冲击荷载对地应力岩石应力波传播特性的影响试验研究

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在对地下岩体工程进行爆破开挖时,由于原岩应力的重新分布和应力波传播的衰减机制,距爆源不同距离处的工程岩体承受不同大小的地应力和冲击荷载。不同大小的地应力导致围岩体具有不同的压密和损伤程度,从而改变其应力波传播衰减特性。由于应力波的衰减影响,不同部位的围岩受到了不同程度的冲击载荷,因而表现出不同的应力波传播特性。为研究冲击荷载和地应力对应力波在岩石中传播特性的影响,本文采用改进的霍布金逊压杆(SHPB)系统对红砂岩进行了应力波传播试验。分别设置5种等级的静应力和冲击速度,模拟工程实际中岩石所承受的不同地应力和冲击荷载。分析了冲击速度和三维静应力对应力波波形、幅值特性、应力波的透射系数、红砂岩应力波传播速度和冲击后岩石的声波波速的影响特性。主要的内容和结论成果如下:(1)基于试验得到的应力波波形数据,探究冲击荷载和地应力对应力波波形与衰减特性的影响。结果表明,当岩石承受的围压不变,在相同冲击速度下,过渡段(入射波与反射波之间的应力波波段)对应的应变值随着轴向静应力的增大而增大。在相同三维静应力的作用下,随着冲击速度的增大,入射波幅值和反射波幅值均呈线性增大的趋势;透射波形幅值则随着冲击速度的增加而非线性地增大,且增加的幅度也越来越小。当冲击速度大小相近时,随着轴向静应力的增大,入射波信号幅值呈现线性下降的趋势;反射波幅值随着轴向静应力的增大而增大。当三维静应力恒定时,应力波透射系数随着冲击速度的提高而变小;当冲击速度相近,围压恒定时,应力波透射系数随着轴向静应力的增大先增大后减小。(2)基于应力波传播试验得到的应力波波形试验数据,通过确定入射波与透射波的起跳点和幅值点的时间差,计算得到岩石应力波起跳点应力波传播速度与幅值点应力波传播速度。通过分析冲击速度对岩石应力波传播速度影响特性,并与受载后岩石声波波速的变化规律进行比较。结果表明,在相同的三维静应力工况下,岩石的应力波起跳点应力波传播速度大于幅值点应力波传播速度。当岩石试件承受的三维静应力较小时,起跳点应力波传播速度与幅值点传播速度随着冲击速度的增大而增大;当岩石试件承受的三维静应力较大时,起跳点应力波传播速度与幅值点传播速度随着冲击速度的增大先增大后减小。受载后岩石的声波波速随着冲击速度的增大而线性减小。(3)基于应力波传播速度与冲击速度的变化关系,得到应力波传播速度随冲击速度变化的经验模型,并通过观察拟合参数的变化对拟合曲线的影响,确定拟合参数的物理力学意义,并分析轴向静应力对各个参数的影响。结果表明,当岩石承受的围压不变,随着轴向静应力的增大,起跳点应力波传播速度与冲击速度的模型中最小应力传速度非线性增加,增加的幅度越来越小,临界冲击速度先增大后减小,应力波传播速度敏感因子先增大后减小;随着轴向静应力的增大,幅值点应力波传播速度与冲击速度的模型中最小应力传速度非线性增加,临界冲击速度与应力波传播速度敏感因子一直减小。
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