多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究

2023-11-13许光义李海艳

矿业安全与环保 2023年5期

许光义,李海艳,吴磊,张凯

(1.河北政法职业学院建筑工程与法务系,河北石家庄 050051; 2.石家庄铁道大学工程力学系,河北石家庄 050043;3.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044; 4.天津大学土木工程系,天津 300072)

在矿山开采过程中钻爆法应用范围非常广泛。在钻爆开挖过程中,周围岩体会受到爆炸冲击荷载的反复作用,导致岩体结构发生损伤,给工程带来安全隐患[1-3]。同时,在工程现场岩体也受到多种不同形式荷载的反复作用,岩体内部损伤不断累积直至发生破坏。因此,研究循环动载作用下岩体力学性质变化规律对更好地控制岩体工程的安全稳定性具有重要意义[4]。

国内外学者利用霍普金森压杆装置对多种脆性岩石在循环荷载作用下的力学性质变化规律进行了大量研究。朱晶晶等[5]研究发现,花岗岩在循环冲击作用下岩体峰值应力、弹性模量均随循环冲击次数的增加而减小;李地元等[6]采用声发射系统对花岗岩样在循环冲击荷载下的累积损伤特性进行研究,发现岩体损伤程度随着冲击次数的增多而增大;戴兵等[7]对含孔岩体在循环荷载作用下的损伤特性进行研究,结果表明岩体损伤度与冲击次数及应变率相关;金解放等[8]在对砂岩进行循环冲击过程中发现岩体内部损伤随冲击次数的增加而增大,从而降低其本身抵抗外荷载作用的能力;潘博等[9]对千枚岩在循环动荷载作用下的动态力学响应进行研究,发现岩体峰值应力随循环次数的增加而降低,峰值应变不断增大;唐礼忠等[10]对矽卡岩样进行一维静载及循环冲击共同作用下的加载试验,结果表明随着循环冲击次数的增加,岩体峰值应力及变形模量减小,峰值应变增大,不同轴压下岩体单位体积耗散能随循环冲击次数的增加变化规律不同;许金余等[11]利用围压装置对砂岩、片岩及闪岩进行循环冲击试验,结果表明循环冲击荷载作用下岩体弹性模量降低,并以弹性模量变化情况表征岩体损伤程度。目前对于矿山岩石在循环冲击荷载作用下力学性能的变化规律取得一些研究成果,但对于能量耗散变化规律鲜有涉及,而岩体损伤破坏的实质是能量吸收、转化与释放的过程,通过能量耗散分析更能从本质上解释岩体变形破坏的全过程[12]。

为进一步研究石灰岩在不同应变率及多次冲击荷载作用下其损伤程度和能量耗散变化规律,以淮南矿区石灰岩为研究对象,利用霍普金森压杆试验装置对石灰岩试件开展不同应变率下的多次单轴冲击压缩试验,采用超声波分析仪测量加载作用后岩样纵波波速,分析岩体纵波波速、损伤程度、峰值应力、能量耗散与应变率及冲击次数之间的关系,以期为矿山开采过程中岩体的安全稳定性提供试验依据。

1 试件制备及试验方法

1.1 试件制备

石灰岩试件取自安徽省淮南市潘集矿,埋深为755 m。试件选自同一岩层,且垂直于节理面,岩块表面完整无裂纹。对岩样成分进行X射线衍射(XRD)分析,结果如图1所示。岩样中主要包含石英(A)、高岭石(K)和长石(Q),还包含少量的方解石和蒙脱石。

图1 石灰岩XRD曲线

根据国际岩石力学学会要求,将采集的石灰岩原岩经取心、切割、打磨加工成直径为50 mm、高度为25 mm的标准试件,试件两端不平整度在0.02 mm内。试件制备完成后测量其纵波波速,剔除离散性较大的岩样[13],石灰岩试件的静态物理力学参数如表1所示。

表1 石灰岩静态物理力学参数

1.2 试验装置与原理

选用NN-4B非金属超声检测分析仪,测量石灰岩在多次冲击荷载下的纵波传播速度。研究表明,声波波速是反映工程材料物理力学性能的重要指标,岩石材料所含矿物成分、节理、裂隙各不相同,对岩体本身纵波波速存在影响[14]。为对岩体的损伤程度进行定量描述,由损伤力学理论可将超声波波速定义为损伤变量[15],试件在多次冲击荷载下损伤表达计算式如下:

(1)

式中:D为超声波波速的损伤因子,无量纲;v为试块受到撞击后超声波速,m/s;v0为初始超声波速,m/s。

动态冲击单轴压缩试验装置为直径50 mm的SHPB系统,装置中子弹、入射杆、透射杆和吸收杆均为合金钢材,其密度为7 850 kg/m3,弹性模量为210 GPa,纵波波速为5 190 m/s;子弹、入射杆、透射杆长度分别为0.6、2.4、1.2 m。入射杆与透射杆上贴有2组型号为BX120-3AA电阻应变片来接收应力波,其电阻值为(120±0.1) Ω,灵敏度系数为2.08%±0.1%。借助超动态应变仪和示波器采集数据,在入射杆端部放置一黄铜片对波形进行修正[15],试验装置结构如图2所示。此次冲击试验仅为单轴压缩试验,未对试件施加围压。

图2 SHPB系统结构示意图

采用三波法对收集数据进行处理[16],求得试验所得应变率、应变与应力,其计算公式如下:

(2)

应力波在岩体内部传播过程中存在着明显的梯度现象,即波沿传播方向逐渐衰减,当波首次到达试件末端时两端存在明显应力差,应力波在试件内部发生多次反射后,试件两端应力差会逐渐减小直至基本消失,此时试件两端达到应力平衡状态[17]。为保证冲击试验数据的有效性,需对每一次冲击数据进行应力平衡检测,应力平衡曲线如图3所示。入射应力与反射应力波之和基本等于透射应力,表明试件能够达到应力平衡条件。

图3 应力平衡曲线

根据一维弹性波理论可求得试件的入射能、反射能、透射能、耗散能,相关计算公式如下:

(3)

Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t)

(4)

式中:Wi为入射能;Wr为反射能;Wt为透射能;Ws为耗散能。

根据试件的耗散能,定义试件的能量耗散率和破碎耗能密度,其计算公式如下[18]:

(5)

(6)

式中:ωd为能量耗散率,无量纲;εd为破碎耗能密度,J/cm3;V为试件体积,cm3。

1.3 试验方案

由于石灰岩本身硬度一般19],且SHPB系统中未对石灰岩施加围压,为保证循环荷载作用下试件仍能保持自身完整性,试验前先对石灰岩样进行试冲,最终选取0.25、0.35、0.40 MPa共3种冲击气压以获取不同的应变率。试验过程中将岩样置于入射杆与透射杆之间并涂抹适量的凡士林以减小端面的摩擦效应,对试件进行多次冲击作用直至岩体无法保持自身完整性进而发生破坏,且每进行一次冲击试验后对试件纵波波速进行测量。

2 试验结果与分析

2.1 多次冲击荷载作用下岩体损伤程度

选用不同冲击气压对试件进行多次冲击试验直至不能维持其本身完整性而发生破坏。每次冲击试验前对岩样纵波波速进行测量,其纵波波速变化规律如表2所示,损伤因子D随冲击次数n的变化规律如图4所示。

表2 多次冲击作用下石灰岩试件纵波波速

由表2、图4可知,随着冲击次数增加岩体纵波波速不断降低,损伤因子不断增大,两者之间呈现良好的指数关系。与未冲击试件相比,0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用前纵波波速分别降低了4.65%、11.20%、23.30%,降幅逐渐增大,岩体损伤程度增幅加大;0.25、0.35、0.40 MPa冲击气压第2次冲击作用前岩体纵波波速分别降低了2.08%、2.82%、4.65%,冲击气压越大岩体纵波波速降幅越明显。岩体内部存在大量原生裂纹孔隙,在冲击荷载作用下原生裂隙会发生扩展并伴有新生裂隙的产生[20],形成薄弱结构面。超声波在试件内部缺陷处及分界处发生各种反射、折射、透射与绕射,宏观上表现为弹性波传播路径变长、波速显著降低[21],随着冲击次数的增多及冲击气压的增大,岩体内部损伤量不断累积,裂隙不断增多且发生扩展,损伤程度不断增大,直至裂隙贯穿于整个试件,试件无法维持其本身完整性从而发生破坏。

图4 不同冲击次数下岩体损伤因子

2.2 岩体力学特性变化规律

对应变片采集的相关数据进行处理,得到多次冲击荷载作用下试件应变率、峰值应力、入射能、耗散能及破碎耗能密度等,试验结果见表3。试件所受平均应变率与冲击次数之间的关系如图5所示。

图5 平均应变率与冲击次数之间的关系

由表3、图5可知,随着冲击气压的增大,相同冲击次数下岩体应变率越大;相同冲击气压下随着冲击次数的增多,应变率随之增大。根据一维应力波传播规律[17]可知,由于试件与杆件两者间波阻抗不匹配,波在入射杆传至石灰岩接触面时会产生反射波及透射波,杆件与试件间的波阻抗比值越大,由透射杆处应变片所接收的透射波信号值越小,入射杆应变片处所接收的反射波信号值越大,岩体所获取的平均应变率值可根据反射波信号求出。结合表1、表2可知,在多次冲击作用下由于岩体本身损伤量不断累积,纵波波速随之降低,与压杆间的波阻抗比值增大,在相同冲击气压下入射波大小相近,随着冲击次数的增加,入射杆应变片所接收的反射波信号增大,试件所获取的平均应变率随之增大。

0.35 MPa冲击气压、多次冲击荷载作用下石灰岩试件应力—应变曲线如图6所示。

图6 0.35 MPa气压时不同冲击次数下试件峰值应力

由图6可知,随着冲击次数的增加,试件峰值应力随之降低,应变增大,前3次冲击荷载作用下岩体应力、应变变化幅值较小,第4次冲击荷载作用下岩体应力、应变变化幅度更加显著。这是由于在冲击荷载下岩体内部裂隙会发生扩展,并产生大量新生裂纹,随着冲击次数的增多岩体内部损伤量在不断累积,在第4次冲击荷载作用时岩体此时损伤量已达到岩体破坏临界值,在发生破坏过程中应力得到释放且应变量显著增大,其应力应变曲线变化幅度较大。

为进一步分析不同冲击气压及不同冲击次数下石灰岩试件峰值应力变化规律,对相关数据进行处理,不同冲击气压下试件峰值应力与冲击次数之间的关系如图7所示。

图7 不同冲击气压下峰值应力与冲击次数之间的关系

由图7可知,随着冲击气压的增大,岩体破坏时所需要冲击次数减少,0.25 MPa冲击气压作用下岩体破碎需要6次,而0.35、0.40 MPa冲击气压作用时只需要4次,冲击气压越大,岩体到达破坏时损伤临界值所需要的次数越少,且0.25、0.35、0.40 MPa冲击气压第2次冲击作用下岩体应力降幅分别为2.76%、2.25%、6.23%,高气压作用下岩体损伤量更大,应力降低幅值更加明显。随着冲击气压的增大,岩体峰值应力降幅显著增加,0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用下峰值应力降幅分别为6.23%、14.00%、25.92%,说明后期冲击作用对岩体破坏程度更高。

2.3 能量耗散分析

石灰岩在动载作用下损伤破坏过程可被看作是不同形式的能量相互转化的结果,材料在不同时刻的应力应变状态都对应着相应能量状态,在对能量的分析过程中可避免分析复杂的变形过程,更有利于从岩石材料破坏本质上进行研究[22]。试件在0.40 MPa冲击气压第1次作用下能量时程曲线如图8所示。

图8 0.40 MPa气压第1次冲击下试件能量时程曲线

由图8可知,冲击荷载作用下石灰岩试件各能量均随时间的延长而增大,且增大趋势相同。试件在冲击荷载作用下能量变化可大致分为3个阶段:0～50 μs内各能量增长不明显,一方面应力波在此阶段处于上升沿,还未达到应力平衡状态,应力波对岩体作用较小,另一方面岩体内部存在大量原生裂隙,试件在此阶段下内部裂隙被压密且能量以弹性能的方式被储存,岩体能量变化不明显;50～200 μs内各能量稳步上升,反射能低于透射能与吸收能,此阶段应力波在入射杆、试件、透射杆间发生多次透反射,岩体吸收大量能量用于岩体本身的塑性变形,其内部原生裂纹扩展并产生大量新生裂隙,试件内部损伤量增加[23];200 μs以后应力波对岩体的作用效果结束,各能量不再增加并趋于一个定值。

不同冲击气压下石灰岩试件破碎耗能密度与冲击次数之间的关系如图9所示。

图9 不同冲击气压下破碎耗能密度与冲击次数之间的关系

由图9可知,相同冲击次数时冲击气压越大岩体破碎耗能密度越大,应变率越大,岩体损伤程度越高,耗能效果越明显。相同冲击气压下试件单位体积破碎耗能密度随冲击次数增加而增大,两者之间呈现良好的二次函数关系,0.40 MPa冲击气压第2、3、4次冲击作用下岩体耗能密度是第1次的1.06、1.38、1.78倍,说明在多次冲击荷载作用时后期的荷载作用对岩体破坏程度更高。这是由于在首次冲击荷载作用下岩体会先沿薄弱结构面破坏,裂隙数量增多且宽度增大并产生新的薄弱面,在后续冲击荷载作用下岩体会在原生及新生薄弱面进一步破坏,薄弱面的产生会促进岩体进一步损伤,其耗散能也会随之增加,在岩体发生破坏的冲击作用时岩体耗能密度大幅增高,岩体无法保持整体性而发生破碎,在此破碎过程中裂纹的新生与扩展所消耗能量最大。