类节理岩石材料冲击动力响应性状的试验研究

发布时间：2020-02-24 00:01

【摘要】：岩石节理的存在造成了岩体结构上的不连续和不均匀,进而显著地影响了岩石的力学性质以及振动、渗透以及热传导性能等。当冲击荷载产生的应力波在节理岩体中传播时,岩体节理、夹层等结构面会严重影响波的传播规律,导致波幅值的衰减、高频滤波、信号的延迟以及波传播速度的减慢,阻碍应力波的传播,加剧应力波能量的衰减。在采矿、公路、水利水电、石油等项目中,节理岩体作为边坡、硐室工程中最重要的介质,在爆破开挖等动态荷载作用下的动态响应特征,将直接影响工程的安全和质量,很多的实际工程事故都是由于没有正确认识或不重视岩石中的不连续结构面的工程的影响造成的。因此,研究节理特征及其对岩石动态力学性状的影响,对岩土工程中动荷载作用下的稳定性分析、爆炸能量利用率的提高、爆破效果和防震设计的改善等都具有重要指导作用,也对国防建设和国民经济具有重大意义。本文从岩石中存在的节理、裂隙等不连续结构面出发,在深入分析研究国内外相关资料的基础上,首先,运用数学、力学的基本方法推导并获得应力波传播的基本方程;进而详细解析了有限长弹性杆撞击时的弹性波透、反射传播过程,包括不同介质界面波传播的透、反射系数计算公式等,在此基础上推导应力波斜入射单节理的传播理论并得到此条件下应力波在节理面处的透、反射系数表达式以及入射能、反射能、透射能、耗散能的计算公式;然后,依据相似理论,用砂浆和石膏材料按节理几何特征模拟制作多种不同结构样式的节理岩石试件,并借助SHPB试验装置对节理岩石试件进行冲击试验,系统地研究了节理角度、节理充填材料及厚度、节理数目及间距以及应变率和加载速度对冲击荷载条件下岩石动态力学性状的影响规律,最终获得了一系列的研究成果,归纳后分为以下三个部分:(1)对人工形成的不同角度节理岩石试件进行冲击压缩动态试验,从能量传递、动态强度以及破坏形态角度分析节理角度对岩体中波传播性质的影响,并探索不同加载应变率对含单条节理的岩石试件动力特性的影响规律。试验结论如下:a)对相同尺寸的完整试样进行不同速度下的冲击试验,确定用于能量分析的冲击速度范围。相同入射能条件下,和完整试件相比,0°倾角节理试件的反射能量比、透射能量比、能量耗散比基本和完整试件相等,这与静力学中岩石结构弱面对其强度的影响试验结论相符;当节理倾角从15°增加到60°时,反射能量比逐步提高,透射能量比逐渐下降,60°时反射能量比最大,是完整试件的1.56倍,透射能量比最小,只占完整试件的11.04%;而节理倾角为90°时,反射能量比下降,透射能量比反而上升,占完整试件的40.46%;能量耗散比随节理角度呈波动变化,30°时能耗比最大,约为完整岩石的2倍,60°时最小,基本和完整试件相等。b)节理角度在0°~30°范围变化时,反射能量比缓慢增加,从50.14%增加到55.13%,当节理角度从30°增加到60°时,反射能量比增加幅度也提高,从55.13%变为76.58%;当节理角度为90°时,反射能量比又降到58.29%。节理角度在0°~60°范围变化时,透射能量比逐步降低,60°时最小,总体由32.43%降到3.58%;但是,当节理角度为90°时,能量透射提高,透射能量比升为13.12%;节理角度在0°~30°范围变化时,能量耗散比逐步增加,从18.51%增加到36.58%,随着节理角度从30°增加到60°,能量耗散比开始下降,由36.58%降为19.86%,当节理角度为90°时,能量耗散比又增大为28.6%。c)冲击荷载条件下,节理倾角小于等于60°时,试件峰值强度随着节理倾角的增大逐渐减小,当节理面倾角接近材料的破坏角时,节理试件的动态破坏强度最小。大于60°小于90°时,峰值强度又逐步上升;完整试件的动态弹性模量明显大于其它节理试件,完整试件、0°、和90°节理试样主要为脆性破坏,其他角度节理试件则表现为张拉破坏和剪切破坏。d)完整试件、15°和30°节理角度试件的入射能、反射能、透射能和耗散能随应变率基本上呈弱幂函数关系或线性关系,节理角度虽然影响了岩石各能量的大小和变化速率,但并未改变各能量的变化趋势;动态弹性模量及破坏形态都有很强的应变率相关性。动态弹性模量随应变率的提高均有增大趋势;应变率越大,试件破坏越严重,破碎块度越小,完整岩石裂纹缺陷沿着平行于压应力的方向扩展;应变率较低时,倾斜节理降低了试件的动态峰值应力,沿节理面出现的剪切作用影响了岩石的破坏形式,但当应变率增大到一定程度,节理角度小于30°对岩石破坏形态的影响不再明显。(2)按设计配比浇筑模拟岩石试件并人工形成贯通节理,然后用相似的方法制作不同配比的夹层材料,包括石膏,组合成充填节理试件后,通过shpb装置对含不同夹层的节理试件进行动态冲击压缩实验,分析应力波穿越含不同厚度或波阻抗充填物试件的能量传递耗散规律、强度特征以及破坏形态,获得以下试验结论:a)相同入射能条件下,充填节理的厚度越大,应力波的透射能力越小,能量耗散比越大;充填较厚试件的动态弹性模量大于充填较薄的试件但小于完整试件,节理岩体的峰值强度随充填厚度的增加呈指数形式衰减;不同充填厚度试件的破坏模式主要为压应力作用下的张拉破坏,裂纹均顺着主应力方向。b)相同入射能条件下,随着充填材料强度的降低,反射能量比呈上升趋势,透射能量比逐渐下降,能量耗散比由节理充填材料的性质决定。动态弹性模量随充填材料强度的增大而升高;动态抗压强度随充填材料强度的降低呈指数形式衰减;软材料充填试件呈现出一定的塑性破坏特征,试件的整体破坏形态与充填材料性质密切相关。c)充填节理岩石的入射能和反射能随着冲击速度的增大均呈增长趋势,透射能在某临界冲击速度时达到最大值;损伤变量随冲击速度呈弱幂函数增加关系,满足2d??0.11v?1.31v?3.01,试件破坏时的损伤d值约为0.458。试件应力应变关系曲线及破坏形态具有很强的冲击速度相关性,动态弹性模量随冲击速度的提高而增大,应力峰值随冲击速度的增加满足0.177max1.155.89v?e????。(3)通过冲击试验探究节理数目、节理间距以及加载速度对冲击荷载作用下岩石动态力学性状的影响效应,得到如下试验结论:a)相同入射能量条件下,单条水平节理试件的反射、透射以及耗散能量比基本和完整试件相等。随着节理面的增多,透射能越少,岩石的破坏应力和应变也随之减小,峰值强度则近似直线递减。相同冲击速度下,节理数目越多,试件破坏越严重。b)当含两条平行贯通节理试件各段材料相同且入射能相同时,随节理间距在5mm~42mm范围内递增,反射能量比呈减小趋势,透射能量比变化不大但小于完整试件,耗散能量比逐渐增大。尽管各试件受压破坏时的变形随着节理间距的增加有所增大,但动态弹性模量和受力变化过程相似,破坏形态保持一致。c)入射能和反射能随着冲击速度的增大均呈增长趋势,透射能在冲击速度增大到某临界值时达到最大,随后又减小,该临界值由节理试件材料的抗冲击强度决定;能耗比随冲击速度的提高基本呈增长趋势,速度再增加时,能耗比反而减小。冲击速度在3.263m/s~5.326m/s范围内,损伤变量随冲击速度呈弱幂函数增加关系,满足0.3210014.080.83vde????,试件破坏时的损伤d值约为0.721。对以上大量的试验结论归纳总结,得到如下几个创新性研究成果:(1)运用模拟试验方法,人工预制了不同节理角度、数目、间距、充填厚度和充填材料的试件,冲击试验表明,反射能、透射能和耗散能都有很强的角度相关性,试件在节理倾角接近材料的破坏角时动态破坏强度最低。(2)试验得到节理充填材料、节理数目、间距对应力波传播的影响规律,相同入射能条件下,随充填厚度的增加,材料动态抗压强度呈指数形式衰减。(3)试验表明类节理岩石材料的动态应力应变关系和破坏形态具有很强的冲击速度相关性,试件的冲击响应各能量随冲击速度基本呈非线性关系,用能量表征的损伤变量随冲击速度呈指数增加关系。
【图文】：

1.1 选题背景及意义岩石是一种天然地质体，是岩体的组成部分，内部存在着大量不同尺度的细、微观缺陷，比如节理、裂隙等，，如图1.1所示。在荷载和外界环境的循环作用下，这些缺陷扩展、汇合形成节理，节理的存在使得岩体具有不连续性、非均匀性和各向异性，同时，也极大的影响着应力波在岩石中的传播规律，比如，传播到节理面处的应力波会发生透射与反射，传播速度的变化以及波振幅的衰减，从而导致应力波能量的衰减。总之，节理对岩体在静力和动力荷载作用下的力学行为起主导作用。在采矿、公路、水利水电、石油等项目中，节理岩体作为边坡、硐室工程中最重要的介质，在外荷载下的破坏模式、强度和变形特性等特征，将直接影响工程的设计和施工。图1.1 天然岩体Fig.1.1 Natural rock岩石节理的存在造成了岩体的不连续和不均匀

山体滑坡,事故

图 1.2 山体滑坡事故Fig.1.2 A landslide accident决岩体工程中的相关问题时，必须加强对节理影质的研究方法和分析手段，在岩石工程力学中也的研究文献及成果已经不少，如 Indraratna, B[1, 2夏才初[7]等，针对节理裂隙的粗糙度、形态、壁究，并给出了各分形表达式。节理岩体力学性质见，盛谦等[8]针对三峡工程船闸区典型地段的节学参数的结构效应；白明洲等[9]应用分形理论系统厂房不同工程部位的围岩变形特征；李同录等[1选取节理岩体力学参数，为浙江三门核电站边坡合[11]、陈运平[12]、刘刚[13]、王谦源[14]、李宏哲[1理论计算、试验模拟等手段研究了岩石节理的相中，为边坡或硐室的变形和稳定性分析提供指导探究岩石节理特性对岩土工程影响，而实际工程
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU452

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