冲击荷载下贯通节理花岗岩动力特性及能量演化规律试验研究

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岩体是在长期复杂的地质作用条件下,自然形成的一种具有复杂结构的地质材料。岩体内存在着大量在自然环境下产生的节理、裂隙和夹层等天然软弱构造面。其中,节理作为一种典型的软弱结构面,广泛分布于岩体材料中。在工程荷载的作用下,节理面上可能会发生裂纹萌生、扩展和合并等现象,导致岩体工程的灾难性破坏。以往岩石力学的研究更关注于完整或含缺陷(断续节理)岩石在静态下的力学性能,而非具有贯通型节理的岩体。本文选制花岗岩试样,借助分离式霍普金森压杆测试系统(SHPB,Split Hopkinson Pressure Bar)和高速摄像机等研究手段,对含有不同节理形态的花岗岩动态力学性能、破坏模式和能量演化特征进行动态试验研究。分析加载速率对具有贯通节理岩石动力学特性的影响,本文的研究工作及所获结论性成果可归纳为以下几个主要部分:(1)对具有不同节理构型的岩体进行动态单轴试验,分析节理岩体的动态弹性模量、峰值应力和应变随节理配置变化的情况。发现随着节理数量的增加,弹性模量没有显著差异,但岩样的动态抗压强度和峰值应变逐渐减小。节理厚度增加,岩样动态抗压强度和动态峰值应变均显著减小。而节理倾角对岩体的动态强度和应变影响较大,节理倾角增加,峰值强度和峰值应变呈U型变化趋势,表现出先减小后增加的规律。节理倾角为60°时,岩样的动态弹性模量、动态峰值强度和峰值应变均达最小值。同时,岩样的动态抗压特性均与应变率存在较大相关性,试样的动态单轴抗压强度随应变率的提高不断增加。而节理的存在使岩体表现出更强的应变率变化敏感性,随着节理倾角的增大,动态抗压强度与应变率关系曲线的斜率先减小后增加。即动态抗压强度对应变率变化的响应呈现先迟钝后敏感的趋势。节理倾角60°时,岩体的应变率响应系数达极小值,随着应变率的增加,该试样抵抗较大冲击荷载的能力较弱。(2)运用高速摄像机来观测、记录、分析含贯通节理岩体的动态起裂渐进破坏过程,揭示含节理岩体在冲击荷载下的起裂规律、破坏失效模式和变形破坏机理。节理倾角为90°时,节理数和厚度不影响岩体的起裂规律和破坏模式。此时节理花岗岩主要沿径向发育初始拉伸裂纹,试样最终表现为拉张劈裂破坏模式。随着宏观预制节理倾斜角的不断减小,初始裂隙由张拉裂纹渐变为沿节理方向的共面剪切裂纹。破坏模式由劈裂破坏转变为沿节理的切向滑移破坏。节理倾角为30°和45°时,破坏模式表现为沿节理面发生的错动滑移。随着节理厚度的增加,岩样在从冲击荷载下趋向于在较厚的软弱节理面附近产生较为剧烈的变形破坏。(3)采用数字图像技术和强度理论对岩体渐进破裂过程和机制进行分析,发现含有较大节理倾角的试样总是在轴向上发生拉伸应变集中。随着节理倾角从90°逐渐减小到30°,试样剪切应变集中的现象愈加明显。对于节理倾角为45°和30°的试样来说,此时主导岩体变形破坏的应变既有沿节理的剪切应变也有沿径向和节理方向的拉伸应变。对DIC处理后的应变集中图像进行分析,发现贯通节理的存在会使岩体应变集中速度加快。分析节理岩体的起裂变形机理可知,随着节理倾角的减小,应力波沿节理方向引发的剪应力逐渐增大,正应力逐渐减小。这将诱发剪切裂纹沿节理方向萌生。另外,基于莫尔-库仑破坏准则发现在节理倾角为45°左右时,试样存在抵抗剪切破坏能力较弱的临界角,此试样易发生剪切破坏。(4)总结分析不同冲击荷载作用下,节理岩样动态变形破坏过程中的能量演化规律。发现在动态冲击过程中,能时曲线可以大致分为压实段、能量稳定增长段和平台段这三个阶段。且试样透射能、反射能和吸收能将随着入射能的增加呈线性增加的趋势。节理数量较多、厚度较大的岩样受冲击破坏需要吸收和耗散更多的能量。此外节理岩样的吸能特性与动态抗压强度和应变率密切相关。随着冲击荷载的增加,应变率的提高,岩体吸收能量的能力不断增强。而在相似的强度条件下,随着节理倾角的增加,含贯通节理的花岗岩试样吸能能力先增强后减弱。当节理倾角呈45°和60°时,岩样具有较强的吸能特性。(5)基于岩石损伤力学的现有观点,在此前研究者的基础上,利用本次冲击试验的实测数据,改进广义过应力模型,构建了考虑贯通节理花岗岩初始损伤量的节理岩体动态本构模型。通过将研究中的试验实测数据与模型拟合结果进行比对核验,发现该节理岩体动态本构模型可以很好的反映出在单轴冲击下含贯通节理花岗岩峰前阶段的应力-应变关系。即该模型可以较好的描述节理岩体在动态冲击荷载下的应力-应变关系。但也发现,随着应变率的提高,该动态本构模型的拟合精度也存在可控性的下降。本次研究基于项目课题需求,采用分离式霍普金森压杆装置和高速摄像系统对含预制贯通节理的花岗岩试样进行了不同应变率的冲击试验。分析揭示了节理构型对岩体动态破坏工程的影响。这一发现可为工程防护和破岩应用的现场实际工作提供有价值的参考。
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