弱風(fēng)化花崗巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究

鄧杰文

（岑溪市計(jì)量檢定測(cè)試所廣西石材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣西 岑溪 543200）

0 引言

巖石動(dòng)力學(xué)近幾年來得到了廣泛重視，落實(shí)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)工作，能夠幫助相關(guān)人員進(jìn)一步了解不同巖石的生長(zhǎng)狀態(tài)以及各種性能，為后續(xù)的水下爆破、機(jī)械挖掘工作提供參考。從另一角度來看，在實(shí)際的調(diào)查過程中，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)參數(shù)情況構(gòu)建形成相應(yīng)的模型，了解具體的強(qiáng)度準(zhǔn)則，進(jìn)一步豐富巖石動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，明確弱風(fēng)化花崗巖的實(shí)際情況。

1 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)的重要性

巖體的動(dòng)力特性是巖體在動(dòng)載作用下的力學(xué)性質(zhì)，在礦山破碎等工程中，如常用的鑿巖爆破，不同部位的巖體所受的外力都是具有不同的強(qiáng)度和延時(shí)的動(dòng)載。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平不斷提高，國防軍事、科研領(lǐng)域方面也在不斷發(fā)展，巖土動(dòng)力學(xué)計(jì)算是其中的重要內(nèi)容。但是巖土動(dòng)力學(xué)過程極為復(fù)雜，涉及多方面的問題，想要保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定準(zhǔn)確性，就要對(duì)影響因素進(jìn)行分析，通過動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)可以進(jìn)一步掌握弱風(fēng)化花崗巖的力學(xué)特性，了解沖擊荷載作用下弱風(fēng)化花崗巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)變率情況。因此加強(qiáng)對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)這方面的研究，具有重要意義。在進(jìn)行巖石動(dòng)力學(xué)計(jì)算過程中，動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)中的應(yīng)變率會(huì)對(duì)諸多工作的可靠性產(chǎn)生影響，通過針對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)內(nèi)容以及具體機(jī)制進(jìn)行研究。由上可知，巖土動(dòng)力學(xué)計(jì)算中主要完成的計(jì)算任務(wù)就是巖土中波傳播情況，而動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)在落實(shí)過程中，可以了解試樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線、動(dòng)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、破壞特征隨應(yīng)變率的變化規(guī)律。想要保證弱風(fēng)化花崗巖相關(guān)開采工作、挖掘工作順利進(jìn)行，就要對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)具體內(nèi)容、結(jié)果進(jìn)行分析?；羝战鹕瓧U是一種重要的材料動(dòng)力特性的工具，將壓力作用于棒的內(nèi)部，使其產(chǎn)生應(yīng)力波，并且通過該應(yīng)力波的傳播，使其產(chǎn)生應(yīng)力和測(cè)量，應(yīng)力波通過試件時(shí)，將引起試件的變形。

2 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)開展流程

想要分析弱風(fēng)化花崗巖的巖土動(dòng)力學(xué)情況，就要進(jìn)一步落實(shí)開展動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)，從而在后續(xù)的礦產(chǎn)資源開采、巖石存儲(chǔ)工作、水下環(huán)境開采中對(duì)爆炸載荷特征進(jìn)行精細(xì)化控制。在選擇弱風(fēng)化花崗巖中，為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)質(zhì)地、礦物組分含量進(jìn)行了充分的調(diào)查分析，以此減少外部影響因素，提高最終結(jié)果的科學(xué)性。綜合挑選分析后，最終選擇了質(zhì)地較為均勻的標(biāo)準(zhǔn)化弱風(fēng)化花崗巖展開試驗(yàn)工作，并且借助經(jīng)過X 光衍射確定了其中含有的礦物質(zhì)成分，主要包括石英、長(zhǎng)石、云母、方解石，石英含量最多。巖石本就是由不同的晶體礦物構(gòu)成的，而本次試驗(yàn)選擇的弱風(fēng)化花崗巖是一種完全晶體的、塊狀的結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步確保試驗(yàn)的穩(wěn)定開展，對(duì)樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的加工制備處理，將試驗(yàn)樣品直徑與高度誤差控制在允許范圍內(nèi)，以減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性。不僅如此，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比性，選擇了五種不同狀態(tài)下的弱風(fēng)化花崗巖，包括：為天然狀態(tài)、飽水狀態(tài)以及3 種不同酸性環(huán)境中的弱風(fēng)化花崗巖，通過這種方式，可以為不同的開采、爆破、挖掘環(huán)境提供參考。例如，在爆炸中需要使用到一噸的TNT，通過對(duì)爆心距某一位置處的壓力波形情況，得到壓力波形圖，從而就可以結(jié)合壓力波形中的載荷等效曲線，確定外載荷周期，才能夠更好開展后續(xù)工作。而在動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)在開展過程中，旨在通過超聲脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)縱波波速的確定，并且確定不同等級(jí)氣壓下沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，挖掘其中可能存在的線性關(guān)系。

3 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度

縱波速度對(duì)巖體內(nèi)部的微缺陷的發(fā)展十分敏感，因而可以作為一種有效的巖體損傷評(píng)估方法。利用具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助相關(guān)試驗(yàn)手段，對(duì)天然、飽水和酸性介質(zhì)中的花崗巖樣品進(jìn)行了試驗(yàn)，在關(guān)于動(dòng)態(tài)強(qiáng)度方面得到以下結(jié)論。

在進(jìn)行一次撞擊后，在滲透測(cè)試結(jié)束后，再進(jìn)行一定程度的持續(xù)的撞擊，直到達(dá)到極限。通過對(duì)試件的反復(fù)沖擊試驗(yàn)，可以看出在適當(dāng)?shù)乃缮⒑?，試件的穩(wěn)定狀況。4 個(gè)試件在不同的撞擊速率下，其動(dòng)力強(qiáng)度隨時(shí)間的變化而變化。巖石試件在不同撞擊速率下的動(dòng)壓比由曲線可知，在4.00m/s 時(shí)，巖石的動(dòng)力壓縮強(qiáng)度是最小的，且隨沖擊速率的增加而增加。在低撞擊速率條件下，試件要進(jìn)行多次撞擊才能到達(dá)破壞狀態(tài)，且隨著撞擊次數(shù)的增加，巖石試件受到的傷害也會(huì)隨之增加，再加上裂縫的連續(xù)穿透和新的裂縫，巖石試件的耐受力會(huì)繼續(xù)下降，最后的動(dòng)壓比也會(huì)隨之減小。在不同孔隙率下進(jìn)行的反復(fù)撞擊試驗(yàn)，得出了隨著撞擊次數(shù)增加，巖石中的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出由高至低的規(guī)律。但在相同撞擊速率下，不同的空隙率變化并沒有顯著的規(guī)律性，而在較低的強(qiáng)度下，其內(nèi)部的孔隙構(gòu)造是一種非常復(fù)雜且不規(guī)則的類型，其破裂本質(zhì)上是由裂縫的生成與擴(kuò)張所致，且隨著撞擊次數(shù)的增加，其變形也是隨機(jī)的。在受應(yīng)力波影響后，弱風(fēng)化花崗石的內(nèi)壁發(fā)生了破壞，裂縫擴(kuò)大，孔隙率增大。通過不同撞擊速率的試件的空隙率的比較發(fā)現(xiàn)，撞擊速率為4.00～6.00m/s 時(shí)，孔隙率增加迅速，7.00m/s 時(shí)降低，而6.00m/s 和7.00m/s的沖擊速率下，孔隙增加明顯。

3.2 變形特征

在沖擊載荷下，天然狀態(tài)的動(dòng)態(tài)累積損傷在二次撞擊后有下降的趨勢(shì)，而飽和樣品則基本保持了累積損傷隨著沖擊次數(shù)的增加而增加的趨勢(shì)。結(jié)果表明：飽和樣品的裂縫充滿了水，其抗壓性能優(yōu)于空氣，在沖擊時(shí)，由于水的抗壓作用阻礙了孔隙的封閉，從而導(dǎo)致了整體的孔隙增加，從而導(dǎo)致了破壞程度的增加。相對(duì)于水分，空氣的抗壓能力要弱于水，因此，在沖擊下，試樣的孔隙易于閉合，以減少損傷。而與應(yīng)力波在天然狀態(tài)試件中的傳播相比，它更易于穿過巖體與水的結(jié)合面，從而減少了反射和繞射，對(duì)孔隙壁的負(fù)荷也是有限的。因此，與天然狀態(tài)樣品相比，飽和試樣的裂紋更難閉合。在有較大孔隙的情況下，天然狀態(tài)試樣品中的小孔隙在沖擊前后基本不變，以大孔隙和中等孔隙為主，而小孔、中等孔隙和大孔隙則基本不變；在中、小孔隙占主導(dǎo)地位的試件，中孔孔隙隨沖擊次數(shù)的增大而逐漸增大，而小孔隙則逐漸減少；飽和試件在一次撞擊后，中等孔隙基本消失，以小孔隙為主，在二次撞擊后，孔隙仍以小孔隙為主，與首次撞擊相比沒有明顯的改變。總而言之，在風(fēng)化花崗巖動(dòng)力破壞過程中，水能減緩其發(fā)展。通過對(duì)天然狀態(tài)、飽和試驗(yàn)樣品的NMR 圖像的比較，發(fā)現(xiàn)在一定的沖擊載荷作用下，天然狀態(tài)的孔隙比飽和樣品的變化要大得多，這說明在飽和狀態(tài)下，風(fēng)化花崗巖樣品的動(dòng)態(tài)累積損傷要比天然狀態(tài)小，從側(cè)面反映出，在相同的破壞程度下，飽和樣品的耗能要大得多[1]。

4 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)論分析

4.1 綜合分析

通過動(dòng)態(tài)機(jī)械性能試驗(yàn)，對(duì)自然，飽水，pH 分別為2、4、6 的弱風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了動(dòng)力壓縮試驗(yàn)，對(duì)其應(yīng)力－應(yīng)變曲線、動(dòng)壓強(qiáng)度、彈性模量、破壞特征隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。在受沖擊載荷時(shí)，樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線與靜壓曲線的變化規(guī)律大致相同，可分為4 個(gè)階段：壓密階段、彈性階段、應(yīng)力屈服階段和卸載階段，其區(qū)別在于，沖擊是一剎那的，當(dāng)應(yīng)力速率很高時(shí)，一些樣品的內(nèi)部裂縫沒有完全封閉，直接進(jìn)入彈性階段，隨著應(yīng)變率的增大，壓密階段縮短。在沖擊加載下，弱風(fēng)化花崗巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和彈性模量都隨應(yīng)變速率的增加而增加，并呈現(xiàn)出顯著的應(yīng)變效應(yīng)。綜合來看，強(qiáng)度和彈性模量比動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和彈性模量都要大。在飽水期，弱風(fēng)化花崗巖樣品的縱波速度隨酸液的變化而增加，而在酸性溶液中則表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；另外，水和酸液都會(huì)影響試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和彈性模量，在應(yīng)變速率相同的情況下，試樣的動(dòng)抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著pH 的降低而降低。試樣的破裂特性與應(yīng)變速率、加工條件有關(guān)，在應(yīng)變速率下，花崗巖樣品全部破碎，變形速率愈高，破碎愈大，粒徑愈小。反之，應(yīng)變速率低時(shí)，試樣出現(xiàn)軸向斷裂，以拉應(yīng)力為主，隨著應(yīng)變速率增加，試樣的斷裂主要受到拉剪力作用的影響。最終出現(xiàn)壓碎破壞在同樣的應(yīng)變率下，因酸性溶液H+與礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使試樣發(fā)生軟化，壓實(shí)后破壞程度愈高，試樣的粒徑愈小[2]。

4.2 影響因子

從以上的研究?jī)?nèi)容可以看出，應(yīng)力波的落實(shí)效果越好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度越高，爆炸的數(shù)量越少，所得到的經(jīng)驗(yàn)公式、結(jié)果也就越準(zhǔn)確。應(yīng)力波當(dāng)量的影響因素中，最重要的一個(gè)因素是爆破縮率，這是由壓力波的作用時(shí)間和應(yīng)力波當(dāng)量的特定關(guān)系來確定的。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)壓力波的作用時(shí)間與當(dāng)量的1/3 次方成正比。由此可以得出，當(dāng)爆炸當(dāng)量增大時(shí)，所產(chǎn)生的爆炸載荷波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)地增大。例如，當(dāng)波長(zhǎng)中的柵格數(shù)量達(dá)到16 時(shí)，就可以精確地計(jì)算出所有的物理量，而當(dāng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，柵格的數(shù)量就越多，數(shù)值就越大?？傮w而言，在相同的動(dòng)力性能試驗(yàn)中，隨著爆炸當(dāng)量的增加，數(shù)值計(jì)算的精度也比較高[3]。

隨著撞擊速度的增加，入射波及反射波也會(huì)增加，但透過波的大小隨著試件內(nèi)部裂縫的增加而增加。在低速?zèng)_擊時(shí)，由于沒有足夠的能量來產(chǎn)生新的裂縫，從而使試樣更致密，使更多的應(yīng)力波通過巖石而通過，當(dāng)沖擊波的速度增加時(shí)，壓力波的強(qiáng)度會(huì)增加，在一定程度上會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，從而使樣品的孔隙度變得疏松，從而加劇反射、折射和繞射，降低了傳輸波長(zhǎng)。

試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)變隨沖擊次數(shù)和孔隙率的增加而增大，不受含水量影響。另外，飽和試件的變形速率比天然狀態(tài)試件要大，由于裂縫中的填充物受到水的作用，會(huì)發(fā)生由固體到塑態(tài)再到液體的弱化，從而導(dǎo)致試件整體呈現(xiàn)軟化的現(xiàn)象。循環(huán)沖擊作用下，風(fēng)化花崗巖的彈性模量隨時(shí)間推移呈現(xiàn)逐漸降低和先增加再降低的趨勢(shì)，即充分水試樣的抗沖擊強(qiáng)度越高，在一定的撞擊次數(shù)下，彈性模量就會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，而天然狀態(tài)則沒有這種特性，說明在沖擊過程中，試件內(nèi)部裂縫的變化是不同的，而且水的存在也會(huì)對(duì)試樣的彈性模量產(chǎn)生明顯的影響。風(fēng)化后的花崗巖試件的彈性模量隨孔隙率的增加而降低，而飽和試件的彈性模量降低得較快，天然狀態(tài)試件的彈性模量則趨于平穩(wěn)。由于自然巖石內(nèi)部裂縫的非規(guī)則性，在不同的沖擊次數(shù)下，各樣品的峰值應(yīng)力值都會(huì)隨沖擊次數(shù)的增加而降低。隨著孔隙率的增加，試件的應(yīng)力總體上呈降低趨勢(shì)，并且有一個(gè)臨界值，孔隙度低于該值后，應(yīng)力總體上呈下降趨勢(shì)，但出現(xiàn)顯著的分散性，超過該范圍后，應(yīng)力峰值趨于平穩(wěn)，并且飽和試件相應(yīng)的特征值比天然狀態(tài)試件大[4]。

此外，在動(dòng)力性能測(cè)試中，時(shí)間步長(zhǎng)系數(shù)也有不同程度的差異。要確定時(shí)間步長(zhǎng)系數(shù)，首先要明確時(shí)間步長(zhǎng)的先后次序，而一般的顯式方法則能獲得最佳解，而在實(shí)踐中，最常用的方法是中心差分法。但是，在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)各單元的特征長(zhǎng)度進(jìn)行進(jìn)一步的界定，并據(jù)此求出關(guān)鍵時(shí)刻步長(zhǎng)，進(jìn)而得出該單元的特征長(zhǎng)度。在這種情況下，如果要解決某些動(dòng)力性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的小變形問題，則必須保證該單元的特征長(zhǎng)度不變，從而使關(guān)鍵時(shí)刻步長(zhǎng)不會(huì)改變。但在一些特定的條件下，其特征長(zhǎng)度也會(huì)隨之變化，從而影響到關(guān)鍵時(shí)刻的步長(zhǎng)。在LS-DYNA3D 程序中，單元的特征長(zhǎng)度與關(guān)鍵時(shí)刻步長(zhǎng)呈正相關(guān)，因而使用了變步長(zhǎng)增量求解方法。另外，在求解有限時(shí)間步長(zhǎng)的過程中，需要通過動(dòng)力性能測(cè)試數(shù)據(jù)來求解三維實(shí)體單元，在這個(gè)過程中，必須確定單元的體積、單元體積、單元最大邊的面積等數(shù)據(jù)。在計(jì)算精度方面，時(shí)間步長(zhǎng)系數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響很大，通過對(duì)不同時(shí)程系數(shù)的計(jì)算，得出最優(yōu)步長(zhǎng)系數(shù)為0.05[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)巖石動(dòng)力學(xué)計(jì)算中動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)落實(shí)分析后發(fā)現(xiàn)，要根據(jù)載荷特征以及波傳播介質(zhì)的屬性具體確定弱風(fēng)化花崗巖的具體性能情況，在開展動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)的過程中，想要確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還需要對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)進(jìn)行細(xì)化分析，結(jié)合具體數(shù)據(jù)分析變化規(guī)律，了解壓力、速度、位移波形等方面參數(shù)數(shù)據(jù)可能會(huì)對(duì)弱風(fēng)化花崗巖帶來的影響。不僅如此，在動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)帶動(dòng)下，弱風(fēng)化花崗巖機(jī)制數(shù)據(jù)也會(huì)更加準(zhǔn)確，步長(zhǎng)系數(shù)、爆心距、應(yīng)力波當(dāng)量等因素都會(huì)帶來不同的結(jié)果，由此在實(shí)際工程中，可以更加科學(xué)地完成試驗(yàn)工作。