三維滾動組合加載下細砂巖力學行為研究

1深部巖體的力學特性隨著經濟的發展，能源依賴的程度越來越高。而目前我國淺部資源逐漸枯竭,深部資源開采迫在眉睫。隨著深井采礦、核廢料儲存、石油開采、地質鉆探等人類活動的不斷深入地下,人們發現深部巖石有著許多現有巖石力學知識無法很好解釋的現象,如巖爆、沖擊地壓、巖石發生脆延轉化破壞特征異常、巖體分區破裂化現象等。深部地下資源的開發過程中,礦巖不僅承受著很高的靜載荷作用,而且還受到如爆破震動等動載荷的影響,不同于淺部巖體。由于淺部巖體埋深小,所受到的自重應力可忽略,只需單純的考慮爆破等動載荷的作用,就可以較好地解決出現的動力學方面問題。而深部巖體問題利用淺部的辦法來解決時效果不理想,因此深部礦巖的力學行為是目前巖石力學界和采礦工程界研究的難點和重點。如圖1(a)所示,深部巖體所處的應力狀態非常復雜,受高地應力和動載荷作用,其受力狀態可簡化見圖1(b)。A處巖體受到豎直靜應力和動載荷作用,相當于礦房中礦柱受到動靜載荷作用,B處則是受到三維靜應力和豎直方向的動載荷共同作用,因此可以將深部巖體看作是靜應力條件下受到動載荷作用的結果。顯然,研究預靜應力條件下巖石動靜組合強度和變形性質,對揭示深部災害發生機理和防治有一定的工程意義。在研究巖石對動靜組合載荷作用的響應過程中,一、二維動靜組合載荷下巖石力學特性的研究已取得部分成果,分別研究了組合加載強度、能量耗散等,并運用突變理論進行了解釋,而三維動靜組合載荷下巖石力學特性的研究很少。因此,本文針對深部巖體,將圓柱形砂巖試件放在動靜組合加載試驗機上,進行有預加圍壓和軸向靜壓條件下受到沖擊作用的力學試驗,分析砂巖在不同的三維靜壓水平條件下的動靜組合強度和變形特征。2試驗結果及分析本次對原有SHPB沖擊試驗系統進行了改進:①在輸入桿和輸出桿端部處安設軸壓加載裝置,可以施加與沖擊載荷方向一致的靜載荷;②在試件安裝處架設圍壓加載裝置,可以施加垂直于沖擊載荷方向的圍壓,同時施加軸向靜壓和圍壓時即可進行三軸預應力下的沖擊試驗。改進后系統見圖2。軸向靜壓加載裝置和圍壓加載裝置結構見圖3、4。系統的軸向靜壓和圍壓加載范圍均為0~200MPa。試驗材料選用完整性和均勻性相對較好的細砂巖,采用φ50mm×50mm的圓柱體試件,并對試件的兩端及側面仔細研磨,不平行度和不垂直度均小于0.02mm。試件表面光滑,沒有明顯缺陷。平均體積密度為2.62×103g/cm3,平均單軸抗壓強度為91.36MPa,沖擊強度為153.78MPa(平均應變率為90~100s-1)。相應的常規三軸抗壓試驗結果見表1。將試件裝入圍壓壓力盒中,并與沖擊桿配合好,手動加圍壓和軸壓到設計值,即可以進行一次沖擊試驗。試驗分兩個系列進行:第1系列固定軸向靜壓,做2組,軸向靜壓分別為22.5MPa和36MPa,圍壓分別為0、2、4、6、8MPa;第2系列固定圍壓,做2組,分別為4MPa和8MPa。軸向靜壓分5個水平:圍壓為4MPa時,其對應軸向靜壓分別為22.5、36、72、90、103.5MPa;圍壓為8MPa時,其對應軸向靜壓分別為22.5、36、90、103.5、121.5MPa。兩個系列對應軸向靜壓分別為其三維靜載抗壓強度的20%、30%、70%、80%和90%,每組試驗重復3~5次。沖擊載荷是由瓶裝高壓氮氣作為推動力推動錐形沖頭撞擊入射桿,產生半正弦應力波。由于氣壓和沖頭到入射桿的距離均恒定,因此動態加載速率為一定值。圖5為試驗中典型的動態沖擊應力波波形曲線。試驗過程中先加載圍壓,后加軸壓。3應力-應變本構模型將試驗中實測的每個試件的數據分別處理后,繪出應力-應變曲線。圖6為圍壓4MPa和8MPa時的應力-應變曲線,類似于常規三軸抗壓應力應變曲線。從圖6可看出,巖石組合加載下峰值強度隨著軸向靜壓增大表現出先升高后降低的趨勢。圖7為軸向靜壓為22.5MPa和36MPa的應力-應變曲線,圖中有兩條曲線是單軸動靜組合應力-應變曲線(圍壓為0MPa)。從圖7中可以看出,動靜組合全應力-應變曲線可以分為彈性階段、屈服階段和破壞階段。在彈性階段,應力與應變基本呈線性關系,服從虎克定律,表現出彈性特征。在屈服階段,巖樣內部發生損傷,強度較低的材料逐步屈服破壞,應力-應變曲線偏離直線,表現出試件的初步損傷發展過程。在破壞階段,砂巖試件內的應力達到其能夠承受的極限能力,砂巖試件沿某破裂面產生宏觀滑移。圖7中其他曲線(圍壓不為0MPa)是三維動靜組合應力-應變曲線,與圖中單軸動靜組合應力-應變曲線(圍壓為0MPa)相比,達峰值時的變形要大一些,即塑性相比表現得多一些。3.1巖石的變形特征是由三維壓力和沖擊相結合的(1)軸向靜壓影響由于巖石體內或多或少存在孔隙或微裂紋,經三向加壓到一定范圍內,微裂紋閉合,巖石更加致密,其彈性模量增大。三向加載的壓力超過一定范圍,彈性模量的變化就不一樣了,在軸向靜壓不發生改變的條件下,一般地也隨圍壓增加,巖石中的裂紋逐漸閉合,其彈性模量增大,如果圍壓增大超過了軸向靜壓時,情形可能不一樣,這種情況這里不討論。在固定圍壓的情況下,一直增加軸向靜壓,巖石開始隨著軸向靜壓的增大逐漸變得致密,這個范圍一般在彈性階段內。當軸向靜壓越過彈性段后,進入損傷階段,巖石體內微裂紋從閉合到重新激活發育,隨著微裂紋的增多,巖石損傷加重,則彈性模量降低。如圖8所示,軸向靜壓分別固定在22.5MPa和36MPa水平上(彈性階段內),增加圍壓,巖石的彈性模量一直在增加,并且可以看出軸向靜壓高的試件彈性模量一般高于軸向靜壓低的試件。圖9為圍壓分別固定在4MPa和8MPa的條件下增加軸向靜壓與彈性模量的關系。剛開始在彈性階段,隨軸向靜壓增大,其彈性模量提高,但進入損傷階段后,隨軸向靜壓增大,彈性模量反而降低。(2)軸向靜壓影響應變率反映了巖石受力條件下變形的快慢,也能反映應力變化的快慢程度,而平均應變率反映巖石破壞整體變形的快慢程度,最大應變率則是表現了某一特殊時刻巖石變形最快的瞬間。圖10為軸向靜壓固定、不同圍壓的條件下受沖擊載荷的砂巖最大應變率和平均應變率的變化情形:軸向靜壓分別為22.5MPa和36MPa時所對應的最大應變率與圍壓的關系不明顯,但與其所對應的平均應變率卻隨圍壓增大而減小。究其原因,是由于圍壓增大,巖石內部裂紋逐漸閉合,致密度提高,平均應變率隨之降低。由于圍壓對軸向變形是一種間接的影響,其影響程度很小,加上試件的差異等,在軸向壓力固定的情況下最大應變率受圍壓影響不明顯。圖11為固定圍壓情況下最大應變率和平均應變率隨軸向靜壓的變化趨勢。由于圍壓固定的情況下軸向靜壓一直增大,巖石經歷彈性階段、損傷階段,直至完全破壞。在彈性階段,巖石隨軸向靜壓增大會逐漸壓密,最大應變率隨之降低,而進入損傷階段后,巖石隨軸向靜壓增大損傷更加嚴重,小的擾動就可能使巖石試件發生很大的位移,故最大應變率增大。因此,圖11中最大應變率和平均應變率都是先降低后升高,不過最大應變率相對變化較大,而平均應變率變化相對則較小。3.2靜壓對細砂巖沖擊強度的影響細砂巖屬沉積巖,其致密度不如花崗巖、大理巖等巖石高,內部存在一定的孔隙,在受到三維壓力時,在一定范圍內其內部孔隙縮小,且圍壓限制其側向變形,故其強度被提高。隨著圍壓增大,其強度逐漸增大。軸向靜壓對組合強度的影響在彈性范圍內,與圍壓類似。但若軸向靜壓超出彈性階段,進入損傷階段,巖石內部的間隙被重新激活,則其強度下降。圖12和圖13為細砂巖在不同靜壓水平下沖擊強度變化情況。從圖12可以看出,隨著圍壓增大,細砂巖動靜組合抗壓強度一直在增大。由于試驗用的細砂巖單軸抗壓強度分別為91.36、22.5MPa和36MPa,是單軸抗壓強度的24.6%和39.4%,因此,這兩個軸向靜壓都在其單軸和三軸抗壓強度的彈性范圍內,所以其動靜組合抗壓強度一直在增大,文獻的試驗也驗證了這個結論。但進入損傷段后,情況就相反,隨著軸向靜壓的增加,其動靜組合抗壓強度在慢慢下降。圖13為固定圍壓改變軸向靜壓條件下動靜組合強度的變化情形。圍壓不變時,動靜組合強度隨軸向靜壓增加先升高而后降低。在升高到降低的轉折點,圍壓4MPa對應軸向靜壓90MPa,圍壓8MPa對應軸向靜壓103.5MPa,兩者分別是其各自常規三軸抗壓強度的81.5%和77.5%,接近80%,可見軸向靜壓在其常規三軸抗壓強度80%左右的位置是動靜組合強度變化的轉折點,主要原因可能是試件在這種情況下已被壓密,但損傷程度不嚴重,如再進一步增加軸向靜壓,試件的損傷加劇,從而導致其組合強度降低。4軸向靜壓影響(1)在改進的SHPB實驗系統上,進行了固定圍壓、改變軸向靜壓條件下一系列動靜組合試驗,發現圍壓不變時,細砂巖動靜組合強