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Abstract:Thepresentpaperintroducedtheexperimentalstudyonsoftrock(analogizedwithmortar)underdynamicuniaxialcompressionatthestrainratesfrom10-5to101s-1.Itisindicatedthatthecompressivestrengthofthesoftrockincreasewiththeincreasingstrainrateandtherisingratesarehigherthanthatofsoftrock.TheYoung’smoduliandPoisson’sratioofthesoftrockincreasewiththeincreasingstrainrate,buttherisingratesarelessthanthatofcompressivestrength.Inaddition,basedontheSEMresults,themechanismofthestrainrateeffectofthesoftrockisprimarilyanalyzed.

Keywords:Dynamicuniaxialcompression/softrock/mechanicalproperties

一、前言

巖石材料在動(dòng)載荷作用下的力學(xué)特性是研究爆炸以及地震載荷在巖石結(jié)構(gòu)中傳播與衰減規(guī)律的基本參數(shù)。應(yīng)用動(dòng)載實(shí)驗(yàn)機(jī)等試驗(yàn)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同的巖石特別是硬巖(花崗巖、石灰?guī)r等)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，如文[1-9]的研究工作。這些研究結(jié)果表明，在中等應(yīng)變速率范圍內(nèi)(10-5s-1-101s-1)，硬巖(如花崗巖、石灰?guī)r等)的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加由增加趨勢(shì)，但增加幅度不大，同時(shí)，硬巖的變形參數(shù)如彈性模量、泊松比隨應(yīng)變速率的變化較小。例如，吳綿拔和劉遠(yuǎn)惠[8]對(duì)花崗巖進(jìn)行的中等應(yīng)變速率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率從10-5s-1增加到10-1s-1時(shí)，花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度增加25%，變形模量增加19%，試樣的泊松比基本上與應(yīng)變速率無(wú)關(guān)。Olsson[2]用兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)凝灰?guī)r進(jìn)行的應(yīng)變速率為10-6到103s-1的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率小于76s-1時(shí)，巖石試樣的強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化不大(當(dāng)應(yīng)變速率由10-6增加到101s-1時(shí)，巖石的抗壓強(qiáng)度增加約10％，而當(dāng)應(yīng)變速率大于約76s-1后，巖石試樣的強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加而大幅度增加。Zhao等人[4]對(duì)BukitTimah花崗巖進(jìn)行的動(dòng)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率由10-5增加到101s-1時(shí)，花崗巖的抗壓強(qiáng)度增加約20％，同時(shí)，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的變化影響較小。

值得指出的是，現(xiàn)有的研究工作主要針對(duì)硬巖，很少有涉及到軟巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究工作。因此，本文以砂漿為模擬材料，研究軟巖材料在動(dòng)載荷作用下的強(qiáng)度、變形特性同應(yīng)變速率的關(guān)系。同時(shí)，結(jié)合不同應(yīng)變速率下試樣破裂面的SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步分析了軟巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性機(jī)理。

二、試樣制備與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用試樣為砂漿材料，材料的配合比(重量比)為：水泥：砂：水＝1：1.2：0.44。砂的粒徑范圍為0.5－1.2mm，水泥為普通525#硅酸鹽水泥。試樣制作過(guò)程中，先澆注成大試件，在室溫下養(yǎng)護(hù)至少28天，然后在大試件上用套鉆鉆取，制作成f30´60mm的圓柱體試樣。試樣的兩端磨平(不平行度小于0.02mm)，沒(méi)有宏觀缺陷。

所有實(shí)驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所自行研制的RDT-10000型巖石高壓動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，圖1為該系統(tǒng)的照片，該系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：最大軸力：220kN，試樣尺寸：f30´60，最快加載時(shí)間：8ms；圍壓范圍：0－1000MPa。該設(shè)備的詳細(xì)性能指標(biāo)見(jiàn)文[10]。

圖1RDT-10000型巖石高壓動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Fig.1RDT-10000typerockdynamictriaxialcompressionsystem

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試樣的軸向應(yīng)力由安設(shè)在試樣上部的壓力傳感器測(cè)量，試樣的強(qiáng)度取為試樣破壞時(shí)的最大軸向應(yīng)力。試樣的應(yīng)變速率為試樣軸向破壞應(yīng)變除以加載時(shí)間。試樣的軸向、環(huán)向應(yīng)變、分別由粘貼在試樣中部的應(yīng)變片量測(cè)得到，試樣的體應(yīng)變由軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變計(jì)算由下式得到：

(1)

根據(jù)文[11]，試樣的彈性模量(E)以及泊松比(g)按如下方法確定：

(2)

(3)

代表性應(yīng)力－應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。圖3為是實(shí)驗(yàn)得到的試樣強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律。可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率從10-5s-1增加到101s-1，試樣強(qiáng)度增加60％左右。而對(duì)于硬巖(如花崗巖)，在相同的應(yīng)變速率范圍，試樣強(qiáng)度增加20％左右[4]，因此，軟巖強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加幅度要高于硬巖。

圖2代表性應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.2Typicalstressstraincurves

圖3強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律

Fig.3Changeofcompressivestrengthwithstrainrate

圖4、5為試樣的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律，可以看出，與硬巖(如花崗巖)的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的增加變化幅度不大相比，試樣的彈性模量和泊松比隨著應(yīng)變速率的增加有較明顯的增加趨勢(shì)，但增加幅度要小于強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加幅度，當(dāng)應(yīng)變速率從10-5s-1增加到101s-1，試樣的彈性模量和泊松比增加幅度在20％以內(nèi)。

圖4彈性模量隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律

Fig.4ChangeofYoung’smoduliwithstrainrate

圖5泊松比隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律

Fig.5ChangeofPoisson’sratiowithstrainrate

四、結(jié)論及討論

本文對(duì)軟巖(砂漿模擬材料)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，試樣的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加有較明顯的增加趨勢(shì)，增加幅度大于硬巖(如花崗巖)。同時(shí)，與硬巖(如花崗巖)的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的增加變化幅度不大相比，隨著應(yīng)變速率的增加，軟巖的彈性模量以及泊松比均有增加的趨勢(shì)，但增加幅度小于強(qiáng)度的增加幅度?；趲r石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外研究人員作了大量的工作致力于揭示巖石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性機(jī)理。例如，Grady[7]提出了一種假設(shè)。他認(rèn)為，巖石材料內(nèi)部存在的裂紋的擴(kuò)展和聚合是巖石材料破壞的根本原因，在低應(yīng)變速率下，僅僅那些能在低應(yīng)力水平下被激活的裂紋發(fā)生擴(kuò)展，這些裂紋的擴(kuò)展和聚合使得巖石材料在應(yīng)力水平達(dá)到能使其他裂紋擴(kuò)展之前已經(jīng)發(fā)生破壞,因此巖石材料具有較低的強(qiáng)度；而在高應(yīng)變速率下，在那些在低應(yīng)力水平下被激活的裂紋聚合之前，應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的水平，這時(shí)需要很多裂紋參與擴(kuò)展，消耗外力功，從而導(dǎo)致巖石材料的強(qiáng)度的增加。Grady[7]也認(rèn)為，巖石材料的脆性會(huì)隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

在Grady[7]的工作之后，Masuda[9]等人于1987年發(fā)現(xiàn)花崗巖材料在壓縮載荷作用下的AE(AcousmicEmmision)率隨加載速率的增加而增加。由于材料的AE率是材料破壞過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的直接結(jié)果，Masuda等人[9]的結(jié)果實(shí)際上也表明了在動(dòng)載荷情況下多裂紋參與了材料的破壞。另外，Swan等人[12]對(duì)油頁(yè)巖破壞后的SEM(ScanningElectronicMicroscopy)觀察結(jié)果表明，在低應(yīng)變速率下，巖石試樣的破壞面由大尺寸的裂紋構(gòu)成，而在高應(yīng)變速率下，破裂面由許多細(xì)小的裂紋構(gòu)成，因此，Masuda和Swan的觀察結(jié)果也Grady的假設(shè)相符。

圖6、7為代表性試樣破壞后的式樣破裂面的SEM實(shí)驗(yàn)照片(應(yīng)變速率分別為：10-5s-1和101s-1)，可以看出，隨著應(yīng)變速率的增加，試樣的破碎程度和裂隙發(fā)育程度增加。表明，隨著應(yīng)變速率的增加，更多裂紋參與擴(kuò)展，導(dǎo)致軟巖強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加。因此，在動(dòng)載荷作用下，軟巖的應(yīng)變速率效應(yīng)機(jī)理與硬巖是一致的。

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