靜載荷與循環(huán)沖擊組合作用下巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究.pdf

1、多數(shù)巖體工程在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖承受載荷的形式為具有一定靜應(yīng)力下的循環(huán)沖擊載荷。巖石在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)荷載作用下的力學(xué)特性已取得了豐碩的研究成果，理論體系較完善。對(duì)巖石在循環(huán)沖擊載荷作用下的強(qiáng)度、變形、能量耗散、破壞模式及機(jī)理等方面的研究明顯不足，其理論研究明顯落后于工程實(shí)際應(yīng)用。本文利用動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)裝置，對(duì)巖石在靜載荷和循環(huán)沖擊組合作用下的力學(xué)特性進(jìn)行研究。主要內(nèi)容和結(jié)論性成果如下:
　　 (1)從理論和試驗(yàn)兩個(gè)角度證明

2、，利用動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)裝置進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，當(dāng)彈性桿具有不同軸壓，沖頭以相同沖擊速度撞擊彈性桿時(shí)，導(dǎo)致入射波的大小不同;軸壓越大，入射波越小。因此對(duì)具有不同軸壓的巖石進(jìn)行相同能級(jí)循環(huán)沖擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)確保入射桿上測(cè)得的入射波大小相同，而不是確保沖頭具有相同的沖擊速度（或沖擊動(dòng)能）。
　　 (2)在循環(huán)沖擊過(guò)程中，單次沖擊得到的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可以分為5個(gè)階段:壓密階段、極短的彈性階段、裂紋擴(kuò)展的加載階段、第一卸載階段和第二卸載階段

3、。隨著沖擊次數(shù)的增加，透射波幅值越來(lái)越小，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越早;反射波幅值越來(lái)越大，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越晚。
　　 (3)軸壓和循環(huán)沖擊組合作用下，隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的遞增，巖石平均應(yīng)變率、峰值應(yīng)變和單位體積吸收能逐漸增大;峰值應(yīng)力、加載段變形模量、第一卸載階段變形模量的絕對(duì)值、恢復(fù)的彈性應(yīng)力和應(yīng)變逐漸減小，表明巖石抵抗外部沖擊載荷的強(qiáng)度和變形能力逐漸降低。當(dāng)沖擊載荷一定時(shí)，軸壓的大小對(duì)巖石抵抗循環(huán)沖擊載荷的能力影響較大，軸

4、壓為單軸抗壓強(qiáng)度的22％時(shí)，巖石的抵抗能力最強(qiáng)。
　　 (4)三維靜載和循環(huán)沖擊組合作用下，相同圍壓時(shí)，巖石承受的總循環(huán)沖擊次數(shù)隨軸壓的增大而減小;相同軸壓時(shí)，隨著圍壓的增高，總循環(huán)沖擊次數(shù)逐漸增加。隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和變形能力逐漸減小。動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和平均應(yīng)變率具有良好的負(fù)相關(guān)性，二者具有線性關(guān)系。
　　 (5)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石單位體積吸收能和吸能效率隨循環(huán)沖擊次數(shù)的增加而增加;隨著循環(huán)沖擊次數(shù)

5、的增加，反射能逐漸增加，透射能逐漸減小，二者呈指數(shù)函數(shù)形式變化。平均應(yīng)變率和單位體積吸收能間具有良好的正向相關(guān)性;當(dāng)圍壓從低到高增加過(guò)程中，二者間擬合直線的斜率K隨軸壓增加的變化關(guān)系為“增加-基本不變-減小”。當(dāng)軸壓較小時(shí)，斜率K隨圍壓的增加先增加后降低，軸壓越小斜率K由上升到下降轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的圍壓越大;當(dāng)軸壓增加到125MPa時(shí)，斜率K隨圍壓的增加始終降低。
　　 (6)在理論和試驗(yàn)角度分析得出，裂隙巖石的密度和縱波波速間具有良好

6、的正向相關(guān)性;在同一損傷過(guò)程中，波阻抗和縱波波速的相對(duì)變化幅值接近，分別用其定義的損傷變量變化趨勢(shì)一致。為此，可用波阻抗定義循環(huán)過(guò)程中巖石的損傷變量。
　　 (7)建立適合表征循環(huán)沖擊過(guò)程中巖石損傷累積演化的倒S型非線性模型，探索模型中參數(shù)的物理意義，并給出相應(yīng)的取值范圍。相比已有的損傷累積模型，該模型最大的優(yōu)點(diǎn)是能體現(xiàn)出軸壓和圍壓對(duì)損傷累積演化的影響;也可以描述巖石在多級(jí)循環(huán)沖擊載荷作用下的損傷累積演化特性。當(dāng)圍壓增加到一定值

7、時(shí)，軸壓的大小對(duì)巖石損傷累積的影響減弱;無(wú)論軸壓大小如何，圍壓始終影響著巖石的損傷累積演化路徑。
　　 (8)無(wú)靜載作用的巖石在循環(huán)沖擊作用下，試件逐步破壞成幾塊，破裂面沿著試件的縱向面，破壞主要是由于橫向張應(yīng)變引起的，為張裂破壞。無(wú)圍壓有軸壓巖石試件在循環(huán)沖擊載荷作用下，由于界面摩擦力的約束，第一次破壞形成的破裂面呈共軛雙曲線型，第二次及后續(xù)破壞主要發(fā)生在與入射桿的接觸處，破壞都屬于張剪破壞。具有三向靜載的巖石在循環(huán)沖擊作用下