摆锤冲击加载下砂岩中应变率动力特性的试验研究_牛雷雷(岩石力学与工程学报-2014-12)
溶浸作用下难溶盐岩力学特性弱化及细观机制研究
第33卷第1期岩石力学与工程学报V ol.33 No.1 2014年1月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2014溶浸作用下难溶盐岩力学特性弱化及细观机制研究杨晓琴1，2，梁卫国1，2，于艳梅1，2，张传达1，2，于伟东1，2，赵阳升1，2(1. 太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024；2. 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西太原 030024)摘要：岩石材料的宏观力学特性与其内部细观结构演化有十分密切的关系，对典型难溶盐岩钙芒硝在盐溶液溶浸环境下力学特性弱化和细观结构演化进行研究，初步揭示其力学特性弱化的细观机制。
研究发现：在盐溶液溶浸作用下，由于矿体胶结物中亲水性矿物吸水膨胀崩解、钙芒硝中硫酸盐的溶解、化学反应离子交换、氯离子侵蚀损伤等因素的作用，钙芒硝孔隙率随“溶液浓度”和时间的变化而非线性演化，从而导致力学特性严重弱化。
在盐溶液中溶浸20 d，钙芒硝强度弱化系数低至0.1～0.2。
由于钙芒硝矿体内泥质胶结成分的水理水化作用，泥质部分膨胀或崩解，钙芒硝矿体变形表现出应变软化与韧性破坏特征。
细观结构演化结果表明，盐溶液溶浸作用下，难溶钙芒硝孔、裂隙演化缓慢，但在淡水溶液中孔隙演化速度是半饱和与饱和溶液中的数倍甚至数百倍。
淡水中溶浸48 h后孔隙率高达16.62%，是原始状态孔隙率的9倍；半饱和盐溶液溶浸48 h后，孔隙率是原始状态的3倍，而饱和溶液溶浸48 h后，孔隙率增幅仅为2.8%。
孔隙率变化主要是由于钙芒硝矿体中硫酸盐的溶解和结晶，胶结物成分(主要为伊利石、蒙脱石)的水理、膨胀，这也是钙芒硝力学特性弱化的根本原因。
本研究对深入认识可溶岩(包括钙芒硝)物理力学特性弱化，并指导盐类矿床原位溶浸开采及层状盐岩溶腔油气储库建造等相关工程实践，具有重要理论意义与应用价值。
关键词：岩石力学；难溶盐岩；钙芒硝；溶浸作用；力学特性弱化；细观结构中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)01–0134–10 MECHANICAL PROPERTY WEAKENING AND THE MESO-MECHANISM OF HARD DISSOLVED SALTROCK SOAKED IN BRINEYANG Xiaoqin1，2，LIANG Weiguo1，2，YU Yanmei1，2，ZHANG Chuanda1，2，YU Weidong1，2，ZHAO Yangsheng1，2(1. College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China；2. Key Laboratory of In-situProperty-improving Mining of Ministry of Education，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China)Abstract：The internal meso-structure development of rock material contributes a lot to its macroscopic mechanical properties. The mechanical properties weakening mechanism and internal meso-structure development of typical glauberite soaked in brine are studied；and the mechanism of mechanical properties weakening is revealed. It is found that under the actions of swelling and disintegration of hydrophilic mineral in the cement of the rock，the dissolution of sulfate，the ion exchange and the chloride ion erosion damage，etc.，the porosity of收稿日期：2013–05–27；修回日期：2013–07–29基金项目：国家杰出青年科学基金项目(51225404)；全国优秀博士论文专项资金(200959)；山西省研究生优秀创新项目(20113026)作者简介：杨晓琴(1978–)，女，2001年毕业于太原理工大学测绘工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学与采矿工程方面的研究工作。
(完整版)岩石力学习题库及答案
练习题一、名词解释：1、各向异性：岩石的全部或部分物理、力学性质随方向不同而表现出差异的性质。
2、软化系数：饱水岩样抗压强度与自然风干岩样抗压强度的比值。
3、初始碎胀系数：破碎后样自然堆积体积与原体积之比。
4、岩体裂隙度K：取样线上单位长度上的节理数。
5、本构方程：描述岩石应力与应变及其与应力速率、应变速率之间关系的方程（物理方程）。
6、平面应力问题：某一方向应力为0。
（受力体在几何上为等厚薄板，如薄板梁、砂轮等）1．平面应变问题：受力体呈等截面柱体，受力后仅两个方向有应变，此类问题在弹性力学中称为平面应变问题。
2．给定载荷：巷道围岩相对孤立，支架仅承受孤立围岩的载荷。
3．长时强度：作用时间为无限大时的强度（最低值）。
4．扩容现象：岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移，导致体积扩大的现象5．支承压力：回采空间周围煤岩体内应力增高区的切向应力。
1．平面应力问题：受力体呈等厚薄板状，所受应力为平面应力，在弹性力学中称为平面应力问题。
2．给定变形：围岩与母体岩层存在力学联系，支架承受围岩变形而产生的压力，这种工作方式称为给定变形。
3．准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。
4．剪胀现象：岩石受力破坏后，内部断裂岩块之间相互错动增加内部空间在宏观上表现体积增大现象。
5．滞环：岩石属滞弹性体，加卸载曲线围成的环状图形，其面积大小表示因内摩擦等原因消耗的能量。
1、岩石的视密度：单位体积岩石（包括空隙）的质量。
2、扩容现象：岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移，导致体积扩大的现象。
3、岩体切割度Xe：岩体被裂隙割裂分离的程度：4、弹性后效：停止加、卸载，应变需经一段时间达到应有值的现象。
5、粘弹性：岩石在发生的弹性变形具有滞后性，变形可缓慢恢复。
6、软岩（地质定义）：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀类岩石。
1.砂土液化：饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。
反复加卸荷作用下两种岩石的变形与声发射特征研究
交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第809期第15期2023年8月反复加卸荷作用下两种岩石的变形与声发射特征研究王小兵1秦金龙1郭啟翔2熊健2（1.核工业华东建设工程集团有限公司，江西南昌330009；2.华东交通大学，江西南昌330013）摘要：【目的】为了研究反复加卸荷作用下不同类型围岩在隧道施工及运营过程中的变形与破坏特征。
【方法】选取花岗岩和砂岩试样进行等荷载反复加卸荷试验。
【结果】研究结果表明：当应力水平低于裂缝损伤应力时，滞回曲线在循环过程中由疏至密；当应力水平高于裂缝损伤应力时，滞回曲线并不会表现出明显的密集特征；当应力水平低于裂缝损伤应力时，在第一次加卸载过程中损伤已基本形成，花岗岩发生的声发射事件有限，而砂岩声发射事件稀少，并在后续循环累积过程中损伤明显减少；当应力水平超过裂缝损伤应力时，两种岩石在循环加卸荷过程中会逐次产生明显的损伤，且应力水平超过裂缝损伤应力越高，损伤增长速度越快。
【结论】循环荷载的增大会促进花岗岩内部裂纹的扩展，导致声发射事件变得活跃，而砂岩只有在应力水平提高至93%时，声发射事件才表现出明显间歇性增长规律。
关键词：隧道；滞回曲线；变形特征；声发射；Felicity 效应中图分类号：TU45文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）15-0066-07DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.15.013Study on Deformation and Acoustic Emission Characteristics of TwoRocks Under Repeated Loading and UnloadingWANG Xiaobing 1QIN Jinlong 1GUO Qixiang 2XIONG Jian 2(1.Nuclear Industry East China Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Nanchang 330009,China;2.East China Jiaotong Uiversity,Nanchang 330013,China)Abstract ：[Purposes ]In order to study the deformation and failure characteristics of different types of sur⁃rounding rocks during tunnel construction and operation under repeated loading and unloading.[Methods ]Granite and sandstone samples were selected for repeated loading and unloading tests.[Findings ]The results show that when the stress level is lower than the crack damage stress,the hysteresis curve changes from sparse to dense during the cycle.When the stress level is higher than the crack damage stress,the hysteresis curve does not show obvious dense characteristics.When the stress level is lower than the fracture damage stress,the damage has been basically formed during the first loading and unloading process.The acoustic emission events of granite are limited,while the acoustic emission events of sandstone are rare,and the damage is sig⁃nificantly reduced during the subsequent cycle accumulation process.When the stress level exceeds the crack damage stress,the two kinds of rocks will produce obvious damage successively in the process of cyclic load⁃ing and unloading,and the higher the stress level exceeds the crack damage stress,the faster the damagegrowth rate increase.[Conclusions ]The increase of cyclic load will promote the expansion of internal cracks收稿日期：2023-01-29作者简介：王小兵（1973—），男，硕士，高级工程师，研究方向：隧道工程及实际施工。
不同含水率的砂化白云岩力学特性研究
文章编号：2095－6835（2022）04－0079－04不同含水率的砂化白云岩力学特性研究张正全（中铁二局第一工程有限公司，贵州贵阳550007）摘要：为研究含水率对砂化白云岩物理力学特性的影响，制备不同含水率的砂化白云岩试样进行单轴压缩试验，分析含水率对砂化白云岩力学特征与损伤过程的影响。
研究发现，砂化白云岩的峰值强度、弹性模量受含水率的影响较大，从干燥状态到含水率0.73%，状态弹性模量减少44.51%，峰值应力减少44.32%；随着含水率的增大，损伤本构模型参数m、F均逐渐减小；临界损伤值逐渐增大，表明岩石强度与脆性降低，压缩变形过程中塑性应变的占比逐渐增大。
关键词：砂化白云岩；含水率；力学特性；损伤本构中图分类号：TD315文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.04.024地下水常常引发岩石物理力学特性的改变，使得岩石在水作用下的变形破坏更加敏感。
岩石赋存在地应力和地下水环境中，这种环境一方面影响岩石的承载能力、变形和破坏机制，另一方面也影响岩石中应力传播法则。
国内外的众多学者也开展了水-岩作用下岩石的力学特性及损伤特性的试验研究。
曹洋兵等[1]开展了不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验，分析破坏特征和应力-应变曲线特征。
赵奎等[2]开展了不同含水率条件下红砂岩试件单轴压缩试验，构建了红砂岩的损伤演化模型。
陈玉华等[3]开展了不同含水率花岗岩单轴压缩试验，建立了以单轴抗压强度和弹性模量进行量化的损伤演化规律。
李安润等[4]以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象，提出了含水损伤蠕变本构模型。
万亿等[5]以川藏铁路沿线的红砂岩为研究对象，揭示了模型参数及劣化系数随冻融循环次数及含水率的变化规律。
李回贵等[6]以神东矿区大柳塔煤矿岩层中的砂岩为研究对象，研究了含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律。
刘坚[7]利用水岩耦合作用下岩石应力-应变曲线极值特点，建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型。
240 ℃内盐岩物理力学特性的实验研究
第23卷第14期岩石力学与工程学报23(14)：2365～2369 2004年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2004 240℃内盐岩物理力学特性的实验研究*梁卫国1赵阳升1，2徐素国1(1太原理工大学采矿工艺研究所太原 030024) (2中国矿业大学能源科学与工程学院徐州 221000)摘要由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性，盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。
研究表明，核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性，使得围岩温度升高。
因此，为保证核废料地下处置的安全性，研究盐岩在一定温度条件下的物理力学特性十分重要。
通过对无水芒硝盐岩试件在20℃～240℃不同温度下的超声波测试、单轴压缩实验、不同角度下的楔形剪切实验以及直接剪切实验研究发现，随温度的升高：(1) 盐岩试件的超声波速在降低，超声波速与温度的关系为：v = 3.38e－0.003 2T；(2) 盐岩的单轴抗压强度及轴向应变均在增大，而变形模量Eθ则在降低，盐岩的塑性变形及应变软化的特征更趋于明显，经回归分析，得单轴抗压强度与温度的对数关系曲线：σc = 4.54ln(T)－3.04；(3) 盐岩的粘聚力和内摩擦角均增大，尤其是内摩擦角增幅明显，在20℃，60 ℃及120 ℃时的强度曲线分别为：τ = 6.11＋σ tan22.5°，τ = 7.06＋σ tan27.6°，τ = 7.09＋σ tan33.9°；(4) 盐岩的剪切强度增强，剪切峰值强度与温度呈线性关系：τpeak = 0.009 7T＋6.960 9。
关键词岩石力学，盐岩，高温，力学特性，温度效应，核废料处置，实验研究分类号TU 458+.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)14-2365-05TESTING STUDY ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OFHEATED SALT ROCK WITHIN 240℃Liang Weiguo1，Zhao Yangsheng1，2，Xu Suguo1(1Mining Technology Institute，Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024 China) (2College of Energy Resource and Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221000 China)Abstract Salt rock is regarded as the ideal host rock for nuclear waste disposal due to its advantageous geological conditions and physico-mechanical properties. Study shows that nuclear wastes still have strong radiation energy，and make the surrounding rock heavily heated after many years of underground disposal. So the study of the physical and mechanical properties of heated salt rock is important and essential to ensure the safety of nuclear wastes disposed in salt rock. Through a series of tests for heated salt rock at different temperatures ranging from 20 ℃ to 240 ℃ in this paper，several conclusions are generated as follows. (1) The ultrasonic velocity of salt rock decreases with the rising of temperature，and the the ultrasonic velocity and the temperature are of exponential relation. (2) Both the uniaxial compressive strength and the axial strains of salt rock increase with the rising of temperature，while the modulus of deformation turns to the opposite direction. (3) The characteristic of plastic deformation and strain softening becomes distinct at high temperatures，and through regressive analysis，a relation between the uniaxial compressive strength and the temperature is obtained. (4) The values of the cohesion and the internal friction angle of salt rock increase with the rising of temperature，and the strength equations of salt rock at 20 ℃，60 ℃，and 120 ℃are obtained. (5) The peak shear strength and the ultimate friction strength of salt rock both increase with the rising of temperature，and the relation of shear strength2003年6月18日收到初稿，2003年8月12日收到修改稿。
高地应力下岩石的真三轴试验研究
第25卷 第8期岩石力学与工程学报 V ol.25 No.82006年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2006收稿日期：2005–04–25；修回日期：2005–09–02 基金项目：国家杰出青年基金资助项目(50325414)作者简介：陈景涛(1976–)，男，1998年毕业于武汉工业大学工程结构与力学系结构工程专业，现为博士研究生、讲师，主要从事岩土工程、结构工程方面的教学与研究工作。
E-mail ：jtchen2006@高地应力下岩石的真三轴试验研究陈景涛1，2，冯夏庭1(1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070)摘要：通过真三轴试验模拟高地应力条件下地下工程开挖引起的复杂的应力路径的演化。
在设定的加载方式下，针对拉西瓦新鲜花岗岩的试验结果表明：当卸载最小主应力时，岩石发生回弹变形，声发射计数率比卸载前显著增加，增加的幅度随中间主应力的增加而逐渐提高。
岩石的应力–应变关系为弹脆性，峰值强度随中间主应力的增加有所提高，峰值强度的提高值与中间主应力的比值随中间主应力的提高逐渐减小。
声发射计数率峰值与应力水平有关，峰值的次数与破坏后主裂缝的条数相对应。
最后，分析了岩石的破坏机制。
关键词：岩石力学；高地应力；真三轴试验；强度与变形特性；声发射；破坏机制中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)08–1537–07TRUE TRIAXIAL EXPERIMENTAL STUDY ON ROCK WITH HIGHGEOSTRESSCHEN Jingtao 1，2，FENG Xiating 1(1. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China ；2. School of Nature Sciences ，Wuhan University of Technology ，Wuhan ，Hubei 430070，China )Abstract ：The complicated evolvement of stress load ，which is produced by excavating underground engineering under high stress conditions ，is simulated through true triaxial experiment. Under the given loading method ，the experimental results about new granite in Laxiwa show that the resilient deformation is found and acoustic emission counts rate is evidently enhanced when the minor principal stress is unloaded. The enhancing extent of acoustic emission counts rate increases with the intermediate principal stress. The constitutive relation is elasto-brittle. The peak value of strength increases with the intermediate principal stress ；and the ratio of increasing value of limit strength and the intermediate principal stress decrease with the intermediate principal stress. The peak value of acoustic emission counts rate depends on stress state ；and the amount of peak value is equal to that of major crack after failure. Finally ，the failure mechanism is discussed. Key words ：rock mechanics ；high geostress ；true triaxial experiment ；characteristics of strength and deformation ；acoustic emission(AE)；failure mechanism1 引 言随着我国西部大开发等相关战略的实施，一批重大基础设施建设，如西电东送、南水北调等，正以前所未有的速度在全国展开。
静水压下白砂岩的动态力学性能研究
第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024静水压下白砂岩的动态力学性能研究吕绍品1,郑㊀光1,郑宇轩1,聂㊀宏2,周风华1(1.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室,宁波㊀315211;2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京㊀210016)摘要:深部岩石在地下高地应力环境的动态力学性能对深部矿山工程的开展有重要影响,因此,其动态力学性能研究具有重要意义㊂本文以平顶山某煤矿下白砂岩为研究对象,利用三维霍普金森杆装置开展动态力学试验并采用HJC 本构模型的白砂岩进行三维霍普金森杆有限元仿真,研究静水压对白砂岩动态力学性能㊁能量吸收和损伤的影响㊂结果表明:白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而降低;静水压可抑制裂纹的扩展,增强白砂岩的强度;HJC 本构模型可以较好地模拟白砂岩的损伤失效㊂预期结果可为深部岩石动态力学性能的研究提供参考,并为深部岩石工程的实施提供理论基础㊂关键词:三维霍普金森杆;白砂岩;静水压;有限元仿真;HJC 本构模型;动态力学性能中图分类号:TU45㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0543-12Dynamic Mechanical Properties of White Sandstone under Hydrostatic PressureLYU Shaopin 1,ZHENG Guang 1,ZHENG Yuxuan 1,NIE Hong 2,ZHOU Fenghua 1(1.Key Laboratory of Impact and Safety Engineering,Ministry of Education,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract :The dynamic mechanical properties of deep rock in high underground stress environment have an important influence on the development of deep mine engineering.Therefore,it is of great significance to study its dynamic mechanics.The effects of hydrostatic pressure on the dynamic mechanical properties,energy absorption and damage of white sandstone from a coal mine in Pingdingshan were investigated,using 3D Hopkinson bar experiments and finite element simulations based on the Holmquist-Johnson-Cook (HJC )constitutive model.The results show that as the hydrostatic pressure increases,the peak stress of white sandstone increases.Conversely,the peak strain decreases with the increase of hydrostatic pressure.Furthermore,the hydrostatic pressure can restrain the crack propagation and enhance the strength of white sandstone.Additionally,it was found that the HJC constitutive model can simulate the damage failure of white sandstone well.These expected results provide a valuable reference for the study of dynamic mechanical properties of deep rock and a theoretical basis for the implementation of deep rock engineering.Key words :3D Hopkinson bar;white sandstone;hydrostatic pressure;finite element simulation;HJC constitutive model;dynamic mechanical property 收稿日期:2023-09-08;修订日期:2023-10-31基金项目:机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题(MCMS-E-0221Y01)作者简介:吕绍品(2000 ),男,硕士研究生㊂主要从事材料静动态力学性能方面的研究㊂E-mail:227376170@通信作者:郑㊀光,助理研究员㊂E-mail:zhengguang@ 0㊀引㊀言随着浅层资源日益锐减以及人类科技的发展,深层矿产资源的开采日益需求迫切㊂深部岩石在地下高地应力环境力学响应完全不同于浅部岩石[1]㊂随着岩石开采深度增加,岩石所受到的应力状态也不同,近场区开采的深部岩石处于单轴压缩状态和双轴压缩状态,中间区开采的深部岩石处于真三轴压缩状态,随着进一步远离开采区,深部岩石所受的应力状态逐渐过渡静水压力状态,同时,在深部开采的过程中岩石不可544㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷避免地会受到不同程度的扰动[2-5]㊂因此,研究深层岩石在复杂地质环境下的动态力学行为对地下极端环境下岩石动态理论的建立具有重要科学价值,也为实现深部岩石高效开挖提供理论依据㊂对于岩石在围压作用下的动态力学研究,目前许多学者通过试验或仿真模拟已经取得了很多研究成果㊂这些研究主要基于分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)或其改进型,对不同类型的岩石(如砂岩㊁煤㊁石灰岩等)进行不同形式的动静组合加载试验或仿真,分析了围压和轴压对岩石的强度㊁应变㊁能量㊁破坏模式等方面的影响规律㊂研究结果表明,围压和轴压对岩石的力学性能有显著影响,而且在三维动静组合加载下,岩石会呈现出不同的破坏形式,如拉伸劈裂破坏和剪切破坏㊂在试验方面,宫凤强等[6]使用改进的霍普金森杆装置对砂岩进行了三维组合加载试验,发现随着轴压的增加岩石的抗压强度减小,随着围压的增加岩石的抗压强度增大㊂Ma等[7]通过改进的霍普金森杆装置试验,发现围压能够约束岩样并增强其峰值应力㊂焦振华等[8]通过套筒对煤样施加被动约束,发现在围压条件下,煤样的峰值应力明显高于径向自由条件㊂余永强等[9]利用改进的霍普金森杆装置对石灰岩进行冲击试验,发现围压的增加能够提高石灰岩的强度和刚性,抑制裂纹发展㊂Liu等[10]使用世界首台真三轴霍普金森杆系统研究了砂岩在不同预应力条件下的动态力学特性,发现在单轴预应力下,岩石呈现粉碎性破坏;在双轴预应力下,岩石碎块沿自由面方向迸出;而在三轴预应力下,岩石只有少量轻微破坏㊂沈荣喜等[11]利用真三轴霍普金森杆装置开展煤动态破坏力学试验,发现三轴预应力对煤动态破坏具有明显的约束作用,使煤的力学强度较单轴冲击时更大㊂王文等[12]利用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然和饱水煤进行试验,得出随着中间主应力的变化,自然和饱水煤的峰值应力均表现为先增大后减小的现象㊂Zhang等[13]利用真三轴霍普金森杆装置对不同三轴预应力下的煤进行动载冲击试验,发现在相同的动载荷下,煤的动态力学特性具有约束依赖性㊂在仿真模拟方面,王军祥等[14]利用LS-DYNA软件建立数值模型分析了砂岩在不同条件下的力学特性和破坏形态,发现砂岩的破坏模式随着轴压和围压的变化而变化㊂Chen等[15]利用Abaqus软件建立三维霍普金森杆细观有限元模型研究了不同骨料混凝土试件的动力响应㊂Hu等[16]㊁You等[17]利用离散元软件建立了三维霍普金森杆离散元模型系统地研究了不同约束条件对砂岩动态力学性能的影响㊂上述文献主要探讨了岩石在不同预应力下的动态力学性能,然而针对岩石在静水压作用下的动态力学性能的系统性研究仍较少㊂一些学者[18]利用改进霍普金森杆装置对静水压力作用下红砂岩进行了动力学测试㊂然而,改进霍普金森杆装置仍存在不足,冲击加载时试件周围的油压不稳定,导致试验数据具有不确定性,动态三轴强度往往偏高[19]㊂在实际工程中,深部岩石受到的静载是不变的,三维霍普金森杆装置可以对岩石三个方向施加稳定的静载,并且可按照岩石的实际受力情况,精确地控制三个方向静载的大小,较为全面真实地反映出深部岩石的地下受力情况,能够更为准确地表征岩石在静水压状态下的动态力学性能㊂本文以深部岩石地下矿山工程需求为背景,基于试验和数值仿真方法,对平顶山某煤矿开采过程中常见的白砂岩开展在静水压下的动态力学性能研究㊂首先开展白砂岩准静态压缩和劈裂拉伸试验研究,获得白砂岩在准静态下的力学性能,为动态力学性能研究提供参考;基于三维霍普金森杆试验,开展不同静水压下的白砂岩动态力学试验㊂其次,建立并验证了三维霍普金森杆试验仿真装置的有效性㊂最后,基于试验数据和仿真结果,讨论了白砂岩在静水压下的动态力学性能㊁能量吸收特性和损伤效应㊂1㊀实㊀验1.1㊀单轴抗压强度试验试验原材料取自平顶山某煤矿埋深约1100m的细粒白砂岩,无明显的层理结构,颜色呈灰白色,普氏硬度f3~f5,选取表面没有破损㊁完整度较好的白砂岩进行取样㊂依据国际岩石力学学会(ISRM)的标准与国内‘煤和岩石物理力学性质测定方法“(GB/T2356 2010)的测试方法对白砂岩进行单轴压缩强度试验,岩石试件采用圆柱体标准岩石试件,直径为50mm,长度为100mm㊂利用电动伺服岩石多功能加载系统进行单轴压缩试验,采用逐级一次连续加载法,加载时间为13min,加载速率为0.175mm/min㊂白砂岩的单轴抗压强度如图1所示,由图可知,白砂岩的单轴抗压强度为39.67MPa㊂㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究545图1㊀白砂岩的单轴抗压强度Fig.1㊀Uniaxial compressive strength of white sandstone1.2㊀巴西劈裂试验基于巴西劈裂试验对白砂岩开展准静态下抗拉强度测试㊂选用ϕ50mmˑ50mm的圆柱体岩石试件,取3个白砂岩标准试件㊂试验时将试件横置在试验机的上下压头之间,使试件轴向与加载方向垂直,并位于压头的中部,采用直接加压的方式进行对径加载㊂白砂岩试件的劈裂拉伸破坏形态如图2所示㊂图2㊀白砂岩试件的劈裂拉伸破坏形态Fig.2㊀Splitting tensile failure modes of white sandstone specimens从图2的试件破坏形态可以看出,劈裂拉伸试验后白砂岩沿径向加载方向劈裂成比较完整的两部分,符合巴西劈裂有效性的要求㊂白砂岩劈裂拉伸试验参数如表1所示,白砂岩的平均静态拉伸强度为4.5MPa㊂㊀表1㊀白砂岩的劈裂拉伸试验参数Table1㊀Splitting tensile test parameters of white sandstoneSample No.Diameter/mm Thickness/mm Limiting pressure/kN Tensile strength/MPa1-350.152.4 6.7 5.171-450.042.8 3.7 3.461-550.045.0 5.6 4.98表2为白砂岩的基本物理力学参数表㊂其中ρ是白砂岩的密度,f c是抗压强度,T是抗拉强度,E是弹性模量,υ是泊松比,G和K分别是剪切模量和体积模量㊂表2㊀白砂岩的基本物理力学参数Table2㊀Basic physical and mechanical parameters of white sandstoneParameterρ/(kg㊃m-3)f c/MPa T/MPa E/GPaυG/GPa K/GPa Value240039.67 4.570.3 2.69 5.831.3㊀三维霍普金森杆动态冲击试验本试验使用宁波大学建造的三维霍普金森杆加载测试系统对静水压状态下的白砂岩开展动态冲击试546㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷验,该测试系统如图3所示㊂该系统由可对试件分别施加三个方向静载的液压控制系统和分离式霍普金森杆动态冲击系统组成㊂其中,在冲击方向(X 方向)包括气枪㊁入射杆㊁透射杆㊁液压油缸和动能吸收装置;水平方向(Y 方向)包括左右两侧围压杆和液压油缸;垂直方向(Z 方向)包括上下两端围压杆和液压油缸㊂气枪内径为ϕ40mm ˑ2000mm;X 轴方向的入射杆长2000mm,透射杆长2000mm;Y 轴方向和Z 轴方向围压杆长1500mm;杆件为方形杆,截面为50mm ˑ50mm㊂试件为50mm ˑ50mm ˑ50mm 的立方体㊂图3㊀三维霍普金森杆加载测试系统Fig.3㊀3D Hopkinson bar loading test system 在动态冲击之前,试件的三个方向可分别施加静载σX ㊁σY 和σZ ㊂动态冲击过程中子弹在X 轴方向撞击入射杆端产生冲击信号εi ,经过试验后,将在透射杆接收到透射信号εt ;由于泊松效应,同时还会在Y 轴左方接收到信号εY left ,在Y 轴右方接收到信号εY right ,在Z 轴上方接收到信号εZ up ,在Z 轴下方接收到信号εZ down ㊂冲击方向的动载荷计算遵循一维应力波假设和试样均匀应力应变假设,并假设在动态试验过程中其他两个方向存在动应力平衡状态㊂因此,试件在冲击方向的应变率̇εdyn X ㊁应变εdyn X 和应力σdyn X 的计算式如式(1)~(3)所示[20]㊂̇εdyn X (t )=C 0L s X [εi (t )-εr (t )-εt (t )](1)εdyn X (t )=C 0L s X ʏt 0[εi(t )-εr (t )-εt (t )]d t (2)σdyn X (t )=A 02A s X E 0[εi(t )+εr (t )+εt (t )](3)式中:A 0为杆的截面积,E 0和C 0分别为杆的弹性模量和弹性波速度,A s X 和L s X 分别为冲击方向上试件的横截面积和长度,εi ㊁εr ㊁εt 分别为X 轴方向杆的入射波信号值㊁反射波信号值㊁透射波信号值㊂试件在Y 轴和Z 轴方向上的应变εdyn k 和应力σdyn k 的计算式如式(4)~(5)所示㊂εdyn k (t )=C 0L s k ʏt 0[εk 1(t )+εk 2(t )]d t (4)σdyn k (t )=A 02A s k E 0[εk 1(t )+εk 2(t )](5)第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究547㊀图4㊀动态冲击试件加载示意图Fig.4㊀Schematic diagram of dynamicimpact specimen loading 式中:A s k 和L s k 分别为试件的初始横截面积和长度;k为Y 轴或Z 轴,当k 为Y 轴时,εk 1㊁εk 2分别为代表Y 轴方向的左和右方杆上的信号值,当k 为Z 轴方向时,代表Z 方向上和下方杆上的信号值㊂图4为动态冲击试件加载示意图㊂为保护入射杆,在其冲击端加上圆形垫片,垫片材料与入射杆材料相同㊂同时使用ϕ15mm ˑ2mm 的圆形橡胶片作为整形器,对白砂岩分别开展静水压为0㊁5㊁15㊁20㊁25㊁30MPa 状态下的动态冲击试验,不同静水压条件下岩石试样X 方向(冲击方向)的应变率为30s -1㊂图5(a)为静水压为10㊁15和20MPa 时白砂岩的应力波形图㊂入射波形㊁反射波形和透射波形与常规霍普金森杆试验在冲击加载过程中没有明显差异,但在卸载过程中存在明显差异㊂三维霍普金森杆装置X 方向(冲击方向)静载是由方杆两端的压力油缸和反力支架施加的,子弹撞击入射杆一瞬间,入射杆从反力支架上脱离,因为静载施加的地方与测试部位具有一定的距离,冲击方向入射脉冲不仅会卸载到动载施加前的状态,还会继续卸载刚开始施加的静载㊂但是,这种对静载的卸载只是暂时的㊂随着时间推移,测试部位的静载会慢慢恢复到最初施加的水平[21]㊂图5(b)为Y 和Z 方向测得的应力波形图㊂图5(c)为应力波在入射杆和透射杆中传播的应力时程曲线㊂试样靠近入射杆的端面应力由入射应力和反射应力的叠加产生,靠近透射杆的端面应力是由透射应力产生㊂由图5(c)可知在整个加载过程中入射应力和反射应力叠加后与透射应力大小基本相同,表明试样两端的动应力几乎相等,因此试样两端的动应力达到了平衡[22]㊂在静水压加载试验中,均进行了应力时程曲线检验,保证了试验结果的准确性[23]㊂548㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图5㊀静水压下白砂岩的应力波形图和应力时程曲线Fig.5㊀Stress waveform diagram and stress-time curves of white sandstone under staticpressure 图6㊀不同静水压下白砂岩的应力-应变曲线Fig.6㊀Stress-strain curves of white sandstone under different hydrostatic pressure ㊀㊀图6为不同静水压下白砂岩的应力-应变曲线㊂从图中可以看出随着静水压的增加,应力-应变曲线的回弹速度在峰值应力点后开始增加,说明静水压增加可使岩石抵抗变形的能力增强㊂图7为静水压为0和5MPa 时白砂岩试件的破坏形态㊂在静水压为0MPa 时,岩石发生剪切破坏,在Y和Z 方向发生类似V 字形剥离,剥离的角度约为135ʎ,原因是白砂岩在Y 和Z 方向没有约束,岩石在这两个方向发生裂纹扩展㊂当静水压从5MPa 增加到30MPa 时,由于在高静水压作用下,岩石内部颗粒之间的相互作用更加紧密,岩石的契合度㊁咬合力和摩擦力都会出现较高的水平,促使岩石的承载能力升高,所以岩石仅表面出现轻微损伤,但无明显的破坏㊂图7㊀白砂岩冲击加载后的破坏形态Fig.7㊀Failure modes of white sandstone after impact loading 表3为不同静水压下白砂岩的动态力学性能数据,从表中可以看出白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而减小㊂表3㊀白砂岩的动态力学性能Table 3㊀Dynamic mechanical properties of white sandstoneHydrostatic pressure /MPa Peak stress /MPa Peak strain /10-3(0,0,0)81.747.63(5,5,5)102.867.55㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究549续表Hydrostatic pressure/MPa Peak stress/MPa Peak strain/10-3(10,10,10)108.707.51(15,15,15)112.787.43(20,20,20)117.047.37(25,25,25)122.52 6.72(30,30,30)131.67 6.442㊀数值模拟2.1㊀三维霍普金森杆仿真模型图8(a)为三维霍普金森杆试验装置仿真模型㊂在仿真模型的X方向设置入射杆和透射杆,长度为2000mm,在Y和Z方向设置围压杆,长度为1500mm,各杆件横截面尺寸为50mmˑ50mm;试样尺寸为50mmˑ50mmˑ50mm㊂网格采用六面体缩减积分单元SOLID164,网格尺寸为2mm㊂在各正向围压杆前端设置固定刚性面,为预载荷施加提供反向约束,预定压力施加相应负向围压杆末端㊂杆件和试样之间接触设置为面面接触,接触摩擦系数设置为0.2[15]㊂杆件材料为钢,采用线弹性材料模型㊂HJC模型是在Johnson-Cook模型的基础上,综合考虑了压实压碎效应㊁应变率效应㊁损伤演化效应以及围压效应的影响,因而能够较好地描述岩石㊁混凝土等材料在高应变和应变率下的变形及断裂特性[24-25]㊂因此,白砂岩材料选择HJC模型,在LS-DYNA软件中该模型共有21个参数,其中基本参数ρ㊁f c㊁T㊁G通过1.2节试验得到,强度参数归一化内聚力强度A㊁归一化压力硬化系数B㊁压力硬化指数N㊁应变率系数C通过屈服面拟合得到[26],压力参数P c和μc可通过公式P c=f c/3和μc=P c/K得到,剩余的参数通过综合参考文献[27-30]得到,最终确定模型参数如表4所示㊂此外,为避免网格对结果精度影响,开展了网格无关性分析㊂图8(b)是网格尺寸为0.80㊁1.00和1.25mm的应力-应变曲线,三者在弹性阶段基本重合,峰值相对平均偏差为0.9%㊂可以看出,在一定范围内随着网格尺寸的减小,白砂岩模型对网格的敏感性不强,因此满足网格无关性㊂图8㊀三维霍普金森杆仿真模型和网格无关性验证曲线Fig.8㊀3D Hopkinson bar simulation model and grid independence verification curves表4㊀白砂岩的HJC本构参数Table4㊀HJC constitutive parameters of white sandstoneParameterρ/(kg㊃m-3)f c/MPa A B N C P c/MPa Value240039.670.4560.119 1.7950.017313.22 Parameterμc P l/MPaμl K1/GPa K2/GPa K3/GPa S max Value0.00228100.010185-1712087 Parameter G/GPa D1D2EF min T/MPȧε0F s Value 2.690.04 1.00.01 4.510.004㊀㊀注:P l为压力参数,K1㊁K2㊁K3为压力参数,S max为材料最大无量纲等效应力,D1㊁D2㊁EF min为损伤参数,̇ε0为参考应变率,F s为失效参数㊂550㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷2.2㊀仿真模型与验证图9是不同静水压下白砂岩的试验和仿真应力波形图㊂采用试验的入射波形作为仿真的动态加载曲线,试验和仿真的入射波重合性较好,仿真的入射波在卸载阶段同样会把静载卸载,这与试验过程一致,试验和仿真的透射波和反射波峰值偏差为5%,证明该仿真模型可行㊂图9㊀不同静水压下白砂岩试验和仿真应力波形图Fig.9㊀Experimental and simulated stress waveforms diagrams of white sandstone under different hydrostatic pressures 3㊀静水压对动态力学性能研究3.1㊀动态特性的影响分析图10是在应变率为30s -1时,不同静水压对白砂岩的峰值应力和峰值应变的影响,当静水压从0MPa 增加到30MPa 时,白砂岩的峰值应力从81.74MPa 增加到了131.67MPa,峰值应变从0.0076降低到了0.0064,且都表现出非线性关系,对白砂岩峰值应力和峰值应变采用多项式拟合,如式(6)~(7)所示㊂Y 1=86.27+22.28X 1-0.029X 21(6)Y 2=7.55+0.017X 2-0.0019X 22(7)式中:Y 1为拟合峰值应力,Y 2为拟合峰值应变,X 1为拟合峰值应力对应的静水压值,X 2为拟合峰值应变对应的静水压值㊂定义静水压峰值应力增强系数K 1=σd /σs ,静水压峰值应变增强系数K 2=εd /εs ,其中σd ㊁σs ㊁εd 和εs 分别是岩石的动态抗压强度㊁静态抗压强度㊁动态抗压强度对应的峰值应变和静态抗压强度对应的峰值应变㊂K 1和K 2与静水压的关系如图11所示㊂由图可知,白砂岩的峰值应力增强系数K 1随着静水压的增加而增加,峰值应变增强系数K 2随着静水压的增加而降低㊂在静水压为0MPa 时K 1为2.06,随着静水压增加到30MPa,K 1增加到3.32,K 2从0.82降低到0.69㊂图10㊀静水压对白砂岩的峰值应力和峰值应变的影响Fig.10㊀Influence of hydrostatic pressure on peak stress and peak strain of whitesandstone 图11㊀静水压与增强系数的关系Fig.11㊀Relationship between hydrostatic pressure and enhancement coefficient㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究551 3.2㊀能量吸收影响研究深部岩石在受到冲击的过程中往往伴随着能量的吸收和耗散,根据一维弹性波传播理论[31],杆中沿X 方向的弹性应变能计算式如式(8)所示㊂W In(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2In(t)d t(8)W Re(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Re(t)d t(9)W Tr(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Tr(t)d t(10)式中:W In㊁W Re和W Tr分别是X方向的入射波㊁反射波㊁透射波所携带的能量㊂E0为杆件的弹性模量,t0为应力波的持续时间㊂εIn㊁εRe和εTr分别为入射应变㊁反射应变和透射应变㊂类似地,Y和Z方向的弹性应变能计算式如式(11)~(14)所示[32]㊂W Y1(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Y1(t)d t(11)W Y2(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Y2(t)d t(12)W Z1(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Z1(t)d t(13)W Z2(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Z2(t)d t(14)式中:W Y1㊁W Y2㊁W Z1和W Z2分别是Y与Z方向的输出应力波所携带的能量,εY1和εY2㊁εZ1和εZ2分别是Y与Z 方向的应变㊂因此,岩石吸收的能量W ab为W ab=W In-W Re-W Tr-W Y1-W Y2-W Z1-W Z2(15)根据式(8)~(14),获得白砂岩试件在静水压力为5MPa时各个方向上的能量演化时程曲线如图12所示㊂白砂岩在动态三轴荷载作用下的能量曲线包括入射能量㊁反射能量㊁透射能量以及Y㊁Z方向的输出能量㊂荷载作用开始时,每个能量值都接近于零,因为应力波需要一定时间才能传播到测试部位㊂随后,大约在50μs时每个方向的能量值都会出现显著的增加,并且随着时间的增加能量持续增加㊂最终,大约在225μs时每个方向的能量值都会达到最大值,此时W In为139J,W Re为50J,W Tr为63J,W Y1为0.37J,W Y2为0.39J,W Z1为0.32J,W Z2为0.27J,随后各方向能量逐渐稳定并保持不变㊂图12㊀白砂岩的能量时程曲线Fig.12㊀Energy-time curves of white sandstone根据式(15),计算白砂岩在不同静水压下的吸收能量,计算结果如图13所示㊂随着静水压的增加,白砂岩吸收的能量从54J减小到16J,吸收效果逐渐降低㊂在应变率相同的情况下,冲击载荷给岩石带来的能量输入大致相同,但是当岩石处于低静水压状态时,它能够吸收更多的能量㊂原因可能是白砂岩的脆性强,552㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图13㊀不同静水压下白砂岩的吸收能量Fig.13㊀Energy absorption of white sandstone under different hydrostatic pressure 材质的不均匀程度高,内部存在较多缺陷和微裂纹,当受到冲击载荷作用后白砂岩就会吸收很多能量从而发生破坏㊂但当静水压增加时会使白砂岩内部的缺陷和微裂纹闭合,限制岩石的裂纹扩展,使得岩石吸收的能量减少,破坏程度也大大减小㊂3.3㊀损伤云图分析图14是白砂岩试件在不同静水压下的损伤云图㊂History Variable 表示材料的损伤值,当静水压为0MPa 时,试件在Y 和Z 方向表面产生V 形剪切裂纹,与试验结果一致㊂当静水压增加到5MPa 时,试件表面仍然出现裂纹损伤,但损伤程度明显减小㊂当静水压进一步增加到10~30MPa 时,体积应变受到限制,裂纹产生受到抑制,此时,试件表面几乎无裂纹损伤,只有在边缘处出现少量损伤㊂随着静水压继续增大,边缘处的损伤也逐渐减小㊂图14㊀不同静水压下白砂岩试件的损伤云图Fig.14㊀Damage cloud images of white sandstone specimens under different hydrostatic pressure 4㊀结㊀论1)白砂岩的峰值应力和峰值应力增强系数K 1随着静水压的增加而增加,峰值应变和峰值应变增强系数K 2随着静水压的增加而降低㊂2)对白砂岩试样进行动态冲击数值模拟,并与试验结果对比,验证了模拟方法的准确性㊂3)白砂岩对能量吸收的能力随着静水压的增加而降低㊂4)白砂岩的损伤随着静水压的增加而降低,在静水压为0MPa 时,试样产生V 形剪切裂纹,与试验结果一致,但随着静水压的增加,体积应变受到限制,裂纹扩展受到抑制,试件的损伤大大减小㊂参考文献[1]㊀王者超,石伟川,孔㊀瑞,等.真三向应力作用下深部砂岩力学特性[J].东北大学学报(自然科学版),2023,44(5):689-696.WANG Z C,SHI W C,KONG R,et al.Mechanical properties of deep sandstone under true triaxial stress[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2023,44(5):689-696(in Chinese).[2]㊀夏开文,王㊀帅,徐㊀颖,等.深部岩石动力学实验研究进展[J].岩石力学与工程学报,2021,40(3):448-475.XIA K W,WANG S,XU Y,et al.Advances in experimental studies for deep rock dynamics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(3):448-475(in Chinese).㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究553 [3]㊀ZHANG Q B,ZHAO J.A review of dynamic experimental techniques and 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冲击压缩载荷作用下损伤砂岩的动态能量演化及破碎特征
冲击压缩载荷作用下损伤砂岩的动态能量演化及破碎特征郑强强;钱佳威;李萍丰;殷志强;赵桓庭【期刊名称】《Applied Geophysics》【年(卷),期】2024(21)2【摘要】开挖和构造运动等外部扰动使岩体处于不同程度的损伤状态,损伤岩体内缺陷的产状、密度和大小与预制裂隙岩体存在显著的差异。
本研究基于Weibull 分布,分析了冲击载荷作用下损伤岩体的耗能密度增长率与静态损伤因子之间的理论关系,并通过室内试验开展验证。
采用不同上限静态预压后使砂岩处于不同程度的损伤状态,并用CT成像进行验证。
然后,利用高速摄像机和几何分形技术探究了不同驱动压力作用下不同损伤砂岩的破裂过程和破碎特征。
实验结果验证了耗能密度增长率关于静态损伤因子的函数关系式服从Weibull分布,耗能密度增长率随着损伤因子的增加逐渐增大;随着砂岩损伤程度或驱动压力的增加,破碎岩块的数量和破碎程度都增加。
这些研究成果扩展了岩石动力学理论,验证了冲击载荷下损伤砂岩的能量演化、破裂过程和碎裂特征,还为动力灾害显现下岩体的风险解危提供了参考。
【总页数】16页(P232-245)【作者】郑强强;钱佳威;李萍丰;殷志强;赵桓庭【作者单位】安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室;非煤露天矿山安全智能开采国家矿山安全监察局重点实验室;河海大学海洋学院;中国科学技术大学地球和空间科学学院;安徽至博光电科技股份有限公司;宏大爆破工程集团有限公司【正文语种】中文【中图分类】G63【相关文献】1.冲击载荷下裂隙岩体破碎能量耗散特征2.冻融循环作用下受荷砂岩的能量演化与破碎分形特征3.考虑细观特征的红砂岩动态损伤与破碎的能量耗散4.冲击载荷下两种应变率作用方式煤岩能量演化及分形特征研究5.冲击载荷下砂岩动态拉伸力学及能量耗散特征因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。