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黄金科学技术 ›› 2020, Vol. 28 ›› Issue (6): 868-876.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2020.06.055

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    下一篇

不同损伤程度砂岩相似材料动态力学性能试验研究

王倩倩1,2(),徐颖1,2(),汪海波1,郑强强1,2,倪贤1,2,胡浩2   

  1. 1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001
    2.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001
  • 收稿日期:2020-03-08 修回日期:2020-06-10 出版日期:2020-12-31 发布日期:2021-01-29
  • 通讯作者: 徐颖 E-mail:1937221930@qq.com;yxu@aust.edu.cn
  • 作者简介:王倩倩（1995-），女，安徽六安人，硕士研究生，从事地下工程方面的研究工作。1937221930@qq.com
  • 基金资助:
    安徽省高校自然科学研究重大项目“高应力场岩体爆破破岩机理研究”(KJ2017ZD11);安徽省科技攻关计划项目“矿山爆破安全与灾害控制技术”(1501041123)

Experimental Study on Dynamic Mechanical Properties of Similar Sandstone Materials with Different Damage Degree

Qianqian WANG1,2(),Ying XU1,2(),Haibo WANG1,Qiangqiang ZHENG1,2,Xian NI1,2,Hao HU2   

  1. 1.School of Civil Architecture，Anhui University of Technology，Huainan 232001，Anhui，China
    2.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines，Anhui University of Technology，Huainan 232001，Anhui，China
  • Received:2020-03-08 Revised:2020-06-10 Online:2020-12-31 Published:2021-01-29
  • Contact: Ying XU E-mail:1937221930@qq.com;yxu@aust.edu.cn

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689

摘要：

地下深部复杂环境导致砂岩内部出现无裂损伤区，然而关于矿山深部爆破应力波作用下岩体的破裂与损伤尚未有成熟、系统的理论体系。以水泥砂浆作为砂岩相似材料进行变循环阈值试验得到无裂纹损伤试块，采用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对砂岩相似材料进行动态冲击压缩试验，通过调整冲击气压实现不同应变率条件下的砂岩相似材料冲击压缩，得到不同试验条件下试件的应力、应变和应变率变化关系。试验结果表明：无损和不同程度损伤砂岩的动态应力—应变曲线的形态相似，曲线峰值点随阈值增长出现右下移的现象，且动态压缩强度随损伤程度的加剧而削减，动态冲击损伤在循环阈值达到60%时到达损伤门槛值，与静态分析结果相呼应；峰值应力和峰值应变均存在应变率效应，且动态冲击荷载对试块的耦合效应在低应变率下更为显著，超过破碎应变率就不再发挥作用。

关键词: 损伤岩体, 循环荷载, SHPB压缩试验, 动态应力—应变曲线, 应变率, 应力敏感因子

Abstract:

At present，many researches have been carried out on the static and scientific characteristics of hard rock in deep underground and the dynamic response of intact rock under dynamic impact load.However，the damage and fracture mechanism of the fracture free zone in sandstone under the action of blasting stress wave has not been thoroughly studied.In order to solve the problem of difficult coring of the original rock in the deep part of the coal mine，this paper conducts six cyclic threshold tests on the similar material of sandstone，namely cement mortar，and sets the upper limit of cyclic stress as 20%，40%，60% and 80% of the static strength.One dimensional dynamic impact compression tests were carried out with the impact pressure of 0.4，0.5 and 0.6 MPa respectively.Finally，the relationship of stress，strain and strain rate under dynamic conditions was obtained.Based on the analysis of the dynamic and static strength changes of similar sandstone blocks before and after damage， the dynamic strength is lower than the static strength at the same damage degree.The strain rate does not affect the shape of the curve，but the rise of the cycle threshold causes the peak point of the curve to move to the lower right corner.The relative value of the stress sensitive factor decreased at a different rate before the cycle threshold of 60% and after the cycle threshold of 60%.The test results show that the strength decrease caused by damage under dynamic conditions to be higher than static conditions，which is because of cyclic loading and unloading causes the internal elasticity of the test block to decrease and the shape to increase.After the cycle threshold reaches 60%，the dynamic impact damage reaches the threshold value，which is consistent with the static analysis results.Both peak stress and peak strain have strain rate effect，but the coupling effect of impact load is more significant at low strain rate，and it will no longer work beyond the breaking strain rate.

Key words: damaged rock mass, cyclic loading, SHPB compression test, dynamic stress-strain curve, strain rate, stress sensitive factor

中图分类号: 

  • TU821

图1

SHPB压缩装置示意图"

表1

水泥砂浆静态抗压强度"

试块编号静态强度/MPa平均静态强度/MPa
20%-159.1357.62
20%-252.98
20%-360.75
40%-157.6556.03
40%-254.12
40%-356.34
60%-141.6644.68
60%-245.22
60%-347.18
80%-134.1226.03
80%-221.95
80%-322.01

图2

循环阈值与试块静态强度下降量变化曲线"

表2

SHPB试验结果"

气压/MPa循环加荷峰值/σνˉ/(m·s-1)σcd/MPaε˙/(1·s-1)
0.404.362.4935.32
0.256.4342.36
0.450.0148.15
0.649.5954.64
0.841.7863.52
0.505.764.8134.32
0.258.6045.45
0.452.3849.22
0.650.6455.81
0.841.7367.62
0.606.269.1932.14
0.259.6543.84
0.453.8745.05
0.649.8655.32
0.840.0768.22

图3

不同加载速率下的变阈值动态应力—应变曲线图注：无损表示试块未进行单轴循环加卸载试验处理；20%、40%、60%及80%为进行循环加卸载试验处理的循环阈值"

图4

基于应变率的动态应力及峰值应变拟合曲线"

图5

应力、应变和应变率的时程曲线"

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