动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究

【摘要】：针对目前深部硬岩矿山开采的特点和深部岩石力学实验与理论研究相对还不足这一现状,开展动静组合加载下岩石力学的理论和实验研究具有十分重要的意义。本文利用改进的动静组合加载装置,对受不同预应力状态下的岩石开展了冲击载荷下力学特性的试验研究,在此基础上进行了相关的理论研究。主要内容和结论性成果如下： (1)定义了应力波峰值因子和应力波上升沿时间因子两个系数,利用三维数值模拟,从弹性杆的轴向和径向传播两个方面,分析了矩形波、三角波和半正弦波在5种不同直径SHPB中的传播规律。研究结果表明,针对大直径(≥50mm)的SHPB装置,半正弦应力波在传播过程中能够较好的满足一维应力假定。 (2)根据应力波在弹性杆和岩石试样内的透反射规律,给出了利用反射系数和应力波在试样间来回传播最低次数获得应力差相对值的查值表。提出了岩石波速跟岩样最大长度之间存在二次函数关系式,为具体试验条件下确定岩石试样尺寸提供了一种参考方法。 (3)对均质砂岩进行的动态单轴抗压试验结果标明：岩石在应变率低于102/s情况下,抗压强度的增加跟应变率的量级成正比；在高于应变率102/s时,岩石的抗压强度增加趋势跟应变率的1/3次方成正比。冲击时存在着岩石吸能为零的临界入射能,当入射能小于临界入射能时,岩石内部不参与能量的吸收。 (4)动三轴试验中围压相同时,岩石在应变率低于102/s情况下抗压强度的增加跟应变率的量级成正比。在应变率102/s时,岩石的抗压强度增加趋势跟应变率的1/3次方成正比。在应变率一定时,岩石的抗压强度会随着围压的增大基本呈线性关系显著增大。对于动三轴冲击试验,存在着临界入射能和临界应变率。 (5)一维动静组合加载试验中,相同应变率下,动静组合加载抗压强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,大约会在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。在相同轴压下,抗压强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。一维动静组合加载破坏试验中,岩石对外界动能的响应受轴压比影响很大。在轴压比递增的情况下,先后会经历“吸收能量-释放能量-吸收能量”三个阶段。这三个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。 (6)在三维动静组合冲击加载试验中,同一应变率下,当围压一定时,岩石的抗压强度都会随着轴压的增大呈现先增大后减小的趋势。在围压为5MPa时,岩石的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10MPa,岩石的抗压强度会有较大提高。在轴压一定时,随着围压的增大,抗压强度有增大的趋势。 (7)根据圆盘对心受力的弹性解以及岩石材料受拉过程中线弹性变化的特点,基于微积分原理,分别得到了常规劈裂和冲击劈裂试验中拉伸弹模的解析算法。劈裂试验的结果表明,在低于应变率102/s的范围内,抗拉强度增加比较缓慢,强度增加跟应变率的对数值呈线性关系。在高于应变率102/s内,抗拉强度迅速增加,强度增加跟应变率的1/3次方呈线性关系。利用高速摄像仪对动态劈裂过程进行了记录,证实了劈裂起始位置是从加载方向试样中心位置开始的。并对动态冲击下的劈裂破坏发展模式进行了讨论。 (8)通过对动态单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验数据的整理分析,并结合莫尔-库伦准则、霍克-布朗准则和格里菲斯准则的原理,给出了不同应变率范围内动态莫尔-库伦准则、动态霍克布朗准则的具体表达形式。研究结果表明,在低应变率情况下,动态莫尔-库伦准则和动态霍克布朗准则均适用,但是格里菲斯准则判别结果误差很大。在高应变率情况下,动态莫尔-库伦准则比较适用,格里菲斯准则仅适用于判别高应变率单轴抗压强度和抗拉强度。