多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究.pdf
《多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究.pdf(7页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、扫码阅读下载许光义,李海艳,吴磊,等.多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究J.矿业安全与环保,2023,50(5):63-69.XU Guangyi,LI Haiyan,WU Lei,et al.Study on damage characteristics and mechanical properties of limestone under multiple impact loadsJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(5):63-69.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.05.010
2、多次冲击荷载作用下石灰岩损伤特性与力学性能研究许光义1,李海艳2,吴 磊3,张 凯4(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)摘要:为研究石灰岩在多次冲击荷载作用下的安全性,采用直径为 50 mm 的分离式霍普金森压杆装置对石灰岩试件开展不同应变率及不同冲击次数下的单轴冲击压缩试验,并结合超声波检测装置测量多次冲击荷载作用下岩体纵波波速,分析岩体纵波波速、损伤因子、峰值应力及能量耗散变化规律。结果表明:石灰
3、岩试件纵波波速随冲击次数的增加而降低,波速降幅不断增大,损伤因子随之增大;0.25 MPa 冲击气压作用下试件破碎需要 6 次,0.35、0.40 MPa 冲击气压作用下试件破碎需要 4 次,冲击气压的增大使岩体产生破坏所用冲击次数减少;0.40 MPa 冲击气压第 2、3、4 次冲击作用下试件峰值应力降幅分别为 6.23%、14.00%、25.92%,冲击作用使试件峰值应力降低,且后期冲击作用下试件应力降幅增大;冲击荷载作用下岩体能量时程曲线分为 3 个阶段,岩体破碎耗能密度与冲击次数之间呈现良好的二次线性正相关关系,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
4、 次的 1.06、1.38、1.78 倍,后期冲击作用对岩体的破坏作用更加显著。关键词:石灰岩;多次冲击荷载;纵波波速;损伤因子;峰值应力;能量耗散;破碎耗能密度中图分类号:TD313;TU452 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)05-0063-07收稿日期:2022-05-25;2022-06-23 修订基金项目:国家自然科学基金项目(52078032)作者简介:许光义(1984),男,山东冠县人,硕士,讲师,主 要 从 事 工 程 结 构 力 学 行 为 分 析 研 究。E-mail:Xuguangyi20220525 。Study on damage charac
5、teristics and mechanical properties of limestone under multiple impact loadsXU Guangyi1,LI Haiyan2,WU Lei3,ZHANG Kai4(1.Department of Construction Engineering and Legal Affairs,Hebei Vocational College of Political Science and Law,Shijiazhuang 050051,China;2.Department of Engineering Mechanics,Shiji
6、azhuang Railway University,Shijiazhuang 050043,China;3.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;4.Department of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:In order to study the safety of limestone under multiple impact loads.The split Hopki
7、nson compression bar device with a diameter of 50 mm was used to carry out impact compression tests on the specimens under different strain rates and different impact times.Combined with ultrasonic testing device,the longitudinal wave velocity of rock mass under load was measured.The variation laws
8、of longitudinal wave velocity,damage factor,peak stress and energy dissipation of rock mass were analyzed.The results show that the longitudinal wave velocity of limestone specimen decreases with the increase of impact times,and the decrease of wave velocity is increasing with the increase of damage
9、 factors.It takes 6 times to break the specimen under the action of 0.25 MPa impact pressure,and 4 times to break the specimen under the action of 0.35 MPa and 0.40 MPa impact pressure.The increase of impact pressure reduces the impact times used to damage the rock mass.Under the impact pressure of
10、0.40 MPa,the peak stress of the specimen under the second,third and fourth impact 36第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.5Oct.2023decreases by 6.23%,14.00%and 25.92%respectively.The impact reduces the peak stress of specimen,and the stress of the specimen d
11、ecreases greatly under the later impact.The energy time history of rock mass under impact load is divided into three stages.There is a quadratic linear positive correlation between the energy consumption density of rock mass crushing and the impact times.When the impact pressure is 0.40 MPa,the ener
12、gy consumption density of rock mass under the second,third and fourth impact is 1.06,1.38 and 1.78 times that of the first impact.The damage effect of impact on rock mass in the later stage is more significant.Keywords:limestone;multiple impact loads;longitudinal wave velocity;damage factor;peak str
13、ess;energy consumption;energy consumption density of crushing 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
14、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
15、,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
16、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
17、 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46Vol.50 No.5Oct.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月学参数如表 1 所示。表 1 石灰岩静态物理力学参数密度/(g cm-3)纵波波速/(m s-1)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa2.564 05667.56.6515.71.2 试验装置与原理选用 NN-4B 非金属超声检测分析仪,测
18、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:D=1-v2v20()100%(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 GP
19、a,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(1200.1),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:(t)=c0lsi(t)-r(t)-t(t)(t)=c0lst0i(t)-r(t)-t(t)
20、dt(t)=AE2Asi(t)+r(t)+t(t)(2)式中:(t)为 t 时刻试件应变率,s-1;(t)为 t 时刻试件应变,无量纲;(t)为 t 时刻试件应力,MPa;i(t)、r(t)、t(t)分别为 t 时刻的入射应变、反射应变、透射应变,无量纲;ls为试件厚度,m;c0、E 分别为压杆的纵波波速和弹性模量,m/s、MPa;A、As分别为压杆和试件的横截面积,m2。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
21、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:56第 50 卷 第 5 期2023 年 10 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.5Oct.2023Wi(t)=AEc0 t02i(t)dtWr(t)=AEc0 t02r(t)dtWt(t)=AEc0 t02t(t)dt(3)Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 多次 冲击 荷载 作用 石灰岩 损伤 特性 力学性能 研究