岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

东兆星 单仁亮

中国矿业大学(江苏,221008)

[摘　要]　岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。

以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。作者利用SH PB 装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。

结果表明,岩石在冲击载荷作用下破坏分为四种类型:压剪破坏、拉应力破坏、拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。最后对强度理论作了讨论。

[关键词]　岩石　高应变率　破坏模式　强度理论　SH PB 装置

Research on the Fa ilure Pa ttern and Strength Properties of Rock under D ynam ic L oad i ng

Dong Zhaox ing ,Shan R en liang

U n iversity of M in ing and T echno logy of Ch ina (J iangsu ,221008)

[ABSTRA CT ]　T he fialu re pattern s and dynam ic strength theo ry of rock is an i m po rtan t p rob lem in engineering b lasting .T he failu re pattern s of rock w as fo rm erly on ly studied on the bases of static loading and the static strength theo ry w as adop ted .A large amoun t of i m pact test w as carried ou t on fou r k inds of common rock by u sing SH PB .R esu lts show n that the rock failu re under i m pact loading are classified in to fou r pattern s ,i .e .comp ress 2shearing dam age ,ten sile stress dam age ,ex ten sib le strain dam age and un loading dam age ,and the rock dam age strength increases w ith increasing i m pact velocity .F inally ,the strength theo ry of rock are discu ssed .[KEY W ORD S ]　rock ,h igh strain rate ,failu re pattern ,strength theo ry ,SH PB

1　引言

高应变率下岩石的本构特性和强度特性是研究控制爆破机理、岩石破碎机理以及爆炸应力波传播的重要问题,而强度及破坏理论一直是岩土力学与工程界的重要课题。自A ttew ell 用冲击试验研究岩石的破裂以来的

几十年中,国内外很多学者对高应变率下的岩石动态特性进行了大量研究。对于岩石的破坏模式,以往都停留于静载作用的情况,对在动载作用下特别是爆炸冲击载荷作用下岩石的破坏模式研究甚少;这主要是由于实验设备和实验技术的限制。作者利用SH PB 装置对岩石在冲击载荷作用下的破裂类型做了大量试验,得出了一些有益的结论。

对于岩　

石动态强度特性的研究,W .A .

O sson

[1]

进行的试验结果表明,应变率小于某

一临界值时,强度随应变率的增加而缓慢增加;当应变率大于此值时,强度迅速增加。用式子表示为:

Ρf ∝

Ε

0.007

Ε <Ε

3

Ε

0.35

Ε

>Ε

3

(1)

其中Ε・

3为动态与静态发生变化的临界应变率。R .D .Perk in ,S .T .Green ,L ankfo rd 等学

者也都得出过类似的结果[2]。

在国　

内,陆岳屏、寇绍全等在80年代初用SH PB 装置对砂岩、石灰岩等进行了动态破碎应力和杨氏模量的测试[3];于亚伦[4]、李夕兵[5]等也先后利用SH PB 装置对不同类型岩石进行了动态强度试验。在其试验范围内,

・1・2000年2月 岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究　东兆星等

得到了岩石强度近似与Ε13成正比的结论。

现有的岩石强度理论,主要还是采用古典静态强度理论,这显然与岩石在爆炸冲击作用时的情形有很大差异,考虑到岩石在爆炸与冲击作用下其强度理论的复杂性,以及实验设备与实验技术的限制,本文提出了一种简单易行的处理方法,就是仍然采用静态或准静态的强度理论,但对有关常数考虑应变率效应做些综合修正,计算结果表明,这种简易的处理方法是可行的。

2　岩石在动载作用下的破裂类型

研究岩石在动载作用下的破裂类型目前比较困难,这是因为动载荷特别是冲击载荷一般都较高,试件在冲击载荷作用下裂纹的扩展速度远远低于载荷的传递速度,使得岩石试件在完全破坏之前大量的裂纹得以产生并扩展,导致试件在其作用下的破裂程度远远高于静载作用下的破坏,因此难以收集并拼接破坏后的试件。

岩石在静载作用下的破裂类型有很多研究报道。J.C.Jaeger、N.G.W.Cook[6]、陈庆寿[7]、郭志[8]等在此方面做了很多工作。

文献[2]利用SH PB装置对花岗岩和大理岩在冲击载荷作用下的破坏模式进行了大量试验研究,发现了以下四种破坏模式:压剪破坏,拉应力破坏,张应变破坏和卸载破坏。但是,在试验中经常发现上述四种破坏模式很难单独出现,往往都是两种或两种以上的形式同时出现。对于大理岩,压剪破坏和拉应力破坏常常同时发生,但压剪破坏起主导作用;对于花岗岩,同时发生的往往是拉应力破坏、拉应变破坏和卸载破坏三种模式。

为什么岩石在动载作用下特别是冲击载荷作用下会产生如此复杂的破坏模式呢?

(1)由于岩石本身的物理性质决定的,岩石试块内部不可避免地存在各种微结构,微结构发育的地方往往能够控制破裂的发展。

(2)冲击载荷与静载荷不同,它能使岩块在极短的时间内得到很高的能量,而且加载速度高于破裂发展速度,这就使冲击载荷能促使岩石中各个方向各个层次的裂隙发展。

(3)岩石材料的力学性质对岩石试件的冲击破坏模式起着重要作用。强度高、脆性大的岩石一般不会出现压剪破裂;强度低、柔性大的岩石很少出现张应变破裂和卸载破裂。3　岩石动态强度实验结果与分析

作者利用SH PB装置对煤矿常见的四种岩石进行了大量的单轴冲击抗压强度实验。实验装置及由试验得到的每种岩石的动态应力2应变曲线见文献[9]。本文主要研究岩石的力学特性。

由于每次试验中应变率变化很快,难以用确定的数据来衡量一次试验的应变率大小,因此,本文岩样的强度与应变率的关系用它与冲击速度的关系来代替。试验结果见图1～图4。

由试验结果可以看出,不论何种岩石,随着冲击速度(或应变率)的提高,其抗压强度基本上相应增大。但不同的岩石,其增长速度不同。说明岩石的破碎程度主要取决于应变率(或加载速率)和岩石类型(岩石的物理性质)。很多学者通过大量的试验结果均已证明了上述结果的正确性,并且有的学者还给出了破碎强度与应变率的简单关系式。

通过冲击试验可以看出,不同岩石类型对应变率的敏感度不同,文献[7]给出了岩石对冲击速度的敏感性系数K1:

K1=(Ρd-Ρd

) (V-V0)(2)

式中　Ρd

,Ρd——分别表示岩石产生可见裂

隙和强烈破碎时的强度,

M Pa;

V0,V——分别表示与Ρd

和Ρd相对

应的冲击速度,m s-1。 K1值愈大的岩石对冲击速度的变化愈敏感,表示该类岩石采用提高冲击速度来提高其破碎程度是有效的;反之,对于软岩,K1值较小,表明以提高冲击速度的办法来达到改善破碎效果是比较困难的,这一结论符合

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・ 爆　破　器　材　Exp lo sive M aterials 第29卷第1期