水利工程論文-單軸壓縮情況下軟巖的動態(tài)力學特性試驗研究摘要：本文對軟巖(砂漿模擬材料)進行了應變速率范圍為10-5到101s-1的動單軸壓縮實驗。實驗結果表明，試樣的抗壓強度隨應變速率的增加有較明顯的增加趨勢，增加幅度大于硬巖。同時，試樣的彈性模量以及泊松比隨著應變速率的增加均有增加的趨勢，但幅度小于強度的增加幅度。本文還根據不同應變速率下試樣破裂面的SEM實驗結果，初步分析了軟巖動態(tài)力學特性機理。關鍵詞：動單軸壓縮軟巖力學特性mechanicalpropertiesofsoftrockunderdynamicuniaxialcompressionAbstract:Thepresentpaperintroducedtheexperimentalstudyonsoftrock(analogizedwithmortar)underdynamicuniaxialcompressionatthestrainratesfrom10-5to101s-1.Itisindicatedthatthecompressivestrengthofthesoftrockincreasewiththeincreasingstrainrateandtherisingratesarehigherthanthatofsoftrock.TheYoungsmoduliandPoissonsratioofthesoftrockincreasewiththeincreasingstrainrate,buttherisingratesarelessthanthatofcompressivestrength.Inaddition,basedontheSEMresults,themechanismofthestrainrateeffectofthesoftrockisprimarilyanalyzed.Keywords:Dynamicuniaxialcompression/softrock/mechanicalproperties一、前言巖石材料在動載荷作用下的力學特性是研究爆炸以及地震載荷在巖石結構中傳播與衰減規(guī)律的基本參數。應用動載實驗機等試驗系統，國內外研究人員對不同的巖石特別是硬巖(花崗巖、石灰?guī)r等)進行了大量的實驗，如文1-9的研究工作。這些研究結果表明，在中等應變速率范圍內(10-5s-1-101s-1)，硬巖(如花崗巖、石灰?guī)r等)的抗壓強度隨應變速率的增加由增加趨勢，但增加幅度不大，同時，硬巖的變形參數如彈性模量、泊松比隨應變速率的變化較小。例如，吳綿拔和劉遠惠8對花崗巖進行的中等應變速率下的實驗結果表明，當應變速率從10-5s-1增加到10-1s-1時，花崗巖的單軸抗壓強度增加25%，變形模量增加19%，試樣的泊松比基本上與應變速率無關。Olsson2用兩種實驗設備對凝灰?guī)r進行的應變速率為10-6到103s-1的單軸抗壓實驗結果表明，當應變速率小于76s-1時，巖石試樣的強度隨應變速率的變化不大(當應變速率由10-6增加到101s-1時，巖石的抗壓強度增加約10，而當應變速率大于約76s-1后，巖石試樣的強度隨應變速率的增加而大幅度增加。Zhao等人4對BukitTimah花崗巖進行的動單軸壓縮實驗結果表明，當應變速率由10-5增加到101s-1時，花崗巖的抗壓強度增加約20，同時，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應變速率的變化影響較小。值得指出的是，現有的研究工作主要針對硬巖，很少有涉及到軟巖動態(tài)力學特性的實驗研究工作。因此，本文以砂漿為模擬材料，研究軟巖材料在動載荷作用下的強度、變形特性同應變速率的關系。同時，結合不同應變速率下試樣破裂面的SEM實驗結果，初步分析了軟巖動態(tài)力學特性機理。二、試樣制備與實驗設備實驗采用試樣為砂漿材料，材料的配合比(重量比)為：水泥：砂：水1：1.2：0.44。砂的粒徑范圍為0.51.2mm，水泥為普通525#硅酸鹽水泥。試樣制作過程中，先澆注成大試件，在室溫下養(yǎng)護至少28天，然后在大試件上用套鉆鉆取，制作成3060mm的圓柱體試樣。試樣的兩端磨平(不平行度小于0.02mm)，沒有宏觀缺陷。所有實驗均在中國科學院武漢巖土所自行研制的RDT-10000型巖石高壓動三軸實驗系統上進行，圖1為該系統的照片，該系統的主要性能指標如下：最大軸力：220kN，試樣尺寸：3060，最快加載時間：8ms；圍壓范圍：01000MPa。該設備的詳細性能指標見文10。圖1RDT-10000型巖石高壓動三軸實驗系統Fig.1RDT-10000typerockdynamictriaxialcompressionsystem三、實驗結果及分析實驗過程中，試樣的軸向應力由安設在試樣上部的壓力傳感器測量，試樣的強度取為試樣破壞時的最大軸向應力。試樣的應變速率為試樣軸向破壞應變除以加載時間。試樣的軸向、環(huán)向應變、分別由粘貼在試樣中部的應變片量測得到，試樣的體應變由軸向應變和環(huán)向應變計算由下式得到：(1)根據文11，試樣的彈性模量(E)以及泊松比()按如下方法確定：(2)(3)代表性應力應變曲線見圖2。圖3為是實驗得到的試樣強度隨應變速率的變化規(guī)律?？梢钥闯?，當應變速率從10-5s-1增加到101s-1，試樣強度增加60左右。而對于硬巖(如花崗巖)，在相同的應變速率范圍，試樣強度增加20左右4，因此，軟巖強度隨應變速率的增加幅度要高于硬巖。圖2代表性應力應變曲線Fig.2Typicalstressstraincurves圖3強度隨應變速率的變化規(guī)律Fig.3Changeofcompressivestrengthwithstrainrate圖4、5為試樣的彈性模量和泊松比隨應變速率的變化規(guī)律，可以看出，與硬巖(如花崗巖)的彈性模量和泊松比隨應變速率的增加變化幅度不大相比，試樣的彈性模量和泊松比隨著應變速率的增加有較明顯的增加趨勢，但增加幅度要小于強度隨應變速率的增加幅度，當應變速率從10-5s-1增加到101s-1，試樣的彈性模量和泊松比增加幅度在20以內。圖4彈性模量隨應變速率的變化規(guī)律Fig.4ChangeofYoungsmoduliwithstrainrate圖5泊松比隨應變速率的變化規(guī)律Fig.5ChangeofPoissonsratiowithstrainrate四、結論及討論本文對軟巖(砂漿模擬材料)進行了動態(tài)單軸壓縮實驗，結果表明，試樣的抗壓強度隨應變速率的增加有較明顯的增加趨勢，增加幅度大于硬巖(如花崗巖)。同時，與硬巖(如花崗巖)的彈性模量和泊松比隨應變速率的增加變化幅度不大相比，隨著應變速率的增加，軟巖的彈性模量以及泊松比均有增加的趨勢，但增加幅度小于強度的增加幅度?；趲r石動態(tài)力學特性實驗研究，國內外研究人員作了大量的工作致力于揭示巖石材料的動態(tài)力學特性機理。例如，Grady7提出了一種假設。他認為，巖石材料內部存在的裂紋的擴展和聚合是巖石材料破壞的根本原因，在低應變速率下，僅僅那些能在低應力水平下被激活的裂紋發(fā)生擴展，這些裂紋的擴展和聚合使得巖石材料在應力水平達到能使其他裂紋擴展之前已經發(fā)生破壞,因此巖石材料具有較低的強度；而在高應變速率下，在那些在低應力水平下被激活的裂紋聚合之前，應力已經達到一個較高的水平，這時需要很多裂紋參與擴展，消耗外力功，從而導致巖石材料的強度的增加。Grady7也認為，巖石材料的脆性會隨著應變速率的增加呈現增加的趨勢。在Grady7的工作之后，Masuda9等人于1987年發(fā)現花崗巖材料在壓縮載荷作用下的AE(AcousmicEmmision)率隨加載速率的增加而增加。由于材料的AE率是材料破壞過程中裂紋擴展的直接結果，Masuda等人9的結果實際上也表明了在動載荷情況下多裂紋參與了材料的破壞。另外，Swan等人12對油頁巖破壞后的SEM(ScanningElectronicMicroscopy)觀察結果表明，在低應變速率下，巖石試樣的破壞面由大尺寸的裂紋構成，而在高應變速率下，破裂面由許多細小的裂紋構成，因此，Masuda和Swan的觀察結果也Grady的假設相符。圖6、7為代表性試樣破壞后的式樣破裂面的SEM實驗照片(應變速率分別為：10-5s-1和101s-1)，可以看出，隨著應變速率的增加，試樣的破碎程度和裂隙發(fā)育程度增加。表明，隨著應變速率的增加，更多裂紋參與擴展，導致軟巖強度隨應變速率的增加。因此，在動載荷作用下，軟巖的應變速率效應機理與硬巖是一致的。參考文獻JanachW.Theroleofbulkinginbrittlefailureofrockunderrapidcompression.IntJRockMechMinSci1976,13:177-186.Olsson.WA.ThecompressivestrengthofTuffasafunctionofstrainratefrom10-6to103/secIntJRockMechMinSci,1991；28(1):115-118,LajtaiEZ,ScottDuncanEJ,CarterBJ.Theeffectofstrainrateonrockstrength.RockMechRockEng,1991,24:99-109.ZhaoJ,LiHB,WuMBandLiTJ.Dynamicuniaxialcompressiontestsongranite.IntJRockMechMinSci,1999,36(2):273-277.ChongKP,HoytPM,SmithJWandPaulsenBY.Effectsofstrainrateonoilshalefracturing.IntJRockMechMinSci,1980,17:35-43.BlantonTLEffec