不同風(fēng)化程度花崗巖動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究

劉 博，李海波，李俊如

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

巖石材料在動(dòng)載荷作用下的力學(xué)特性是研究爆破載荷以及地震作用下巖體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的重要參數(shù)，也是研究爆破沖擊波以及地震波在巖石介質(zhì)中傳播和衰減的基本資料。

從20世紀(jì)中期開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同巖石的動(dòng)力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)外方面，Brace[1]，F(xiàn)riedman[2]，Janach[3]，Blanton[4]，Grady[5]，Masuda[6]，Swan[7]，Yang[8]等學(xué)者對(duì)不同加載/應(yīng)變速率下的巖石力學(xué)性質(zhì)作了大量的研究工作，指出巖石的抗壓強(qiáng)度隨加載/應(yīng)變速率的增加而增加，試件的破壞形式也發(fā)生變化。

國(guó)內(nèi)方面，吳綿拔[9]、朱瑞賡[10]、鞠慶海[11]、楊仕教[12]、李海波[13]等作過(guò)相關(guān)工作，指出花崗巖的抗壓強(qiáng)度、變形模量隨應(yīng)變速率的增加而增加，泊松比隨應(yīng)變速率的變化不明顯。例如文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)花崗巖和煌斑巖進(jìn)行中等應(yīng)變速率下的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，指出隨應(yīng)變速率的增加，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量均有不同程度的增加，而泊松比基本與應(yīng)變速率無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)花崗巖在加載速率范圍為1～104MPa/s的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)指出，花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨加載速率的提高而明顯提高。文獻(xiàn)[13－16]對(duì)花崗巖材料在動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出了基于滑移型裂紋模型的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展模型，初步分析了巖石材料強(qiáng)度特征的應(yīng)變速率相關(guān)機(jī)制。文獻(xiàn)[17－18]通過(guò)對(duì)花崗巖、大理巖的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)，研究了巖石單軸沖擊破壞的本構(gòu)關(guān)系及時(shí)效損傷模型。

本文采用不同風(fēng)化程度的6種花崗巖巖樣，進(jìn)行了加載速率范圍在1～105MPa/s的動(dòng)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比隨加載速率的變化規(guī)律，探討了不同風(fēng)化程度花崗巖力學(xué)特性率相關(guān)性的差異，旨在為進(jìn)一步的理論分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用RDT－10000型巖石動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)，該實(shí)驗(yàn)機(jī)可以對(duì)巖石施加1～105MPa/s量級(jí)加載速率的動(dòng)載荷。實(shí)驗(yàn)機(jī)主要由氣缸、油缸、速泄閥、連接桿、調(diào)節(jié)閥和加載桿組成（見(jiàn)圖1）。

實(shí)驗(yàn)中，試件按要求安裝完畢后，將A、B氣缸的氣壓調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)值，確保加載過(guò)程中加載桿上的出力能使巖石試樣破壞；然后快速打開(kāi)速泄閥門(mén)，B氣缸中的壓縮氣體逸出，氣缸中的壓力迅速降為0，此時(shí)連接活塞在A(yíng)氣缸壓力的驅(qū)動(dòng)下迅速向下移動(dòng)，推動(dòng)調(diào)節(jié)閥上部的液壓油快速通過(guò)調(diào)節(jié)閥，從而推動(dòng)加載桿對(duì)巖樣施加動(dòng)載荷。通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的大小(過(guò)油面積)來(lái)調(diào)節(jié)油液通過(guò)調(diào)節(jié)閥的速度，從而改變加載桿輸出的載荷速率。

圖1 儀器原理圖Fig.1 Sketch of triaxial dynamic compression equipment

實(shí)驗(yàn)中的軸向壓力通過(guò)標(biāo)定的測(cè)力柱量測(cè)，圍壓通過(guò)標(biāo)定的錳銅應(yīng)力計(jì)量測(cè)，試樣的縱向、橫向變形通過(guò)應(yīng)變片量測(cè)。巖石試件尺寸為 Φ30 mm×60 mm。

2.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用的花崗巖巖樣取自同一工程巖體，巖性、礦物成份大體一致，但風(fēng)化程度有一定差別，表現(xiàn)為相對(duì)密度、吸水率、孔隙率和聲波波速的差異。綜合考慮上述參數(shù)，將巖樣分為A～F 6種不同風(fēng)化程度(風(fēng)化程度遞減)，如表1所示。

表1 巖樣物理特性參數(shù)表Table 1 The physical parameters of weathered granite

實(shí)驗(yàn)采用的加載速率范圍為5～5×104MPa/s，圍壓均為3 MPa。

針對(duì)每種風(fēng)化程度試樣，均進(jìn)行4種加載速率實(shí)驗(yàn)，分別為 5×100、5×101、5×103、5×104MPa/s，每種加載速率3個(gè)試樣，6種風(fēng)化程度實(shí)驗(yàn)共72個(gè)試樣。試件照片如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)試件照片F(xiàn)ig.2 Typical rock samples

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 巖石抗壓強(qiáng)度隨加載速率的變化

不同風(fēng)化程度花崗巖的三軸抗壓強(qiáng)度隨加載速率的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同風(fēng)化程度花崗巖動(dòng)三軸抗壓強(qiáng)度均隨加載速率的增加而增加。與此同時(shí)，不同加載速率情況下，隨著風(fēng)化程度的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度有較明顯的減小趨勢(shì)。

圖3 抗壓強(qiáng)度與加載速率關(guān)系Fig.3 The relationships between σf andσ˙

3.2 巖石彈性模量隨加載速率的變化

不同風(fēng)化程度花崗巖彈性模量值隨加載速率的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 彈性模量與加載速率關(guān)系Fig.4 The relationships between E andσ˙

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同風(fēng)化程度花崗巖的彈性模量值均隨加載速率的增加而增加。同時(shí)，不同加載速率情況下，隨著風(fēng)化程度的增加，試樣的彈性模量有較明顯的減小趨勢(shì)。

3.3 巖石泊松比隨加載速率的變化

不同風(fēng)化程度花崗巖泊松比ν與加載速率σ˙的變化關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 泊松比與加載速率關(guān)系Fig.5 The relationships between ν andσ˙

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同風(fēng)化程度花崗巖的泊松比均隨加載速率的增加略有降低的趨勢(shì)。另外，不同加載速率下，隨著風(fēng)化程度的變化，試樣的泊松比沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

3.4 巖石抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增加幅度特征分析

對(duì)每種花崗巖試樣，取加載速率為5 MPa/s時(shí)的抗壓強(qiáng)度為初值抗壓強(qiáng)度σ0，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，用不同加載速率下的抗壓強(qiáng)度增加值與初值抗壓強(qiáng)度之比(σf- σ0)σ0來(lái)表述抗壓強(qiáng)度增加幅度，如圖6所示。

可以看出，不同風(fēng)化程度巖石試樣抗壓強(qiáng)度增加幅度隨加載速率的增加均有較明顯的增加趨勢(shì)。

圖6 抗壓強(qiáng)度增加幅度與加載速率關(guān)系Fig.6 The relationships betweenand

圖7 抗壓強(qiáng)度增加幅度與初值抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 The relationships between(σ f -σ 0)/σ 0 and σ 0

進(jìn)一步分析表明，不同風(fēng)化程度的花崗巖巖樣，加載速率變化引起的抗壓強(qiáng)度增加幅度隨著初值抗壓強(qiáng)度（加載速率為5 MPa/s時(shí)的抗壓強(qiáng)度值）的增加明顯減小，如圖7所示。例如，對(duì)風(fēng)化較重的A組花崗巖試樣，當(dāng)加載速率由 5 MPa/s增加到5×104MPa/s時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增加幅度達(dá)到58.6%；而對(duì)風(fēng)化較輕的 F組花崗巖試樣，當(dāng)加載速率由5 MPa/s增加到5×104MPa/s時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加幅度為20.4%。

由于初值強(qiáng)度也是風(fēng)化程度的一種反映，可以認(rèn)為，巖石試樣抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增加幅度隨風(fēng)化程度的增加而增加。

3.5 巖石彈性模量隨加載速率的增加幅度特征分析

對(duì)每種花崗巖試樣，取加載速率為5 MPa/s時(shí)的模量為初值模量E0，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，用不同加載速率下的彈性模量增加值與初值彈性模量之比(E -E0)E0來(lái)表述彈性模量增加幅度，如圖8所示。

可以看出，不同風(fēng)化程度巖石試樣的彈性模量增加幅度隨加載速率的增加有較明顯的增加趨勢(shì)。

圖9為加載速率變化引起的巖石彈性模量增加幅度隨著初值模量（加載速率為5 MPa/s時(shí)的彈性模量值）的變化規(guī)律?？梢钥闯?，不同風(fēng)化程度情況下，試樣彈性模量隨加載速率的增加幅度相近。例如，對(duì)風(fēng)化較重的A組花崗巖和風(fēng)化程度較輕的F組花崗巖試樣，當(dāng)加載速率由 5 MPa/s增加到5×104MPa/s時(shí)，彈性模量的增加幅度分別為30.0%和 26.1%。由于初值強(qiáng)度也是風(fēng)化程度的一種的反映，可以認(rèn)為，巖石試樣的彈性模量隨加載速率的增加幅度 (E -E0)/E0隨風(fēng)化程度的增加基本不變。

圖8 彈性模量增加幅度與加載速率關(guān)系Fig.8 The relationship between (E-E0)/ E0 andσ˙

圖9 彈性模量增加幅度與初值彈性模量關(guān)系Fig.9 The relationships between (E-E0)/ E0 and E0

4 結(jié) 論

（1）不同風(fēng)化程度花崗巖巖樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨加載速率的增加而增加，泊松比隨加載速率的增加略有降低的趨勢(shì)。

（2）不同風(fēng)化程度花崗巖巖樣的抗壓強(qiáng)度增加幅度均隨加載速率的增加而增加；風(fēng)化程度越重，巖石試樣抗壓強(qiáng)度增加幅度越大。

（3）不同風(fēng)化程度花崗巖巖樣的彈性模量增加幅度均隨加載速率的增加而增加；不同風(fēng)化程度情況下增加幅度基本相同。

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