不同加载率下石英砂岩动态破坏特性与锚固控制试验研究

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在隧道与地下工程施工过程中,围岩处在不同应变率区其力学特性会有不同,在高应变率下其动态破坏更是难以控制,因此对高应变率下的围岩锚固控制尤为重要。为进一步研究岩石在不同应变率下的破坏特性及锚固控制,依次采用落锤冲击试验机,分离式霍普金森压杆进行试验研究。主要研究工作如下:(1)开展循环冲击试验,研究中、高应变率下石英砂岩动态破坏特性。中应变率下岩石的动态应力-应变曲线分为孔隙压密、弹性变形、裂隙扩展和失稳破坏四个阶段,高应变率下岩石动态应力-应变曲线同样分为相同四个阶段,但高应变率岩石压密阶段较短。中、高应变率下岩石动态抗压强度均随冲击次数增多而减小,最大应变则增大,但高应变率岩石动态抗压强和最大应变值较大。(2)从能量角度进行对比研究,中、高应变率下岩石耗散能、能量效率和单位体积耗散能均随冲击次数的增加而增大,但高应变率下岩石能量效率较高,约为低应变率下岩石能量效率的2倍,耗散能更大一些。循环冲击下应变率对岩石能量效率有一定的影响,高应变率下可提高岩石能量效率。(3)从破碎分形角度进行对比研究,中应变率下岩石破碎形态有劈裂破坏、边缘崩落破坏、块状破坏和粉碎破坏,高应变率下岩石则无明显劈裂破坏,无边缘崩落破坏。中、高应变率下岩石碎块平均粒径特征值、分形维数随应变率的增大而增加,中应变率下岩石分形维数呈线性增大趋势,高应变率下岩石分形维数呈二次函数增大趋势,高应变率下岩石破碎更加严重。(4)根据普通锚杆受力分析得知锚杆直径是影响锚固控制效果的重要因素,据此提出一种新型变截面式锚杆的研制思路,将其制作成形并与岩石相结合,分为0°、30°、60°和90°锚固角度,单根(90°)、两根和三根锚固数量共计六种锚固方式,采用分离式霍普金森压杆对加锚岩石进行冲击试验,研究高应变率下新型变截面式锚杆对加锚岩石的锚固控制效果。(5)对各锚固方式下的加锚岩石进行冲击试验,分别从力学特性、能量耗散、破碎分形三个方面进行研究,分析并找到最佳锚固方式,并对锚固失效后的锚杆形态进行分析,研究岩石/锚固剂,锚固剂/锚杆接触面之间的传递关系,为实际地下工程围岩锚固技术提供参考。
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