弱风化花岗岩的动态力学特性试验研究

邓杰文

（岑溪市计量检定测试所广西石材产品质量监督检验中心，广西 岑溪 543200）

0 引言

岩石动力学近几年来得到了广泛重视，落实动态力学特性试验工作，能够帮助相关人员进一步了解不同岩石的生长状态以及各种性能，为后续的水下爆破、机械挖掘工作提供参考。从另一角度来看，在实际的调查过程中，结合具体的数据参数情况构建形成相应的模型，了解具体的强度准则，进一步丰富岩石动力学内容，明确弱风化花岗岩的实际情况。

1 动态力学特性试验的重要性

岩体的动力特性是岩体在动载作用下的力学性质，在矿山破碎等工程中，如常用的凿岩爆破，不同部位的岩体所受的外力都是具有不同的强度和延时的动载。随着国家经济建设水平不断提高，国防军事、科研领域方面也在不断发展，岩土动力学计算是其中的重要内容。但是岩土动力学过程极为复杂，涉及多方面的问题，想要保证计算结果的稳定准确性，就要对影响因素进行分析，通过动态力学特性试验可以进一步掌握弱风化花岗岩的力学特性，了解冲击荷载作用下弱风化花岗岩的动态抗压强度、弹性模量、应变率情况。因此加强对动态力学特性试验这方面的研究，具有重要意义。在进行岩石动力学计算过程中，动态力学特性试验中的应变率会对诸多工作的可靠性产生影响，通过针对动态力学特性试验内容以及具体机制进行研究。由上可知，岩土动力学计算中主要完成的计算任务就是岩土中波传播情况，而动态力学特性试验在落实过程中，可以了解试样应力－应变曲线、动抗压强度、弹性模量、破坏特征随应变率的变化规律。想要保证弱风化花岗岩相关开采工作、挖掘工作顺利进行，就要对动态力学特性试验具体内容、结果进行分析。霍普金森杆是一种重要的材料动力特性的工具，将压力作用于棒的内部，使其产生应力波，并且通过该应力波的传播，使其产生应力和测量，应力波通过试件时，将引起试件的变形。

2 动态力学特性试验开展流程

想要分析弱风化花岗岩的岩土动力学情况，就要进一步落实开展动态力学特性试验，从而在后续的矿产资源开采、岩石存储工作、水下环境开采中对爆炸载荷特征进行精细化控制。在选择弱风化花岗岩中，为了确保试验数据的准确性，对质地、矿物组分含量进行了充分的调查分析，以此减少外部影响因素，提高最终结果的科学性。综合挑选分析后，最终选择了质地较为均匀的标准化弱风化花岗岩展开试验工作，并且借助经过X 光衍射确定了其中含有的矿物质成分，主要包括石英、长石、云母、方解石，石英含量最多。岩石本就是由不同的晶体矿物构成的，而本次试验选择的弱风化花岗岩是一种完全晶体的、块状的结构。为了进一步确保试验的稳定开展，对样品进行了系统的加工制备处理，将试验样品直径与高度误差控制在允许范围内，以减小试验数据的离散性。不仅如此，为了保证试验数据的对比性，选择了五种不同状态下的弱风化花岗岩，包括：为天然状态、饱水状态以及3 种不同酸性环境中的弱风化花岗岩，通过这种方式，可以为不同的开采、爆破、挖掘环境提供参考。例如，在爆炸中需要使用到一吨的TNT，通过对爆心距某一位置处的压力波形情况，得到压力波形图，从而就可以结合压力波形中的载荷等效曲线，确定外载荷周期，才能够更好开展后续工作。而在动态力学特性试验在开展过程中，旨在通过超声脉冲技术实现对纵波波速的确定，并且确定不同等级气压下冲击试验数据，挖掘其中可能存在的线性关系。

3 动态力学特性试验数据分析

3.1 动态强度

纵波速度对岩体内部的微缺陷的发展十分敏感，因而可以作为一种有效的岩体损伤评估方法。利用具体的试验数据，借助相关试验手段，对天然、饱水和酸性介质中的花岗岩样品进行了试验，在关于动态强度方面得到以下结论。

在进行一次撞击后，在渗透测试结束后，再进行一定程度的持续的撞击，直到达到极限。通过对试件的反复冲击试验，可以看出在适当的松散后，试件的稳定状况。4 个试件在不同的撞击速率下，其动力强度随时间的变化而变化。岩石试件在不同撞击速率下的动压比由曲线可知，在4.00m/s 时，岩石的动力压缩强度是最小的，且随冲击速率的增加而增加。在低撞击速率条件下，试件要进行多次撞击才能到达破坏状态，且随著撞击次数的增加，岩石试件受到的伤害也会随之增加，再加上裂缝的连续穿透和新的裂缝，岩石试件的耐受力会继续下降，最后的动压比也会随之减小。在不同孔隙率下进行的反复撞击试验，得出了随着撞击次数增加，岩石中的峰值应力呈现出由高至低的规律。但在相同撞击速率下，不同的空隙率变化并没有显著的规律性，而在较低的强度下，其内部的孔隙构造是一种非常复杂且不规则的类型，其破裂本质上是由裂缝的生成与扩张所致，且随著撞击次数的增加，其变形也是随机的。在受应力波影响后，弱风化花岗石的内壁发生了破坏，裂缝扩大，孔隙率增大。通过不同撞击速率的试件的空隙率的比较发现，撞击速率为4.00～6.00m/s 时，孔隙率增加迅速，7.00m/s 时降低，而6.00m/s 和7.00m/s的冲击速率下，孔隙增加明显。

3.2 变形特征

在冲击载荷下，天然状态的动态累积损伤在二次撞击后有下降的趋势，而饱和样品则基本保持了累积损伤随着冲击次数的增加而增加的趋势。结果表明：饱和样品的裂缝充满了水，其抗压性能优于空气，在冲击时，由于水的抗压作用阻碍了孔隙的封闭，从而导致了整体的孔隙增加，从而导致了破坏程度的增加。相对于水分，空气的抗压能力要弱于水，因此，在冲击下，试样的孔隙易于闭合，以减少损伤。而与应力波在天然状态试件中的传播相比，它更易于穿过岩体与水的结合面，从而减少了反射和绕射，对孔隙壁的负荷也是有限的。因此，与天然状态样品相比，饱和试样的裂纹更难闭合。在有较大孔隙的情况下，天然状态试样品中的小孔隙在冲击前后基本不变，以大孔隙和中等孔隙为主，而小孔、中等孔隙和大孔隙则基本不变；在中、小孔隙占主导地位的试件，中孔孔隙随冲击次数的增大而逐渐增大，而小孔隙则逐渐减少；饱和试件在一次撞击后，中等孔隙基本消失，以小孔隙为主，在二次撞击后，孔隙仍以小孔隙为主，与首次撞击相比没有明显的改变。总而言之，在风化花岗岩动力破坏过程中，水能减缓其发展。通过对天然状态、饱和试验样品的NMR 图像的比较，发现在一定的冲击载荷作用下，天然状态的孔隙比饱和样品的变化要大得多，这说明在饱和状态下，风化花岗岩样品的动态累积损伤要比天然状态小，从侧面反映出，在相同的破坏程度下，饱和样品的耗能要大得多[1]。

4 动态力学特性试验结论分析

4.1 综合分析

通过动态机械性能试验，对自然，饱水，pH 分别为2、4、6 的弱风化花岗岩进行了动力压缩试验，对其应力－应变曲线、动压强度、弹性模量、破坏特征随应变速率的变化规律进行了分析。在受冲击载荷时，样品的应力－应变曲线与静压曲线的变化规律大致相同，可分为4 个阶段：压密阶段、弹性阶段、应力屈服阶段和卸载阶段，其区别在于，冲击是一刹那的，当应力速率很高时，一些样品的内部裂缝没有完全封闭，直接进入弹性阶段，随着应变率的增大，压密阶段缩短。在冲击加载下，弱风化花岗岩的动态抗压强度和弹性模量都随应变速率的增加而增加，并呈现出显著的应变效应。综合来看，强度和弹性模量比动态抗压强度和弹性模量都要大。在饱水期，弱风化花岗岩样品的纵波速度随酸液的变化而增加，而在酸性溶液中则表现出降低的趋势；另外，水和酸液都会影响试样的动态抗压强度和弹性模量，在应变速率相同的情况下，试样的动抗压强度和弹性模量随着pH 的降低而降低。试样的破裂特性与应变速率、加工条件有关，在应变速率下，花岗岩样品全部破碎，变形速率愈高，破碎愈大，粒径愈小。反之，应变速率低时，试样出现轴向断裂，以拉应力为主，随着应变速率增加，试样的断裂主要受到拉剪力作用的影响。最终出现压碎破坏在同样的应变率下，因酸性溶液H+与矿物发生化学反应，使试样发生软化，压实后破坏程度愈高，试样的粒径愈小[2]。

4.2 影响因子

从以上的研究内容可以看出，应力波的落实效果越好，试验数据的精度越高，爆炸的数量越少，所得到的经验公式、结果也就越准确。应力波当量的影响因素中，最重要的一个因素是爆破缩率，这是由压力波的作用时间和应力波当量的特定关系来确定的。通过对试验数据的分析，发现压力波的作用时间与当量的1/3 次方成正比。由此可以得出，当爆炸当量增大时，所产生的爆炸载荷波长也会相应地增大。例如，当波长中的栅格数量达到16 时，就可以精确地计算出所有的物理量，而当波长越长，栅格的数量就越多，数值就越大。总体而言，在相同的动力性能试验中，随着爆炸当量的增加，数值计算的精度也比较高[3]。

随着撞击速度的增加，入射波及反射波也会增加，但透过波的大小随着试件内部裂缝的增加而增加。在低速冲击时，由于没有足够的能量来产生新的裂缝，从而使试样更致密，使更多的应力波通过岩石而通过，当冲击波的速度增加时，压力波的强度会增加，在一定程度上会产生新的裂缝，从而使样品的孔隙度变得疏松，从而加剧反射、折射和绕射，降低了传输波长。

试件的动态应变随冲击次数和孔隙率的增加而增大，不受含水量影响。另外，饱和试件的变形速率比天然状态试件要大，由于裂缝中的填充物受到水的作用，会发生由固体到塑态再到液体的弱化，从而导致试件整体呈现软化的现象。循环冲击作用下，风化花岗岩的弹性模量随时间推移呈现逐渐降低和先增加再降低的趋势，即充分水试样的抗冲击强度越高，在一定的撞击次数下，弹性模量就会逐渐趋于稳定，而天然状态则没有这种特性，说明在冲击过程中，试件内部裂缝的变化是不同的，而且水的存在也会对试样的弹性模量产生明显的影响。风化后的花岗岩试件的弹性模量随孔隙率的增加而降低，而饱和试件的弹性模量降低得较快，天然状态试件的弹性模量则趋于平稳。由于自然岩石内部裂缝的非规则性，在不同的冲击次数下，各样品的峰值应力值都会随冲击次数的增加而降低。随着孔隙率的增加，试件的应力总体上呈降低趋势，并且有一个临界值，孔隙度低于该值后，应力总体上呈下降趋势，但出现显著的分散性，超过该范围后，应力峰值趋于平稳，并且饱和试件相应的特征值比天然状态试件大[4]。

此外，在动力性能测试中，时间步长系数也有不同程度的差异。要确定时间步长系数，首先要明确时间步长的先后次序，而一般的显式方法则能获得最佳解，而在实践中，最常用的方法是中心差分法。但是，在此基础上，需要对各单元的特征长度进行进一步的界定，并据此求出关键时刻步长，进而得出该单元的特征长度。在这种情况下，如果要解决某些动力性试验数据中的小变形问题，则必须保证该单元的特征长度不变，从而使关键时刻步长不会改变。但在一些特定的条件下，其特征长度也会随之变化，从而影响到关键时刻的步长。在LS-DYNA3D 程序中，单元的特征长度与关键时刻步长呈正相关，因而使用了变步长增量求解方法。另外，在求解有限时间步长的过程中，需要通过动力性能测试数据来求解三维实体单元，在这个过程中，必须确定单元的体积、单元体积、单元最大边的面积等数据。在计算精度方面，时间步长系数对试验结果的影响很大，通过对不同时程系数的计算，得出最优步长系数为0.05[5]。

5 结语

综上所述，通过对岩石动力学计算中动态力学特性试验落实分析后发现，要根据载荷特征以及波传播介质的属性具体确定弱风化花岗岩的具体性能情况，在开展动态力学特性试验的过程中，想要确保数据的准确性，还需要对动态力学特性试验进行细化分析，结合具体数据分析变化规律，了解压力、速度、位移波形等方面参数数据可能会对弱风化花岗岩带来的影响。不仅如此，在动态力学特性试验带动下，弱风化花岗岩机制数据也会更加准确，步长系数、爆心距、应力波当量等因素都会带来不同的结果，由此在实际工程中，可以更加科学地完成试验工作。