水利工程論文-花崗巖動態(tài)壓縮力學(xué)特性的實驗和理論研究摘要：本文簡要介紹了花崗巖材料的動態(tài)壓縮實驗結(jié)果，同時建立了花崗巖材料的裂紋模型，并基于斷裂力學(xué)以及細觀力學(xué)的相關(guān)理論，模擬了花崗巖材料的在動態(tài)壓縮載荷作用下的強度特性。這些模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符。關(guān)鍵詞：花崗巖動態(tài)壓縮力學(xué)特性前言巖石材料在動態(tài)壓縮載荷作用下的力學(xué)特性是研究巖石結(jié)構(gòu)如隧道、巖質(zhì)邊坡在爆炸荷載以及地震荷載作用下的響應(yīng)的重要參數(shù)。這一課題的研究始于20世紀中期，如文1-6的工作。這些研究結(jié)果表明，巖石材料的力學(xué)特性表現(xiàn)出較明顯的率相關(guān)特性，例如，巖石材料的抗壓強度一般地隨應(yīng)變速率的增加有增加趨勢。本文概述了作者近年來對花崗巖材料在動態(tài)壓縮載荷作用下力學(xué)特性進行的實驗以及基于細觀力學(xué)以及斷裂力學(xué)進行的理論研究成果初步工作，力圖為巖石動力學(xué)的相關(guān)研究提供借鑒。2實驗研究實驗所用巖樣取自新加坡BukitTimah地區(qū)鉆孔取出的巖芯，在室內(nèi)用套鉆加工成3060mm的圓柱體試樣。實驗設(shè)備為RDT1000型巖石高壓動三軸實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理以及性能指標見文5,6。實驗中，應(yīng)變速率范圍為10-4100s-1，圍壓范圍為0170MPa。圖1描述了花崗巖在動單軸壓縮載荷作用下強度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律?？梢钥闯?，花崗巖的抗壓強度隨應(yīng)變速率的增加有較明顯的增加趨勢，當應(yīng)變速率從104s-1增加到100s-1時，花崗巖的抗壓強度約增加15。實驗結(jié)果還表明，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的增加沒有明顯的變化趨勢，而且結(jié)果比較發(fā)散。圖1花崗巖單軸抗壓強度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律Fig.1Changeofuniaxialcompressivestrengthwithstrainrateforgranite圖2抗壓強度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律Fig.2Changeofcompressivestrengthwithstrainrate圖2、3描述了花崗巖抗壓強度在動三軸壓應(yīng)力作用下隨應(yīng)變速率以及圍壓的變化規(guī)律，可以看出。不同圍壓下，花崗巖的抗壓強度隨應(yīng)變速率的增加有增加趨勢，同時，強度的增加幅度隨圍壓的增加有明顯的減小趨勢。在不同應(yīng)變速率下，巖石的抗壓強度隨圍壓的增加明顯地增加，而且，強度隨圍壓的增加幅度在不同應(yīng)變速率下基本上相同。三、理論研究巖石是一種較典型的非均質(zhì)材料，普遍包含著不同尺度的缺陷。在壓縮載荷作用下，微裂紋將在這些缺陷的周圍產(chǎn)生并且擴展聚合，導(dǎo)致巖石材料的破壞，影響巖石材料的宏觀力學(xué)行為?；谶@些認識，一些裂紋模型被應(yīng)用于研究巖石材料在壓縮載荷作用下的強度以及變形特性。結(jié)合斷裂斷裂力學(xué)的相關(guān)理論，這些研究架起了巖石材料細觀和宏觀力學(xué)特性之間的橋梁，也成為目前巖石材料力學(xué)特性研究的熱點方向。在這些模型中，滑移型裂紋模型最廣泛地應(yīng)用于研究脆性材料在壓縮載荷作用下的力學(xué)特性。圖3抗壓強度隨圍壓的變化規(guī)律Fig.3Changeofcompressivestrengthwithconfiningpressure圖4單軸情況下的裂紋模型Fig.4Slidingcrackarrayunderuniaxialcompression文7,8采用圖4、5所示的裂紋模型模擬花崗巖材料在動單軸壓縮載荷作用下的劈裂破壞模式以及三軸作用下的剪切破壞模式，并結(jié)合裂紋的動態(tài)擴展準則模擬了花崗巖材料的動態(tài)抗壓強度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律，如圖6、7、8所示。圖7-8的結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較一致。文7,8的結(jié)果還表明，裂紋的擴展速率以及巖石材料的斷裂韌度的率相關(guān)特性是花崗巖單軸抗壓強度隨應(yīng)變速率增加而增加的內(nèi)在原因，同時，由于圍壓阻止了拉伸裂紋的擴展導(dǎo)致了巖石材料的抗壓強度隨圍壓的增加而增加。圖6三軸情況下的裂紋模型Fig.6Slidingcrackarrayundertriaxialcompression圖7模擬強度與應(yīng)變速率關(guān)系(單軸)Fig.7Changeofsimulatedstrengthwithstrainrate(uniaxialcompression)圖8模擬強度與應(yīng)變速率關(guān)系(三軸)Fig.8Changeofsimulatedstrengthwithstrainrate(triaxialcompression)四、結(jié)語隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國將迎來新一輪的基礎(chǔ)建設(shè)高潮，如青藏鐵路以及南水北調(diào)西線工程，在這些工程的實施中，普遍存在強烈地震作用下隧道以及邊坡巖體的穩(wěn)定性問題。同時隨著工程爆破在巖礦開采、地下洞室的營建以及場平開挖等工程中的廣泛應(yīng)用，也將存在諸如大型水利及能源工程基礎(chǔ)爆破開挖中基巖的保護、爆破荷載作用下巖石結(jié)構(gòu)振動安全等問題。另外，在新的戰(zhàn)爭態(tài)勢下與國防安全相關(guān)的巖石結(jié)構(gòu)防護工事防護性能評估也是目前需要解決的焦點和熱點問題。上述問題的解決，在一定程度上要求對巖石材料的動態(tài)力學(xué)特性進行系統(tǒng)的研究。因此，深入開展巖石材料動態(tài)力學(xué)特性研究不僅是巖石動力學(xué)科發(fā)展的需要，也是國家建設(shè)和國家安全的迫切需要。圖9模擬強度與圍壓關(guān)系(三軸)Fig.9Changeofsimulatedstrengthwithconfiningpressure(triaxialcompression)參考文獻(1)FriedmanM,PerkinsRDandGreenSJ.Observationofbrittle-deformationfeaturesatthemaximumstressofWestlygraniteandSolenhofenlimestone.IntJRockMechMinSci,1970,7:297-306.(2)Grady,D.E.andKipp,M.E.Continuummodelingofexplosivefractureinoilshale.IntJRockMechMinSci,1980,17:147-157.(3)吳綿拔,劉遠惠.中等應(yīng)變速率對巖石力學(xué)特性的影響.巖土力學(xué),1980,(1):51-58.(4)鞠慶海.不同加載速率不同圍壓條件下混凝土的破裂判據(jù)與動態(tài)性能研究.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所碩士學(xué)位論文,1993.(5)ZhaoJ,LiHB,WuMBandLiTJ.Dynamicuniaxialcompressiontestsongranite.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999；36(2):273-277.(6)LiHB,ZhaoJandLiTJ.TriaxialCompressionTestsofagraniteatdifferentstrainratesandconfiningpressures.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999；36(8):1057-1063.(7)LiHB,ZhaoJandLiTJ.Micromechanicalmodellingofmechanicalpropertiesofgraniteunderdynamicuniaxialcompressiveloads.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2000；37:923-935.(8)LiHB,ZhaoJ,LiTJandYuanJX.Anayliticalsimulationofthedynamiccompressivestrengthofagraniteusingtheslidingcrackmodel.InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodinGeomechanics.(2001,inpress)。AbriefintroductionfortheexperimentalandtheoreticalstudyondynamiccompressivemechanicalpropertiesofagraniteAbstractTheexperimentalstudiesonthemechanicalpropertiesofagraniteunderdynamiccompressionarebrieflyintroducedinthepresentpaper.Thecrackmodelofrockmaterialunderdynamiccompressionisalsoestablished.Basedonthefracturemechanicsandmircromechanics,thesimulatedstrengthunderdynamiccompression,aswellasthestresss