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摘 要:本文通过花岗岩介质进行静态力学实验和动态力学验试验,实验结果发现,花岗岩材料是一种应变率敏感性材料,其动态压缩强度均高于其静态压缩强度。花岗岩的应变率效应是明显的,在应变率在50～130/s的范围内,提高了16%～25%,随着应变率的增加,其动态抗强度不断的增加。
关键词:花岗岩;静态力学;动态力学;应变率
1、引言
理想弹性体的动态和静态本构响应是一致的,而具有弹塑性性质的固体材料静力和动力的本构相应会有很大的差别。对于坚硬岩石类材料,我们所关心的除了其静态力学性能外,还有其瞬间冲击荷载作用下的力学性能,特别是坚硬岩石在动态抗压强度随应变率所表现的力学行为,对研究坚硬岩石侵彻相似性有很大的辅助和指导作用。
2、花岗岩的静态力学实验
2.1、试验装置及试件
花岗岩的抗压强度一般为100~250Mpa,抗拉强度为7~25 Mpa,泊松比为0.2~0.3,按照岩石的抗压强度,花岗岩分为:微裂隙发育的花岗岩,中粒花岗岩和致密花岗岩,其是深成侵入岩,多成肉红、浅灰、灰白等色。矿物成分主要是石英和正长石,其次有黑云母、角闪石和其他矿物。全晶质等粒结构、块状构造,其分布广泛。通过实验室进行制作打磨,试件采用静态力学试验的标准试件,为直径5厘米,高10厘米的圆柱体共三个。各试件之间的尺寸,允许有 的变化,试件表面用磨光机加工,游标卡尺控制厚度,其表面不平整度严格控制在0.02mm以内。A1的直径为50.05mm,高度103.50mm,密度为2660kg/m3;A2的直径为50.05mm,高度103.04mm,密度为2621kg/m3;A3的直径50.05mm,高度102.45,密度为2613kg/m3。
2.2试验结果
本次试验的加载速度为 ,试件的力学参数如表2所示
试件的静态力学试验发现,岩石试件达到峰值强度后,岩石的破裂逐渐发展成为贯穿的破裂面,岩石全面破坏,承载能力逐渐降低,最后完全破坏,岩石试件的破坏是瞬间产生的。
3、花岗岩动态力学试验
3.1、试验装置及试件尺寸
冲击试验采用 的Hopkinson试验系统进行实验的,在冲击实验前,对系统进行静标定和动标定,经过反复调试和空打试验,使标定信号趋于稳定,岩石试件的尺寸为50mm,并用磨床精密加工,表面不平整度小于0.02mm,采用凡士林涂抹和在实验时加万向头,减小端面的摩擦。
3.2试验结果
实验试样在应变率50~130/s之间的三种应变率下进行了单轴冲击压缩实验。花岗岩SHPB实验表明,试件破坏程度与冲击速度有关,在冲击速度较低时,试件表面完好;当冲击速度较高时,试件破裂;进一步提高速度时,破裂破碎进一步加剧。
实验数据的一维冲击荷载下的部分试验参数及结果如表4,部分应变-时间曲线见2-1,应变率-时间曲线见2-2, 应力-应变曲线见图2-3,应力-时间曲线见图2-4。
通过对试验结果我们发现,花岗岩(静态抗压强度为107MPa)的应变率效应是明显的,在应变率在50～130/s的范围内,提高了16%～25%,随着应变率的增加,其动态抗强度不断的增加。
4、结束语
1)花岗岩介质由于内部存在大量的裂隙以及内部非均匀性使得其脆性特征比较明显;低强度岩石固有的缺陷――各种节理和裂隙的存在导致了其较低应变率下动态强度增加比较高,同时在较高应变率下会很快的进入塑性段而失去承载力。而坚硬岩石,由于其内部的裂隙相对比较少,使得固有的缺陷减少致使动态抗压强度提高相对比较缓慢。即强度越高的岩石,就动态抗压强度来讲,其随应变率增长的趋势就越小。
2)通过花崗岩材料的SHPB试验发现,花岗岩材料是一种应变率敏感性材料,其动态压缩强度均高于其静态压缩强度。
参考文献:
[1]杨天鸿,徐涛,唐春安,苪勇勤.岩石破裂过程的渗透特性-理论、模型和应用.北京:科学出版社,2004.
[2]R.Sutterlin.Sciences.et.Techiniques.de.I.Armament．Memmorial．de．I．artilleries．Francaise．40．569．850.1967.and.41.12.1967.
[3]马晓春,韩峰.高速碰撞动力学.北京:国防工业出版社.1998.223-262.
[4]林英松,葛洪魁.岩石动态与静态弹性参数差别的微观机理.石油大学学报.2006.4.
关键词:花岗岩;静态力学;动态力学;应变率
1、引言
理想弹性体的动态和静态本构响应是一致的,而具有弹塑性性质的固体材料静力和动力的本构相应会有很大的差别。对于坚硬岩石类材料,我们所关心的除了其静态力学性能外,还有其瞬间冲击荷载作用下的力学性能,特别是坚硬岩石在动态抗压强度随应变率所表现的力学行为,对研究坚硬岩石侵彻相似性有很大的辅助和指导作用。
2、花岗岩的静态力学实验
2.1、试验装置及试件
花岗岩的抗压强度一般为100~250Mpa,抗拉强度为7~25 Mpa,泊松比为0.2~0.3,按照岩石的抗压强度,花岗岩分为:微裂隙发育的花岗岩,中粒花岗岩和致密花岗岩,其是深成侵入岩,多成肉红、浅灰、灰白等色。矿物成分主要是石英和正长石,其次有黑云母、角闪石和其他矿物。全晶质等粒结构、块状构造,其分布广泛。通过实验室进行制作打磨,试件采用静态力学试验的标准试件,为直径5厘米,高10厘米的圆柱体共三个。各试件之间的尺寸,允许有 的变化,试件表面用磨光机加工,游标卡尺控制厚度,其表面不平整度严格控制在0.02mm以内。A1的直径为50.05mm,高度103.50mm,密度为2660kg/m3;A2的直径为50.05mm,高度103.04mm,密度为2621kg/m3;A3的直径50.05mm,高度102.45,密度为2613kg/m3。
2.2试验结果
本次试验的加载速度为 ,试件的力学参数如表2所示
试件的静态力学试验发现,岩石试件达到峰值强度后,岩石的破裂逐渐发展成为贯穿的破裂面,岩石全面破坏,承载能力逐渐降低,最后完全破坏,岩石试件的破坏是瞬间产生的。
3、花岗岩动态力学试验
3.1、试验装置及试件尺寸
冲击试验采用 的Hopkinson试验系统进行实验的,在冲击实验前,对系统进行静标定和动标定,经过反复调试和空打试验,使标定信号趋于稳定,岩石试件的尺寸为50mm,并用磨床精密加工,表面不平整度小于0.02mm,采用凡士林涂抹和在实验时加万向头,减小端面的摩擦。
3.2试验结果
实验试样在应变率50~130/s之间的三种应变率下进行了单轴冲击压缩实验。花岗岩SHPB实验表明,试件破坏程度与冲击速度有关,在冲击速度较低时,试件表面完好;当冲击速度较高时,试件破裂;进一步提高速度时,破裂破碎进一步加剧。
实验数据的一维冲击荷载下的部分试验参数及结果如表4,部分应变-时间曲线见2-1,应变率-时间曲线见2-2, 应力-应变曲线见图2-3,应力-时间曲线见图2-4。
通过对试验结果我们发现,花岗岩(静态抗压强度为107MPa)的应变率效应是明显的,在应变率在50～130/s的范围内,提高了16%～25%,随着应变率的增加,其动态抗强度不断的增加。
4、结束语
1)花岗岩介质由于内部存在大量的裂隙以及内部非均匀性使得其脆性特征比较明显;低强度岩石固有的缺陷――各种节理和裂隙的存在导致了其较低应变率下动态强度增加比较高,同时在较高应变率下会很快的进入塑性段而失去承载力。而坚硬岩石,由于其内部的裂隙相对比较少,使得固有的缺陷减少致使动态抗压强度提高相对比较缓慢。即强度越高的岩石,就动态抗压强度来讲,其随应变率增长的趋势就越小。
2)通过花崗岩材料的SHPB试验发现,花岗岩材料是一种应变率敏感性材料,其动态压缩强度均高于其静态压缩强度。
参考文献:
[1]杨天鸿,徐涛,唐春安,苪勇勤.岩石破裂过程的渗透特性-理论、模型和应用.北京:科学出版社,2004.
[2]R.Sutterlin.Sciences.et.Techiniques.de.I.Armament．Memmorial．de．I．artilleries．Francaise．40．569．850.1967.and.41.12.1967.
[3]马晓春,韩峰.高速碰撞动力学.北京:国防工业出版社.1998.223-262.
[4]林英松,葛洪魁.岩石动态与静态弹性参数差别的微观机理.石油大学学报.2006.4.