唐禮忠，陳 源，王 春，劉 濤，韋永恒，鄧麗凡

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高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下巖石的動(dòng)力學(xué)特性

唐禮忠，陳 源，王 春，劉 濤，韋永恒，鄧麗凡

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

利用改進(jìn)的巖石動(dòng)靜組合加載SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，開展矽卡巖在不同靜力軸壓水平上以不同卸載速率的卸載過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，研究矽卡巖在高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下的動(dòng)力學(xué)特性，重點(diǎn)討論靜力軸壓大小和卸載速率對(duì)巖石受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)卸載軸壓一定時(shí)，累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載速率成線性正相關(guān)關(guān)系；而當(dāng)卸載速率一定時(shí)，累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)與軸壓成線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著軸壓卸載速率的增大，當(dāng)卸載軸壓較小時(shí)，動(dòng)態(tài)變形模量先增大后減?。欢?dāng)軸壓較大時(shí)，動(dòng)態(tài)變形模量持續(xù)減??；巖石動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，但隨卸載速率的增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與擾動(dòng)沖擊次數(shù)關(guān)系逐漸過(guò)度為線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；最大動(dòng)態(tài)應(yīng)變與擾動(dòng)沖擊次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

巖石力學(xué)；動(dòng)靜組合加載；高靜應(yīng)力；軸壓卸載速率；動(dòng)力學(xué)特性；頻繁動(dòng)力擾動(dòng)

隨著資源開采逐漸向深部發(fā)展，開采深度不斷增加，深部圍巖的賦存環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，特別是深部巖體處于“三高一擾動(dòng)”的力學(xué)環(huán)境下，各種巖石力學(xué)問(wèn)題不同于淺部，例如深井巖爆、分區(qū)破裂化現(xiàn)象等，因此研究深部巖體的力學(xué)性質(zhì)已成為巖石力學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題[1?2]。

隨著開采活動(dòng)的不斷進(jìn)行，深部巖體的應(yīng)力狀態(tài)也在不斷變化，巖體處于加載和卸載的復(fù)雜過(guò)程中，部分圍巖應(yīng)力集中而增高，而其他圍巖則應(yīng)力釋放而下降，部分原因是由于巖體開挖后其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)由三維變?yōu)槎S甚至一維應(yīng)力狀態(tài)，在某些方位如巷道切向或礦柱軸向上的應(yīng)力增大，而在其他方位如巷道徑向或礦柱橫向上的應(yīng)力下降；部分原因是受到附近巖體的開采引起的應(yīng)力重分布影響；另一方面，巖體破壞使其承載能力降低從而使其內(nèi)部的應(yīng)力釋放而使應(yīng)力下降。在這種加載和卸載過(guò)程中，巖體可能受到礦山爆破的動(dòng)力作用，特別是在具有多采場(chǎng)回采的大規(guī)模開采礦山，巖體受到其他采場(chǎng)爆破波產(chǎn)生的頻繁動(dòng)力擾動(dòng)。因此，巖體在卸載過(guò)程中受到頻繁動(dòng)力擾動(dòng)是礦山巖體的一種常見的受力狀態(tài)，在這種受力狀態(tài)下的巖體必然具有對(duì)應(yīng)的變形和破壞特征，這可能是礦山巖體破壞程度隨時(shí)間和開采活動(dòng)的進(jìn)行而逐漸加重的一個(gè)重要原因。

目前，巖石力學(xué)界已將巖體在靜應(yīng)力和動(dòng)力共同作用下的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題作為動(dòng)靜組合問(wèn)題開展了大量研究，針對(duì)巖石卸載力學(xué)性質(zhì)以及巖體受動(dòng)力沖擊擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究已見于大量文獻(xiàn)。比如，研究人員[3?8]利用伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石進(jìn)行卸荷研究，通過(guò)施加不同的軸壓和圍壓水平、不同的卸載速率和卸載量來(lái)改變卸荷條件，分析卸荷條件下巖石的變形和破壞特征；殷志強(qiáng)等[9?10]和葉洲元等[11]基于改進(jìn)的SHPB動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)砂巖在圍壓卸載之后進(jìn)行的動(dòng)力擾動(dòng)沖擊，改變不同圍壓卸載速率，分析卸荷巖石力學(xué)特性，研究圍壓卸載速率對(duì)巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及損傷的影響。在頻繁動(dòng)力擾動(dòng)沖擊方面，金解放等[12?13]研究了在三維靜載與循環(huán)沖擊組合作用下軸壓與圍壓對(duì)砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響和循環(huán)沖擊載荷作用下破壞模式和機(jī)理等；唐禮忠等[14?15]針對(duì)一定軸壓條件，研究矽卡巖在高靜應(yīng)力和頻繁動(dòng)力擾動(dòng)共同作用下變形特征、能量規(guī)律和破壞模式等。上述研究主要是巖石在準(zhǔn)靜態(tài)下的卸荷試驗(yàn)或者基于動(dòng)靜組合加載系統(tǒng)只進(jìn)行一次沖擊作用的卸載試驗(yàn)，研究巖石在卸載條件下的變形特性、破壞過(guò)程及特征，并且在頻繁動(dòng)力擾動(dòng)試驗(yàn)中未考慮到卸載情況下巖石的動(dòng)力學(xué)特性，而針對(duì)綜合考慮巖石高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和破壞特征的研究卻較少見報(bào)道。

為研究高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下的動(dòng)力學(xué)特性，本文作者采用SHPB動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)，在本研究組前期研究[14?15]的基礎(chǔ)上，對(duì)采自冬瓜山銅礦礦井下的矽卡巖進(jìn)行高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)試驗(yàn)。研究結(jié)果可以豐富和發(fā)展深部巖體力學(xué)理論，并可為冬瓜山銅礦開采的圍巖穩(wěn)定性控制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)中選用基于SHPB裝置的一維動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)[16?18]，如圖1所示。軸壓加載裝置產(chǎn)生軸向靜載，沖頭撞擊彈性桿產(chǎn)生應(yīng)力波對(duì)試樣施加動(dòng)載。采用試樣與桿等徑加載方式進(jìn)行沖擊，加載波為恒應(yīng)變率加載的半正弦波應(yīng)力脈沖[17]。該試驗(yàn)系統(tǒng)可以測(cè)定巖石在0~1×103s?1應(yīng)變率段的動(dòng)態(tài)特性，可以施加0~200 MPa的軸向靜壓和0~500 MPa的沖擊動(dòng)載，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜組合加載。入射桿和透射桿的長(zhǎng)度為2和1.5 m，桿直徑均為50 mm，材料為40Cr合金鋼，密度為7.810 g/cm3，彈性模量為240 GPa，其彈性波速為5447 m/s。采用DL?750型示波器和CS?1D型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀分別作為采集數(shù)據(jù)和顯示設(shè)備。通過(guò)軸壓裝置與其相連的手動(dòng)油壓泵實(shí)現(xiàn)軸壓加卸載。在軸壓加載裝置處設(shè)有液壓閥門，閥門開閉大小可通過(guò)手動(dòng)控制，控制軸壓卸載速率。

圖1 基于SHPB裝置的一維動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

SHPB裝置由沖頭、入射桿、透射桿組成，將測(cè)試試樣放置在入射桿和透射桿之間，異形沖頭被高壓氮?dú)鉀_出，作用在入射桿端，產(chǎn)生應(yīng)力波脈沖，在和試樣接觸后分別在入射桿和透射桿中產(chǎn)生反射應(yīng)力脈沖和透射應(yīng)力脈沖。入射波和反射波的應(yīng)變信號(hào)由粘貼在入射桿上的應(yīng)變片測(cè)得，透射波的應(yīng)變信號(hào)由粘貼在入射桿上的應(yīng)變片測(cè)得。根據(jù)一維應(yīng)力波理論，得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變率和應(yīng)變的公式[19]如下所示：

(2)

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的目的是研究高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下巖石的動(dòng)力學(xué)特性。巖石試樣先經(jīng)過(guò)軸壓加載至設(shè)定值，再以一定的卸載速率卸載至預(yù)加軸壓的50%時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)沖擊，循環(huán)進(jìn)行直至試樣破壞。在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置不同的預(yù)加軸壓值和不同的卸載速率，來(lái)探究其對(duì)巖石試樣的動(dòng)態(tài)變形特征和破壞模式的影響。為確定預(yù)加軸向靜壓的大小，利用Instron1346型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定矽卡巖的單軸抗壓強(qiáng)度，得到矽卡巖的平均抗壓強(qiáng)度為126.79 MPa。由于巖石材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻性較大，因而不同巖石試樣強(qiáng)度的離散性較大，為了保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，預(yù)加軸向靜壓的最大值取單軸抗壓強(qiáng)度的75%。

試驗(yàn)方案如表1所列，試驗(yàn)分4個(gè)系列進(jìn)行，每個(gè)系列的預(yù)加軸向靜壓相同，設(shè)計(jì)矽卡巖預(yù)加軸向靜壓分別為65、75、85和95 MPa，對(duì)應(yīng)于矽卡巖單軸抗壓強(qiáng)度的51%、59%、67%和75%。首先，每次沖擊擾動(dòng)前先以相同速率加載至預(yù)設(shè)軸壓值，再分別以0.5、1、1.5和2 MPa/s的卸載速率進(jìn)行軸壓卸載，當(dāng)軸壓卸載到預(yù)加軸壓的50%(分別為32.5、37.5、42.5和47.5 MPa)時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)沖擊。每次沖擊擾動(dòng)后，如果巖樣未完全破壞，調(diào)整軸壓至預(yù)加軸壓值，重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行下次擾動(dòng)沖擊試驗(yàn)，直至巖樣完全破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中保持沖擊氣壓和沖頭到入射桿的距離恒定，沖頭與入射桿的撞擊速度基本恒定，沖擊氣壓均為0.5 MPa，實(shí)現(xiàn)等能量沖擊。手動(dòng)卸載時(shí)為保證數(shù)據(jù)的精度，調(diào)節(jié)液壓閥門的控制卸載速率，并使用秒表對(duì)卸載過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)。同時(shí)為保證卸載過(guò)程與沖擊過(guò)程協(xié)調(diào)一致，當(dāng)軸壓卸載至預(yù)加軸壓的50%時(shí)，負(fù)責(zé)控制沖擊裝置的人員立即進(jìn)行沖擊。

1.3 試樣制備

本試驗(yàn)中巖樣取自冬瓜山銅礦井下900m深度的矽卡巖，選取的巖樣結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度大，表面無(wú)明顯微裂紋。按照巖石力學(xué)試驗(yàn)性能測(cè)試要求加工巖樣。試樣的尺寸為50 mm×50 mm，長(zhǎng)徑比為1:1的圓柱。對(duì)巖樣兩端進(jìn)行仔細(xì)研磨，以保證兩端橫截面的不平行度和不垂直度都小于0.02。表2所列為各組矽卡巖的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)。

表2 矽卡巖試件的參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)中每個(gè)試驗(yàn)巖樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，記錄每個(gè)巖樣的試驗(yàn)累計(jì)沖擊次數(shù)，并繪制動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線(見圖2)。試驗(yàn)組數(shù)比較多只給出當(dāng)軸壓為75 MPa時(shí)，不同軸壓卸載速率條件下矽卡巖的沖擊得到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線，圖2中的數(shù)字表示沖擊次數(shù)。由于沖擊次數(shù)較多，只繪制出近似等間距的擾動(dòng)沖擊次數(shù)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線以更清晰直觀的表示實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果。篇幅所限，未給出當(dāng)卸載速率一定，不同軸壓下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。表3列出試驗(yàn)累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化情況。

亞硝基血紅蛋白色素是以鮮血為原料制成，用于肌紅蛋白含量低的肉制品的著色，如雞肉、豬肉等。馬美湖等[5]將制得的亞硝基血紅蛋白加入到香腸中，實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)品的發(fā)色效果良好、風(fēng)味獨(dú)特、穩(wěn)定持久，亞硝酸根(NO2-)的殘留量?jī)H為1.75 mg/kg。鄭立紅等[6]將亞硝基血紅蛋白添加到香腸、雞肉火腿中，研究發(fā)現(xiàn)該色素的發(fā)色效果優(yōu)于紅曲紅色素，產(chǎn)品中亞硝酸根(NO2-)的殘留量均為痕量水平。

圖2 高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下矽卡巖的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線

表3 試驗(yàn)累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)

圖2所示為高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下矽卡巖的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線。從圖2可以看出，在初始階段動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線近似呈直線變化，未出現(xiàn)下凹曲線，說(shuō)明在預(yù)加軸壓時(shí)，高軸壓使巖石內(nèi)部原有的孔隙和微裂隙閉合，巖石被壓密，同時(shí)也因?yàn)檫x用的矽卡巖結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度大，因而未出現(xiàn)微裂隙壓密階段。動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線大致分為彈性階段、非線性變形階段和破壞階段。從圖2中還可以看出峰后區(qū)未出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，究其原因，本研究為一維動(dòng)靜加卸載試驗(yàn)，巖樣只受軸向的動(dòng)靜載荷，巖石的側(cè)面為自由面，在動(dòng)靜載荷作用下可以發(fā)生徑向變形，高軸壓加載階段儲(chǔ)存的彈性能釋放，同時(shí)高軸壓下加載力大于彈性力，因而巖石未出現(xiàn)回彈，隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，巖石的彈性能釋放也會(huì)轉(zhuǎn)化為巖石破壞的能量，巖石內(nèi)部損傷不可避免地持續(xù)增加，總應(yīng)變不斷增加直至巖石破壞。

2.2 累計(jì)沖擊次數(shù)與軸壓和卸載速率的關(guān)系

圖3所示給出了4個(gè)不同卸載軸壓水平對(duì)應(yīng)的累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載速率的關(guān)系?？梢钥闯觯?dāng)卸載軸壓水平一定時(shí)，累計(jì)動(dòng)力擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載速率近似成線性關(guān)系，卸載速率低，累計(jì)沖擊次數(shù)少，而卸載速率高則累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)多。說(shuō)明不同卸載速率對(duì)巖體卸載過(guò)程中巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響不同，速率較低時(shí)，卸載過(guò)程中巖石得以產(chǎn)生較大的變形，其內(nèi)部裂隙發(fā)展或新生裂隙多些，結(jié)構(gòu)損傷相對(duì)嚴(yán)重些，而當(dāng)卸載速率較大時(shí)，巖石變形較小，其內(nèi)部裂隙發(fā)展和新生裂隙少些，結(jié)構(gòu)損傷相對(duì)較弱。因此，靜力卸載速率對(duì)動(dòng)力擾動(dòng)破壞具有明顯影響。

圖3 累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載速率的關(guān)系

圖4所示給出了4個(gè)不同卸載速率對(duì)應(yīng)的軸壓卸載水平與累計(jì)沖擊次數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)軸壓卸載速率一定時(shí)，隨著軸壓的增大，累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載軸壓近似成反比關(guān)系，軸壓大，則累計(jì)沖擊次數(shù)少；相反地，軸壓小，則累計(jì)沖擊次數(shù)多。這應(yīng)該是在高軸壓條件下，軸壓越高巖石結(jié)構(gòu)損傷大，因而巖石抵抗動(dòng)力沖擊的次數(shù)越少。

圖4 累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)與軸壓的關(guān)系

2.3 動(dòng)態(tài)變形模量特征

采用作者在文獻(xiàn)[15]中描述的方法測(cè)定巖石動(dòng)態(tài)變形模量。如圖5所示，選用割線模量、第二類割線模量[20]和加載段變形模量的加權(quán)平均值為動(dòng)態(tài)變形模量。計(jì)算公式如下:

圖5 動(dòng)態(tài)變形模量確定示意圖

(5)

(7)

式中：1、2、3和d分別為割線模量、第二類割線模量、加載段變形模量和動(dòng)態(tài)變形模量；、分別為峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；、分別為50％峰值應(yīng)力、50％峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；為50％峰值應(yīng)力處切線與軸的夾角。

針對(duì)一定的卸載速率和卸載水平，計(jì)算巖樣受多次動(dòng)力擾動(dòng)直至破壞的動(dòng)態(tài)變形模量的平均值，繪制出4個(gè)靜力卸載水平對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)變形模量與卸載速率關(guān)系曲線，如圖6所示。圖6顯示當(dāng)卸載軸壓水平分別為65、75 MPa時(shí)，隨著軸壓卸載速率的增大，動(dòng)態(tài)變形模量是先增大后減小，如卸載速率分別為0.5、1和1.5 MPa/s對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)變形模量。在巖石軸壓相對(duì)較低時(shí)，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，損傷程度低，但另一方面，巖石卸載速率小則卸載用時(shí)長(zhǎng)，彈性能釋放更多，變形更充分，有利于裂紋擴(kuò)展和新生裂紋，在卸載過(guò)程中產(chǎn)生較大損傷，因而，相對(duì)于較高卸載速率的情況，在動(dòng)力擾動(dòng)過(guò)程中巖石的動(dòng)態(tài)變形模量較小，反之亦然；但是，當(dāng)卸載速率大于某個(gè)臨界值(如圖中1.5 MPa/s)時(shí)，巖石動(dòng)態(tài)變形模量卻隨卸載速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明卸載速率大于某個(gè)臨界值后，卸載速率的增大可能是促進(jìn)或誘導(dǎo)巖石損傷程度的增加，動(dòng)力擾動(dòng)不僅是對(duì)由于卸載導(dǎo)致存在較高損傷程度巖石的動(dòng)力作用，同時(shí)也起到了加速巖石卸載損傷的作用，這兩個(gè)作用使巖石動(dòng)態(tài)變形模量急劇下降。

圖6 動(dòng)態(tài)變形模量隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系

當(dāng)卸載軸壓水平為85 MPa時(shí)，不同卸載速率條件下巖石動(dòng)態(tài)彈模只有輕微波動(dòng)；當(dāng)卸載軸壓水平為95 MPa時(shí)，巖石動(dòng)態(tài)變形模量與軸壓卸載速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明在較高卸載軸壓水平的卸載過(guò)程中，在卸載之前的高靜力加載過(guò)程就產(chǎn)生了較大的損傷，在卸載時(shí)，卸載速率高則其能量釋放快，這種較快能量釋放作用下，其內(nèi)部非穩(wěn)定的裂紋或破裂面更易擴(kuò)展、張開或滑動(dòng)等永久變形，同時(shí)，在動(dòng)力擾動(dòng)作用下只會(huì)加速這種結(jié)構(gòu)損傷和破壞，因而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)變形模量變小。綜上所述，卸載軸壓水平和卸載速率對(duì)巖石動(dòng)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)變形模量具有明顯影響。

2.4 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力特征

圖7所示為預(yù)加軸壓為85 MPa時(shí)，一維高軸壓卸荷過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下矽卡巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系?？梢钥闯觯瑢?duì)于一定的卸載速率，隨著動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)的增加，每次動(dòng)力擾動(dòng)形成的巖石動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，在初始幾次動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)，巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值隨擾動(dòng)次數(shù)增加而增大，之后逐漸變?yōu)殡S擾動(dòng)次數(shù)增加而減??；但隨卸載速率的增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)變化的曲線越來(lái)越平緩，逐漸過(guò)度為近似直線，即隨擾動(dòng)次數(shù)增加動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力直線下降。其原因與2.3節(jié)所認(rèn)為的導(dǎo)致巖石動(dòng)態(tài)變形模量減小是一致的，即卸載速率小，巖石變形更充分，損傷程度更大，從而導(dǎo)致動(dòng)力擾動(dòng)更易使巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值更小且破壞的累計(jì)擾動(dòng)次數(shù)少；在低卸載速率條件下，初期的動(dòng)力擾動(dòng)使巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值增大說(shuō)明這個(gè)階段的動(dòng)力擾動(dòng)可能在巖石內(nèi)產(chǎn)生了對(duì)其結(jié)構(gòu)有利的調(diào)節(jié)。

圖7 不同卸載速率時(shí)動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系

圖8所示為軸壓卸載速率為1 MPa/s時(shí)，不同預(yù)加軸壓條件下動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)變化的關(guān)系。隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)應(yīng)力總體上表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)；隨預(yù)加卸載軸壓的增大，破壞時(shí)的累計(jì)動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)減小。

圖8 不同軸壓時(shí)動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系

2.5 最大應(yīng)變特征

圖9所示為預(yù)加軸壓為75 MPa時(shí)，不同卸載速率矽卡巖在高靜應(yīng)力卸載過(guò)程中頻繁動(dòng)力擾動(dòng)作用下最大應(yīng)變隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系?？梢钥闯?，對(duì)于同一卸載速率條件下，最大應(yīng)變與擾動(dòng)沖擊次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)應(yīng)變逐漸增大，損傷也越來(lái)越大，直至發(fā)生破壞。

圖9 不同卸載速率時(shí)最大應(yīng)變隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化規(guī)律

圖10所示為當(dāng)軸壓卸載速率為0.5 MPa/s時(shí)，巖石在不同軸壓的條件下最大應(yīng)變隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化關(guān)系。圖10顯示，4個(gè)不同等級(jí)的預(yù)加卸載軸壓條件下，隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，最大應(yīng)變都總體上表現(xiàn)出一個(gè)不斷增大的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)加卸載軸壓分別為65、75和85 MPa時(shí)，最大應(yīng)變隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，最大應(yīng)變?cè)龃蟮内厔?shì)大致相同；而當(dāng)預(yù)加軸壓為95 MPa時(shí)，最大應(yīng)變隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化最為急劇。這說(shuō)明當(dāng)預(yù)加軸壓為95 MPa時(shí)，所施加的高軸向靜載對(duì)巖石的損傷破壞明顯增大。

圖10 不同軸壓時(shí)最大應(yīng)變隨擾動(dòng)沖擊次數(shù)的變化規(guī)律

3 結(jié)論

1) 卸載軸壓水平和卸載速率對(duì)巖石在靜力卸載過(guò)程中受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)的累計(jì)動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)具有顯然影響：當(dāng)卸載軸壓水平一定時(shí)，累計(jì)動(dòng)力擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載速率近似成線性正相關(guān)關(guān)系，卸載軸壓水平高時(shí)，隨軸壓卸載速率的增大，累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)增大；而當(dāng)卸載速率一定時(shí)，累計(jì)動(dòng)力擾動(dòng)沖擊次數(shù)與卸載軸壓水平近似成線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著卸載軸壓水平的增大，累計(jì)擾動(dòng)沖擊次數(shù)減小。

2) 卸載軸壓水平和卸載速率對(duì)巖石動(dòng)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)變形模量具有明顯影響：當(dāng)卸載軸壓水平較低時(shí)，隨著軸壓卸載速率的增大，動(dòng)態(tài)變形模量先增大后減小；但當(dāng)卸載軸壓水平較高時(shí)，巖石動(dòng)態(tài)變形模量與卸載速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與卸載和動(dòng)力擾動(dòng)過(guò)程的彈性能釋放和巖石結(jié)構(gòu)損傷演化具有密切關(guān)系。

3) 在一定的卸載速率下，巖石動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，在初始動(dòng)力擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值隨擾動(dòng)次數(shù)增加而增大，之后逐漸變?yōu)殡S擾動(dòng)次數(shù)增加而減小；但隨卸載速率的增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與擾動(dòng)沖擊次數(shù)關(guān)系曲線逐漸過(guò)度為近似直線的負(fù)相關(guān)曲線；隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力總體上表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

4) 在同一卸載速率條件下，最大應(yīng)變與擾動(dòng)沖擊次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；隨著擾動(dòng)沖擊次數(shù)的增加，最大應(yīng)變都總體上表現(xiàn)出一個(gè)不斷增大的趨勢(shì)。

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Dynamic properties of rock disturbed frequently dynamically in process of unloading under high static stress

TANG Li-zhong, CHEN Yuan, WANG Chun, LIU Tao, WEI Yong-heng, DEND Li-fan

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Dynamic experiments on skarn were conducted with a modified one-dimensional coupled static and dynamic loads based on SHPB device, in which rock samples were frequently dynamically disturbed in the process of static unloading with different static unloading rates on different levels of high static axial compression, in order to research the dynamic properties of skarn in the process of high static stress unloading and frequent dynamic disturbance, and focus on the influence of level of axial compression and axial compression unloading rate on the dynamic properties. The results show that there is a positive correlation between accumulated number of dynamic disturbance and axial compression unloading rate when level of unloading axial compression is constant. But when axial compression unloading rate is constant, the accumulated number of dynamic disturbance is negatively related with unloading axial compression. When static axial compression is small, the dynamic deformation modulus firstly increases with the increase of axial compression unloading rate and then it decreases, and when static axial compression is large, the dynamic deformation modulus decreases steadily. The relationship between dynamic peak stress and the dynamic disturbance times is a quadratic function, but with the increase of axial compression unloading rate, it gradually becomes a linear negative correlation. And maximum dynamic strain is positive correlated with the dynamic disturbance times.

rock mechanics; coupled static and dynamic load; high static stress; axial compression unloading rate; frequent dynamic disturbance

Project(51474250) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2015CX005) supported by Innovation-driven Plan in Central South University, China

2016-01-20; Accepted date:2016-06-20

TANG Li-zhong; Tel: +86-13974869836; E-mail: lztang11@csu.edu.cn

1004-0609(2016)-08-1728-09

TU45

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474250)；中南大學(xué)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目資助(2015CX005)

2016-01-20；

2016-06-20

唐禮忠，教授，博士；電話：13974869836；E-mail: lztang11@csu.edu.cn

(編輯 王 超)