一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下矽卡巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

唐禮忠，王春，程露萍，高龍華

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一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下矽卡巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

唐禮忠，王春，程露萍，高龍華

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

利用改進(jìn)的基于SHPB裝置的巖石動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)取自冬瓜山銅礦井下900 m深處的矽卡巖巖樣進(jìn)行一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下的加載試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：在一維靜載與循環(huán)沖擊共同作用下，巖石具有疲勞損傷特性；預(yù)加載軸壓不同，變形特征也不同，巖石應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈現(xiàn)回彈、不回彈2種特性；隨著循環(huán)沖擊數(shù)增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力及定義的動(dòng)態(tài)變形模量減小，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變卻增大；累計(jì)沖擊數(shù)與軸壓呈一元二階多項(xiàng)式關(guān)系；同時(shí)還表明“巖爆”的發(fā)生是動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)巖石內(nèi)部彈性能突然釋放的結(jié)果；預(yù)加軸壓影響巖石出現(xiàn)拉伸破壞或剪切破壞的效果，也影響巖石破壞塊度及在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)情況下發(fā)生的“巖爆”概率。

循環(huán)沖擊；變形特征；動(dòng)態(tài)變形模量；能量傳遞；破壞模式

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)家對(duì)各種資源的需求不斷提高。由于淺部資源逐漸消耗殆盡，深部資源的開采便是未來(lái)資源開采的發(fā)展方向，對(duì)深部巖石力學(xué)的研究成為熱點(diǎn)問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)深部巖石工程處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的問(wèn)題[1]，人們改進(jìn)了SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，使其加載波為恒應(yīng)變率加載的半正弦波應(yīng)力脈沖[2?4]。李夕兵等[5?8]基于改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)和Instron1342型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)配一維水平靜壓加載裝置，進(jìn)行了一維、二維和三維動(dòng)靜組合加載下巖石力學(xué)特性的研究，分析研究了動(dòng)靜組合加載下巖石的變形及強(qiáng)度特性、能量傳遞規(guī)律、破壞模式等，同時(shí)提出了巖石動(dòng)態(tài)斷裂及失穩(wěn)破壞的突變理論模型[9?10]與動(dòng)靜組合加載相對(duì)應(yīng)的本構(gòu)模型等[11?12]。目前，關(guān)于巖石受靜載荷與循環(huán)沖擊共同作用下的力學(xué)特性研究還較少。金解放等[13?15]研究分析了砂巖受靜載荷與循環(huán)沖擊共同作用下的破壞模式及機(jī)理、損傷變量定義的方法、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等。Li 等[16]利用桿徑為75 mm的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)花崗巖進(jìn)行了無(wú)軸壓無(wú)圍壓循環(huán)沖擊試驗(yàn)研究，提出了波阻抗定義巖石損傷變量，張裂、張剪、拉剪的破壞模式，巖石的變形、強(qiáng)度特征、能量耗散等與軸壓、圍壓、循環(huán)沖擊數(shù)的關(guān)系等。人們對(duì)深部巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性雖然進(jìn)行了大量研究，但由于巖樣巖性單一、取樣地點(diǎn)的限制，同時(shí)影響深部巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的因素較多，而且復(fù)雜，因此，仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步探索。本文作者借助改進(jìn)的SHPB動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)冬瓜山銅礦井下900 m深度的矽卡巖巖樣進(jìn)行一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下的試驗(yàn)研究，主要分析矽卡巖的變形特征，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、應(yīng)變及軸壓與循環(huán)沖擊數(shù)之間的關(guān)系，能量傳遞的規(guī)律及巖樣最后的破壞模式。

1 一維循環(huán)沖擊試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)巖樣取自冬瓜山銅礦井下900 m深度的巖體。巖樣選用結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬、表面無(wú)明顯微裂紋的矽卡巖巖芯。試樣直徑取50 mm，長(zhǎng)度取50 mm，長(zhǎng)徑比為1:1。為了確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，試樣加工嚴(yán)格按照巖石力學(xué)測(cè)試要求進(jìn)行。對(duì)每個(gè)試樣兩端都仔細(xì)打磨，確保其不平行度及不垂直度都小于0.02 mm。一維循環(huán)沖擊試驗(yàn)前測(cè)定矽卡巖的靜載物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 矽卡巖物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)選用基于SHPB裝置的巖石動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)[2, 4, 17]。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由沖頭、入射桿、透射桿、緩沖桿、數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備組成。沖頭、入射桿、透射桿、緩沖桿均為高強(qiáng)度的40Cr合金鋼，其縱波波速為5 447 m/s，彈性模量為240 GPa，單軸抗壓強(qiáng)度為800 MPa。入射桿、透射桿、緩沖桿的直徑均為50 mm，長(zhǎng)度分別為2.0，1.5和0.5 m。采用巖樣與桿等截面積加載方式?jīng)_擊，加載波為恒應(yīng)變率加載的半正弦波應(yīng)力脈沖[3]。采用DL?750示波器及CS?1D超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集每次試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)原理

改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，根據(jù)一維應(yīng)力下彈性波在細(xì)長(zhǎng)桿中傳播無(wú)畸變的特性，應(yīng)變片A1測(cè)定入射應(yīng)變波和反射應(yīng)變波，應(yīng)變片A2測(cè)定透射應(yīng)變波。根據(jù)一維應(yīng)力波理論，推出試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變率、應(yīng)變公式如下[18]：

根據(jù)能量守恒定律，可以推出沖擊過(guò)程中各項(xiàng)能量公式如下：

1.4 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的目的是研究矽卡巖在一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。為了與深部巖石處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境相匹配，本試驗(yàn)軸壓分別設(shè)置為75，85和95 MPa，對(duì)應(yīng)于矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度的59%，67%和75%。每組試驗(yàn)針對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中，確保每次沖擊前預(yù)施加的軸壓保持其設(shè)定值不變。為了使巖石試樣與入射桿、透射桿接觸良好，試驗(yàn)前巖樣兩端涂適量黃油。每次沖擊的氣壓設(shè)定為0.5 MPa，異型子彈頭在發(fā)射腔中的位置確保不變，試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行沖擊，每沖擊1次都對(duì)巖樣進(jìn)行拍照記錄，同時(shí)調(diào)整預(yù)加軸壓數(shù)值，直到巖樣完成破壞，試驗(yàn)結(jié)束。一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下的試驗(yàn)加載模型見圖2，試樣物理參數(shù)及試驗(yàn)方案見表2。

(a) 巖石受載情況；(b) 應(yīng)力?時(shí)間曲線

表2 試驗(yàn)物理參數(shù)及加載方案

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，記錄每塊巖樣的累計(jì)沖擊數(shù)的同時(shí)繪制動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。表3所示為每塊巖樣的累計(jì)沖擊數(shù)，圖3所示為每組試驗(yàn)的典型動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。

表3 試驗(yàn)累計(jì)沖擊數(shù)

(a) 軸壓75 MPa(巖樣編號(hào)為sk1-2)；(b) 軸壓85 MPa(巖樣編號(hào)為sk2-1)；(c) 軸壓95 MPa(巖樣編號(hào)為sk3-1)

2.2 變形特征

圖3所示為矽卡巖在軸壓75，85和95 MPa及循環(huán)沖擊作用下巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。從圖3可以看出：應(yīng)力峰值前動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線變化的趨勢(shì)一致，壓應(yīng)力與應(yīng)變呈遞增關(guān)系；應(yīng)力峰值后隨著沖擊數(shù)的增加，應(yīng)變向減小的趨勢(shì)發(fā)展，即動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線出現(xiàn)回彈的現(xiàn)象。峰值應(yīng)力前動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線變形特征與李夕兵等[6, 19]的研究結(jié)果一致，沒(méi)有壓密階段，僅有彈性階段、非線性變形階段。峰值應(yīng)力后動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線變形特征出現(xiàn)2種類型：一是出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，如圖3(a)中第28次沖擊、圖3(b)中第10次沖擊的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是巖樣預(yù)加軸壓的時(shí)候內(nèi)部?jī)?chǔ)存了一定的彈性能，沖擊動(dòng)載沒(méi)有促使巖樣完全破碎，從而導(dǎo)致應(yīng)力卸載時(shí)巖樣內(nèi)部原有的彈性力大于加載應(yīng)力，卸載階段出現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線回彈現(xiàn)象。二是不出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，變形特性與一般靜載單軸壓縮試驗(yàn)得到的結(jié)果一致，如圖3(a)和(b)初始幾次沖擊時(shí)及圖3(c)中的初始沖擊階段，巖樣沒(méi)有發(fā)生破壞，在卸載過(guò)程中，未達(dá)到峰值應(yīng)變前巖樣內(nèi)部的彈性能就開始釋放，從而導(dǎo)致巖樣內(nèi)部的彈性力始終小于加載應(yīng)力，因此無(wú)回彈現(xiàn)象。圖3(c)中最后1次沖擊也無(wú)回彈現(xiàn)象，是因?yàn)檩S壓較大，預(yù)加載時(shí)促使巖樣發(fā)生宏觀破裂的趨勢(shì)，沖擊荷載只是加快了此趨勢(shì)的進(jìn)度。

2.3 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化規(guī)律

圖4所示為不同軸壓下矽卡巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨循環(huán)沖擊數(shù)的變化關(guān)系，總體是動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著循環(huán)沖擊數(shù)的增加而減小。利用最小二乘法的原理對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行了一元線性回歸，得出圖中3個(gè)公式。從圖4可見：隨著沖擊數(shù)的增加，矽卡巖呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)疲勞特性；當(dāng)軸壓一定，循環(huán)沖擊數(shù)達(dá)到一定值，巖石便會(huì)產(chǎn)生宏觀破壞；動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力還與預(yù)加載的軸壓有關(guān)，當(dāng)軸壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力減小，這是由于預(yù)加軸壓達(dá)到一定值會(huì)導(dǎo)致巖樣內(nèi)部微裂紋重新擴(kuò)展或產(chǎn)生新的微裂紋，產(chǎn)生微觀破壞，從而降低巖石抵抗外界沖擊的能力。

圖4 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與循環(huán)沖擊數(shù)的關(guān)系

2.4 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變變化規(guī)律

圖5所示為不同軸壓下矽卡巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變隨循環(huán)沖擊數(shù)的變化關(guān)系?？傮w是動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變隨著循環(huán)沖擊數(shù)的增加而增大，但增大趨勢(shì)呈現(xiàn)2種類型：一是軸壓為75和85 MPa時(shí)，最后1次或幾次沖擊，應(yīng)變發(fā)生突變，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是巖樣發(fā)生了宏觀破壞，抵抗外界荷載的能力降低；二是軸壓為95 MPa時(shí)，隨著循環(huán)沖擊數(shù)的增加，應(yīng)變沒(méi)有發(fā)生突變，而是呈現(xiàn)均勻遞增現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中巖樣觀察，究其原因是預(yù)加軸壓較大，巖樣在初始沖擊時(shí)就已經(jīng)破裂，但未破碎，由于其硬度大，巖樣即使破壞了仍然有抵抗外力的能力，最后調(diào)整預(yù)加軸壓時(shí)，巖樣就破碎了，故沒(méi)出現(xiàn)最后應(yīng)變突增的現(xiàn)象。

軸壓/MPa：(a) 75；(b) 85；(c) 95

2.5 沖擊數(shù)與軸壓的關(guān)系

圖6所示為矽卡巖承受的總循環(huán)沖擊數(shù)隨軸壓的變化關(guān)系，本次試驗(yàn)設(shè)定的軸壓為單軸抗壓強(qiáng)度的59%，67%和75%。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元二階多項(xiàng)式回歸，得出當(dāng)軸壓為單軸抗壓強(qiáng)度的50%~75%時(shí)，矽卡巖承受的總循環(huán)沖擊數(shù)隨著軸壓的增大而減小，呈一元二階多項(xiàng)式的關(guān)系。利用這個(gè)性質(zhì)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)矽卡巖在此范圍內(nèi)軸壓作用下能承受的總循環(huán)沖擊數(shù)，從而為深部巖石開挖工程提供理論依據(jù)。

圖6 累計(jì)循環(huán)沖擊數(shù)隨軸壓的關(guān)系

2.6 變形模量與循環(huán)沖擊數(shù)間的關(guān)系

圖7所示為巖石動(dòng)態(tài)變形模量定義示意圖。通過(guò)巖石應(yīng)力?應(yīng)變曲線計(jì)算變形模量，是研究巖石壓縮變形特性的重要方法。關(guān)于巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線變形模量的確定，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有確定的規(guī)范。宮鳳強(qiáng)等[7]定義了第二類割線模量，金解放等[15]定義了加載段變形模量，即為峰值應(yīng)力50%處切線的斜率。動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線不同于靜載應(yīng)力?應(yīng)變曲線，沒(méi)有明顯的直線段，參照靜載應(yīng)力?應(yīng)變曲線確定割線模量的原理確定動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線變形模量誤差較大，第2類割線模量只表示了加載段一部分的變形特征，而加載段變形模量的離散型較大。為了反映整個(gè)動(dòng)態(tài)加載階段巖石的變形特征，減小誤差，降低離散型，定義割線模量、第一類割線模量、加載段變形模量的加權(quán)平均值為動(dòng)態(tài)變形模量，用來(lái)反映動(dòng)態(tài)加載階段巖石的壓縮變形特征(見圖7)。定義的巖石動(dòng)態(tài)變形模量(d)的計(jì)算公式如下：

圖8所示為不同軸壓下矽卡巖加載階段動(dòng)態(tài)變形模量隨循環(huán)沖擊數(shù)的變化關(guān)系，總體趨勢(shì)是動(dòng)態(tài)變形模量隨著沖擊數(shù)的增加而減小。這是循環(huán)沖擊過(guò)程中矽卡巖內(nèi)部損傷累計(jì)演化的結(jié)果。隨著沖擊數(shù)的增加，巖石抵抗外界荷載的能力降低，在相同沖擊荷載作用下，變形增大的幅度也相對(duì)增大。在軸壓75和85 MPa時(shí)，開始幾次沖擊變形模量減小的幅度較大，這是由于預(yù)加載的軸壓使巖樣內(nèi)部的微裂紋基本完全閉合，沖擊過(guò)程中巖樣產(chǎn)生了損傷，巖石抵抗沖擊能力降低幅度較大，但此時(shí)巖石內(nèi)部原微裂紋或新產(chǎn)生的微裂紋擴(kuò)展速度非常慢，甚至來(lái)不及擴(kuò)展。當(dāng)沖擊數(shù)達(dá)到一定值，軸壓為75 MPa時(shí)，變形模量呈現(xiàn)均勻減??；而當(dāng)軸壓為85 MPa時(shí)，先出現(xiàn)均勻減小，最后又突然減小。出現(xiàn)變形模量均勻減小現(xiàn)象的原因是巖樣經(jīng)過(guò)多次沖擊，內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展緩慢展開，由于沖擊速率過(guò)快，微裂紋擴(kuò)展的時(shí)間有限，從而出現(xiàn)一段均勻擴(kuò)展的現(xiàn)象，但巖石的損傷累計(jì)仍逐漸加大，巖石的抗沖擊能力仍然會(huì)不斷降低；后來(lái)突然減小，是由于巖樣內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生了貫通，促使了巖樣發(fā)生宏觀的破壞。當(dāng)軸壓為95 MPa時(shí)，巖石的動(dòng)態(tài)變形模量呈均勻減小，但減小幅度較大。這是因?yàn)轭A(yù)加軸壓已經(jīng)促使巖樣發(fā)生了微觀的破壞，巖樣內(nèi)部微裂紋的壓密、緩慢擴(kuò)展在預(yù)加軸壓的時(shí)候就經(jīng)歷了1次，在沖擊荷載的作用下，巖石開始宏觀破壞，變形模量減小速度較快。這也是在高軸壓下，巖石承受循環(huán)沖擊總次數(shù)少的原因。充分掌握巖石動(dòng)態(tài)變形模量變化的規(guī)律，可以為深井采礦等提供預(yù)測(cè)巖石破壞提供理論 依據(jù)。

軸壓/MPa：1—75；2—85；3—95

2.7 能量傳遞規(guī)律

圖9所示為不同軸壓下矽卡巖單位體積耗能與循環(huán)沖擊數(shù)之間的關(guān)系。在不同軸壓下，單位體積耗能的變化規(guī)律不同。軸壓75 MPa時(shí)，隨著沖擊數(shù)的增加矽卡巖由釋放能量向吸收能量的趨勢(shì)發(fā)展，釋放能量時(shí)先減小后增大，然后再減小向吸收能量轉(zhuǎn)換。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是開始階段巖樣內(nèi)部緩慢產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊數(shù)增加，微裂紋擴(kuò)展進(jìn)行非常緩慢，消耗巖樣儲(chǔ)存的彈性能增量緩慢增加，故導(dǎo)致釋放的能量隨沖擊數(shù)的增加而減少；隨著沖擊數(shù)的增加，巖樣對(duì)沖擊荷載產(chǎn)生了疲勞適應(yīng)階段，內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展速度降低或停止，從而出現(xiàn)消耗能量減少，釋放能量增加的現(xiàn)象；當(dāng)沖擊數(shù)增加到一定值時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展速度加快，向宏觀破壞方向發(fā)展，故消耗能量逐漸增大，導(dǎo)致釋放能量逐漸減小，最后巖樣突然破壞，預(yù)加軸壓產(chǎn)生的彈性能不能促使破裂巖塊發(fā)生彈射，這時(shí)候巖樣便吸收能量轉(zhuǎn)換成彈性能，使破裂巖塊彈射出去，便出現(xiàn)減小向吸收能量趨勢(shì)發(fā)展的現(xiàn)象。當(dāng)軸壓為85 MPa時(shí)，隨著沖擊數(shù)的增加矽卡巖釋放能量減小，最后沒(méi)有出現(xiàn)吸收能量，原因是巖樣內(nèi)部緩慢產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊數(shù)增加，微裂紋擴(kuò)展、貫通，向宏觀破壞方向發(fā)展，消耗彈性能增加，導(dǎo)致釋放的能量隨沖擊數(shù)的增加而減少。當(dāng)軸壓為95 MPa時(shí)，巖樣耗能規(guī)律類似于軸壓為75 MPa后期。沒(méi)出現(xiàn)軸壓為75 MPa開始階段現(xiàn)象的原因是預(yù)加軸壓時(shí)巖樣內(nèi)部已經(jīng)儲(chǔ)存了足夠多的彈性能，在預(yù)加軸壓的過(guò)程中巖樣就經(jīng)過(guò)了軸壓為75 MPa開始階段的過(guò)程。軸壓為85和95 MPa時(shí)最后沒(méi)有出現(xiàn)吸收能現(xiàn)象，是因?yàn)閹r樣破壞后沒(méi)有產(chǎn)生彈射，消耗彈性能較少。分析矽卡巖耗能的規(guī)律可知，深井采礦，圍巖發(fā)生巖爆是靜壓和擾動(dòng)共同作用的結(jié)果，當(dāng)靜壓為某一范圍內(nèi)時(shí)，在動(dòng)力擾動(dòng)的情況下發(fā)生巖爆的概率較大。

軸壓/MPa：(a) 75；(b) 85；(c) 95

圖10所示為不同軸壓下矽卡巖單位體積耗能與入射能之間的關(guān)系。從圖10可知：當(dāng)軸壓為75 MPa時(shí)，隨著入射能的增加，釋放的能量逐漸減小，最后向吸收能量的趨勢(shì)發(fā)展。當(dāng)軸壓為85和95 MPa時(shí)，單位體積耗能的變化規(guī)律基本相似，體現(xiàn)為釋放能量，釋放的能量先增多后減小。出現(xiàn)圖10中現(xiàn)象的原因是巖樣單位體積耗能與入射能量、預(yù)加軸壓有一定的關(guān)系，當(dāng)預(yù)加軸壓一定時(shí)，入射能量越大，巖石發(fā)生巖爆的可能越大；破碎巖塊彈射需要能量，巖樣內(nèi)部預(yù)存彈性能釋放如果不能滿足巖塊彈射的要求，便出現(xiàn)吸收能量的現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)加軸壓達(dá)到一定值時(shí)，巖樣內(nèi)部?jī)?chǔ)存了足夠的彈性能，入射能導(dǎo)致巖樣內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，其擴(kuò)展、貫通的速度由快到慢再到快，最后向宏觀破壞趨勢(shì)發(fā)展，從而導(dǎo)致單位體積釋放能先增大后減小。

軸壓/MPa：(a) 75；(b) 85；(c) 95

2.8 巖樣破壞模式

研究巖石在一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下的破壞模式對(duì)深部采礦等工程預(yù)測(cè)巖石破裂及失穩(wěn)具有一定意義。圖11所示為不同軸壓下矽卡巖受循環(huán)沖擊最后的破壞模式。從圖11可看出：巖樣破壞的塊度隨著軸壓增大而增大，這種現(xiàn)象與宮鳳強(qiáng)等[7]研究的結(jié)果相反，其原因是宮鳳強(qiáng)等[7]研究的是一次性沖擊破壞，而本次研究的是矽卡巖經(jīng)過(guò)多次循環(huán)沖擊，最后發(fā)生宏觀破壞。當(dāng)軸壓較小時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂紋經(jīng)過(guò)加密后發(fā)生微小擴(kuò)展，甚至不擴(kuò)展，循環(huán)沖擊促使巖樣內(nèi)部損傷累計(jì)；當(dāng)最后1次沖擊時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展、貫通，此時(shí)巖樣發(fā)生類似巖爆的現(xiàn)象，破碎巖塊向四周彈射；當(dāng)軸壓較大時(shí)，預(yù)加軸壓時(shí)就已經(jīng)促使巖樣內(nèi)部產(chǎn)生了新的微裂紋，甚至發(fā)生了貫通現(xiàn)象，循環(huán)沖擊時(shí)巖樣損傷累計(jì)量較小，從而導(dǎo)致破碎的塊度較大。

軸壓/MPa：(a) 75；(b) 85；(c) 95

從圖11(a)可見：巖樣破碎成長(zhǎng)條狀。說(shuō)明巖樣破壞過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋是沿軸向方向發(fā)展的，破裂面平行于加載方向，產(chǎn)生的破壞方式為拉伸破壞。從圖11(b)可見：巖樣受沖擊端破裂巖塊被剝離下來(lái)，最后形成了圓臺(tái)狀。從圖11(c)可見：巖樣沿軸向傾斜方向破裂成幾塊。圖11(b)和(c)說(shuō)明巖樣在85和95 MPa軸壓下發(fā)生的破壞是剪切破壞。巖樣受沖擊前受到軸壓的作用，75 MPa的軸壓未能使巖樣內(nèi)部產(chǎn)生新的微裂紋，發(fā)生微觀破壞，在沖擊過(guò)程中，由于疲勞損傷累計(jì)，橫向拉伸應(yīng)變加大，產(chǎn)生沿軸向裂紋，最后發(fā)生室內(nèi)“巖爆”現(xiàn)象，產(chǎn)生拉伸破壞。當(dāng)軸壓85和95 MPa時(shí)，預(yù)加軸壓已經(jīng)促使巖樣發(fā)生剪切宏觀破壞的趨勢(shì)，受沖擊荷載作用，加快了這種趨勢(shì)的進(jìn)度，最后形成剪切破壞。

3 結(jié)論

1) 巖石在一維靜載及循環(huán)沖擊共同作用下，不同軸壓時(shí)其動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈現(xiàn)回彈、不回彈2種性質(zhì)；隨循環(huán)沖擊數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力及定義的動(dòng)態(tài)變形模量減小，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變卻增大；累計(jì)沖擊數(shù)隨軸壓的增大而減小，呈一元二階多項(xiàng)式關(guān)系。這說(shuō)明巖石此時(shí)抵抗外界沖擊能力降低，具有疲勞損傷特性。

2) “巖爆”的發(fā)生是動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)巖石內(nèi)部?jī)?chǔ)存彈性能突然釋放的結(jié)果。在不同軸壓下，巖石單位體積耗能隨循環(huán)沖擊數(shù)及入射能的增加而變化的規(guī)律不同，總體為最后巖石由釋放能量向吸收能量發(fā)展，即向發(fā)生巖爆的趨勢(shì)發(fā)展。

3) 不同軸壓下巖石最后的破壞模式呈現(xiàn)2種情況：一是拉伸破壞，二是剪切破壞。巖石破壞的塊度也隨軸壓的增大而增大。原因?yàn)檩S壓使巖石內(nèi)部發(fā)生的變化不同，軸壓較大使巖石發(fā)生了宏觀破裂的趨勢(shì)，后來(lái)沖擊作用只是加速這種趨勢(shì)的發(fā)展。同時(shí)也說(shuō)明，軸壓在一定范圍內(nèi)時(shí)，巖石受動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)巖爆的概率才最大。

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Experimental study of mechanical characteristics of skarn under one-dimensional coupled static and cyclic impact loads

TANG Lizhong, WANG Chun, CHENG Luping, GAO Longhua

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

By means of the test system of rock coupled static and dynamic loads based on improved Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), the experiment with skarn under one-dimensional coupled static and cyclic impact loads from Dongguashan copper Mine underground 900 m in depth was carried out, and the test results were analysed. The results show that the damage of rock under one-dimensional coupled static and cyclic impact loads has fatigue characteristic. When the axial precompression stress is different, the deformational characteristics of rock are different, and stress-strain curves present two kinds of features: springback or no springback. With the increase of the amount of cyclic impact, the dynamic peak stress and defined dynamic deformation modulus decreases, but dynamic peak strain increases. The variation relationship between accumulated amount of cyclic impact with axial precompression stress is a yuan quadratic polynomial relation. Dynamic disturbance induces sudden release of elastic energy in rock interior which makes rock burst occur. The axial precompression stress has influence on the effect that rock appears tensile failure or shear failure, and it also has influence on the size of the blocks of rock failure and the probability of rock burst under dynamic disturbance.

cyclic impact; deformational characteristic; dynamic deformation modulus; energy transfer; failure modes

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.045

TU452

A

1672?7207(2015)10?3898?09

2015?01?18；

2015?03?21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB732004)；中南大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新項(xiàng)目(2011ssxt270)(Project (2010CB732004) supported by the National Basic Research Development Program of China (973 Program); Project (2011ssxt270) supported by the Dissertation Innovation of Central South University)

唐禮忠，教授，從事巖石力學(xué)與地下空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及工程地質(zhì)災(zāi)害防治等研究；E-mail：lztang11@csu.edu.cn.

(編輯 陳愛華)