂岩的临界破坏应变率相对于无围压情况也大很多,本文中临界破坏应变率为155/s,大约是无围压临界应变率的4.05倍。2.3动态三轴冲击加载形式静载三轴加载下岩石的典型破坏模式见图6。对于静态三轴试验(图6中四个典型试样),在不同围压情况下,基本以单面剪切或“入”字型剪切面破坏,少数出现了“V”字型破坏形式,但都是剪切破坏起主导作用,在岩石内部形成很大的剪切面导致整体失稳,这种剪切面可以是平面形式、锥面形式以及“锥-平面”混合形式。三轴动态冲击加载下砂岩的破坏模式见图7~图10。图7是应变率接近围压不同情况下砂岩的破坏模式图。从图中可以看出,常规冲击下岩石主要沿着加载方向形成破裂面受拉破坏,围压存在时会降低岩石的破坏程度。图8是在相同围压不同应变率下岩石的破裂及破坏模式图,当应变率较低时,岩石只会在冲击面形成裂纹,整体不会发生大的破坏。随着应变率的提高,岩石内部裂纹会贯穿整体发生大的破裂甚至破碎,破碎的块度也在增加。图9是动态三轴冲击加载下砂岩侧面破坏形式。从图9可以看出,岩石长度方向上形成的破裂面不再平行于长度方向,而是有一定角度。图10是动态三轴冲击加载下砂岩破坏后的块体形式,可以看出块体形式也不同于常规冲击后的长条状块体形状,而是呈现出四面锥体形式。说明在围压存在下,岩石的破坏模式由拉伸破坏转变为压剪破坏。3围压和应变率对砂岩力学性质影响分析本文利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了三轴冲击压缩试验,在分析围压对砂岩冲击变形和强度影响的基础上,重点讨论了冲击过程中砂岩的能量耗散规律和破坏模式。试验结果显示,围压和应变率的提高,对岩石的抗压强度都会有加强的影响趋势。砂岩发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。砂岩单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下