含孔洞岩石在静应力下的循环冲击试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.193

含孔洞岩石在静应力下的循环冲击试验研究

戴兵^,¹^,²^,³, 单启伟¹, 罗鑫尧^,¹, 薛永明¹

1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421000

2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

3.山东黄金集团深井开采实验室，山东莱州 261400

Cyclic Impact Test of Hole-bearing Rock Under Static Stress

DAI Bing^,¹^,²^,³, SHAN Qiwei¹, LUO Xinyao^,¹, XUE Yongming¹

1.School of Resource Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang 421000，Hunan，China

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

3.Deep Gold Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co. ，Ltd. ，Laizhou 261400，Shandong，China

通讯作者: 罗鑫尧（1999-），男，湖南株洲人，本科生，从事矿山深部岩石力学的研究工作。1248329342@qq.com

收稿日期: 2019-12-04 修回日期: 2020-05-21 网络出版日期: 2020-08-27

基金资助:

国家自然科学基金青年基金项目“动应力场与渗流场耦合下卸荷裂隙岩体动态损伤演化机制研究”. 51804163
中国博士后基金面上项目“金属矿深竖井开挖变形破坏机理与能量演化规律研究”. 2018M642678

Received: 2019-12-04 Revised: 2020-05-21 Online: 2020-08-27

作者简介 About authors

戴兵（1986-），男，湖南益阳人，讲师，从事矿山深部岩石力学和多场耦合方面的研究工作daibingusc@usc.edu.cn , E-mail：daibingusc@usc.edu.cn

摘要

为探究地下工程开挖过程中外部荷载对周边围岩多重扰动作用的影响，进一步开展岩石在动静组合作用下的循环冲击试验研究，通过改进式SHPB试验装置研究含横向贯通孔洞花岗岩（φ50 mm×50 mm）在循环冲击荷载下的动态力学特性，采用轴压水平分别为0MPa，0.3σ_f，0.4σ_f，0.5σ_f，0.6σ_f，0.7σ_f进行循环冲击试验（σ_f为单轴平均抗压强度,单位为MPa）。结果表明：在冲击荷载作用下，峰值应力随着冲击荷载作用次数的增加先增大后减小，并随着平均应变率的增大而增大；弹性模量随着冲击次数的增加先增大后降低，在不同轴压水平作用下试件冲击破坏形态均为轴向劈裂破坏模式；随着应变速率增大，破裂面逐渐增多，破碎程度加剧，碎块尺寸减小；应变率较小时，破碎效果不明显，应变率较大时，破碎效果显著。

关键词： 循环冲击荷载 ; 破坏模式 ; 应变率 ; SHPB ; 力学特性 ; 破坏形态

Abstract

Along with the development of underground engineering in recent decades，the underground en-gineering excavation depth and the construction scale is increasing.In the deep-layer rock engineering activities，the researchers observed that deep rocks are subjected to huge in-situ stress in all directions，which has a non-negligible effect on the mechanical properties of the rock.In order to ensure the safety of underground engineering construction，technician must solve the deep strata of rock “high geostress” and so on.With the deepening of underground engineering，due to the different stress conditions of rocks at different depths，there is a difference between the horizontal axial pressure and the surrounding rock pressure under different depths.In addition，the implementation and development of underground engineering activities are often carried out through drilling and blasting methods，explosive blasting，mechanical disturbance，manual excavation，etc.，each time the development of the project will have different degrees of disturbance and damage to the surrounding rock.In this experiment，the improved SHPB test device was used to study the mechanical properties of a complete granite rock specimen with transverse holes under the same axial pressure level and different axial pressure levels.Unequal amplitude cyclic impact tests on rock samples under the combined action of axial compression and impact load was conducted.The research results are of great significance to protect and maintain the stability of surrounding rock around the roadway in the future underground engineering construction.In the impact test，a certain level of axial pressure was applied to each sample in advance，and the axial pressure level was 0 MPa，0.3 σ_f，0.4 σ_f，0.5 σ_f，0.6 σ_f and 0.7 σ_f(σ_fis the uniaxial compressive strength, MPa), respectively.During the implementation of axial pressure，the axial pressure is controlled by a manual oil pump to adjust the axial pressure to achieve a constant axial pressure load.In order to avoid the next impact failure of the samples under different coaxial pressure，a lower pressure of 0.45 MPa was defined in this test through several adjustment tests.Each sample was impacted by the initial pressure once.After the end of one cycle，the pressure of the previous one was increased by 0.05 MPa，until all samples were damaged by impact.Test results show that under different impact load step by step，the peak stress increased with the increase of the number of shock load increases first，then decrease，and increases with the increase of average strain rate.Elastic modulus increase first and then decrease with the increase of impact times performance.Under different axial pressure levels，the impact failure modes of the specimens are all axial splitting failure modes.As the strain rate increases，the fracture surface gradually increases，the degree of fragmentation increases，and the fragment size decreases.When the strain rate is small，the crushing effect is not obvious，and when the strain rate is large，the crushing effect is significant.

Keywords： cyclic impact ; load failure mode ; strain rate ; SHPB ; mechanical characteristics ; failure patterns

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本文引用格式

戴兵, 单启伟, 罗鑫尧, 薛永明. 含孔洞岩石在静应力下的循环冲击试验研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(4): 531-540 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.193

DAI Bing, SHAN Qiwei, LUO Xinyao, XUE Yongming. Cyclic Impact Test of Hole-bearing Rock Under Static Stress[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(4): 531-540 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.193

由于浅地层的资源开采量已经无法满足工业发展的需求，各国矿产资源开采不断向深部挺进，地下工程开挖深度和施工规模不断加大。在深地层施工过程中，研究人员观察到深部岩石与传统岩石的受力状态存在较大的差异，深部岩石各个方向均承受巨大的地应力，浅地层岩石力学准则不再完全适用于深部岩石。与此同时，地下巷道的掘进往往采用钻爆法、机械开挖等方式交替进行，开挖过程中难免会对开挖面周边的围岩造成多次动力扰动，使得扰动后的围岩力学特性发生改变，对工作人员的生命与财产安全造成一定威胁。因此，为了确保地下工程的安全施工，施工技术人员必须解决深地层岩石的“高地应力、多重扰动”等问题。

在岩石动态力学特性、破坏模式和破碎形态等方面，学者们已取得丰硕的研究成果。朱晶晶等^[1]在单轴循环荷载下对花岗岩试件进行冲击试验，研究发现，随着冲击荷载作用次数的不断增加，试件的变形模量不断减小，峰值应力呈降低趋势。刘新宇等^[2-3]对花岗岩残积土开展了不同冲击频率（3~15 Hz）和振幅（100~400 kPa）影响下的循环冲击试验，结果表明：振幅与频率超过某一临界值会引起土体强度迅速衰减。付安琪等^[4]开展了固定气压下的循环冲击损伤试验，结果表明：随着循环冲击次数的增加，内部临界裂纹在试件内部不断萌生并扩展，其动态峰值应力和弹性模量在等能量冲击下均有所降低。王彤等^[5-6]对风化红砂岩进行了不同轴压和冲击荷载下的循环冲击试验，结果表明：当轴压一定时，动态压缩强度随着平均应变率的增大而逐渐减小。章航等^[7]对3种不同高径比的花岗岩试样开展了循环冲击试验，结果表明：随着高径比的增加，试样峰值应变整体减小。许金余等^[8]在不同围压和冲击荷载循环作用下，对3种不同岩性岩石的动态力学特性进行试验研究，通过理论分析给出了岩石损伤程度的判定准则，定义使用累积比能量吸收参量来表征岩石冲击损伤在不同围压条件下的能量特性。上述研究均是基于完整岩体，然而岩体的失稳和破裂往往最先出现在岩石缺陷处与孔洞周边，裂纹在初始孔洞、缺陷处的萌生、发展和贯通是导致岩石破坏的主要原因，目前对含缺陷岩石在动荷载作用下的研究鲜有报道。朱泉企等^[9]和李地元等^[10]分别对预制裂隙和含有孔洞的层状砂岩与大理岩进行冲击试验，分析了裂隙倾角和孔洞形状、尺寸对动态抗压强度的影响规律。李夕兵等^[11]采用核磁共振（NMR）技术对含有不同形状孔洞的花岗岩进行试验，获得了弛豫时间T₂谱曲线、核磁孔隙度和核磁共振图像等特性参数。综上可知，以往有关含孔洞岩石的动态特性研究主要是针对预制动荷载垂直方向的横向孔洞的单次冲击和等幅循环冲击，对动静组合下不等幅循环冲击荷载的研究相对不足。然而现实情况下，岩石往往是在多次、不同荷载大小作用下发生失稳破坏的，国内外学者在此方面的研究成果相对较少。

本文以含横向孔洞的花岗岩为研究对象，使用改进的 SHPB试验装置，对其进行不同轴压和冲击荷载共同作用下的循环冲击试验，为研究花岗岩地基抵抗外部荷载能力以及在地下工程开挖过程中围岩的稳定性等提供理论参考。

1 室内试验

1.1 花岗岩试样制作

试验选用规格为φ50 mm×50 mm（直径×高）的含有孔径为10 mm横向贯通孔的花岗岩圆柱体作为试样，如图1所示。试样两端面平行度不大于 ±0.02 mm，平均直径为49.18 mm，高为50.01 mm，质量为238.35 g，孔径为9.41 mm，密度为2.61 $g / c m^{3}$ ，弹性模量为24.599 GPa，平均单轴抗压强度σ_f为69.4155 MPa。

图1

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图1 加工好的花岗岩试样

Fig.1 Processed granite sample

1.2 试验装置与试验方法

（1）试验装置与原理。试验设备为50 mm杆径的霍普金森压杆（SHPB）装置，如图2所示。SHPB试验装置的纺锤形子弹冲头、冲击入射杆和透射杆均采用40Cr合金钢制成，冲击杆的纵波波速为5 410 m/s，弹性模量为240 GPa。入射杆与透射杆上贴有2组应变片，借助CS-1D超动态应变仪和DL-750示波器对杆的变形情况进行数据采集与显示。发射腔内采用纺锤形子弹冲头，可以有效消除波形弥散震荡，有利于实现冲击过程中一维应力波传递及应力平衡^[12]，实现半正弦波加载，以此达到恒应变率加载的目的。

图2

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图2 冲击试验装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of impact test equipment

纺锤形子弹冲头在冲击气压的作用下，以一定的速度撞击入射杆，产生入射应力波，该应力波被入射杆应变片收集转换为入射信号。这些信号一部分通过试样时被吸收转化为能量，另一部分被透射杆上应变片收集转换为透射信号，还有一部分反射回来被入射杆应变片收集转换为反射信号。采用“三波法”^[13]对采集到的应变信号进行处理。由于试样的厚度很小，引入应力均匀性可得入射杆和透射杆中的应变关系 $ε_{I} (t) + ε_{R} (t) = ε_{T} (t)$ ，即可得到相应应变率下试样应力—应变关系，通过“二波法”^[14]表示如下：

σ (t) = \frac{A_{e} E_{e}}{A_{s}} ε_{T} (t)

（1）

\dot{ε} = \frac{- C_{e}}{L_{s}} ε_{R} (t)

（2）

ε = \frac{- 2 C_{e}}{L_{s}} \int_{0}^{t} ε_{R} (t) d t

（3）

式中：A_e、C_e和E_e分别为弹性杆的横截面积、纵波波速和杨氏模量；A_s和L_s分别为试件的横截面积和长度； $ε_{I} (t) 、 ε_{R} (t)$ 和 $ε_{T} (t)$ 分别为入射波、反射波和透射波。

（2）试验方法。为了研究含横向孔洞花岗岩在轴压作用下的循环冲击荷载力学特性，对本次花岗岩试样进行多次不等幅循环冲击试验。每个试样在冲击试验中预先施加一定水平的轴压，且选取的轴压水平不同，分别为0 MPa，0.3σ_f，0.4σ_f，0.5σ_f，0.6σ_f，0.7σ_f（σ_f=69.4155 MPa）。在轴压实施过程中，通过手动油泵控制轴压加载装置调整轴压，以实现恒定轴压荷载。为避免试样在不同轴压作用下一次冲坏，通过多次试验调整，定义一个初始气压为0.45 MPa，每个试样在1次初始气压冲击作用结束后，在前一次气压的基础上增加0.05 MPa，直至所有试样冲击破坏。

冲击试验步骤：①在试验开始之前，首先对冲击试验装置进行无轴压无试件冲击，以检验弹性杆对接的完好性和应力波传递的良好性；②将试件安装在两杆之间，以润滑油作为耦合剂，保证试样与杆对接良好，以减少试样与杆端的端部摩擦力效应；③利用手动油泵以均匀缓慢的速度施加轴压，直到预设轴压值；④通过改变气缸内气压值，实现冲击气压的调节。

2 试验结果分析

2.1 峰值应力与循环冲击次数的关系

图3为试样在不同轴压下循环冲击荷载的应力—应变曲线，其中曲线中线条编号的数字对应该试样的循环冲击次数。由图3可知，在峰值应力之前的冲击加载段，各个试样应力—应变曲线变化趋势较为相似，在峰值应力之后，应力—应变曲线出现一定的回弹现象^[15]，这是因为试样没有发生宏观破坏，出现能量卸载^[16]的现象。

图3

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图3 不同轴压作用下试样应力—应变图

注： $σ_{f}$ 为单轴抗压强度（MPa）

Fig.3 Stress-strain diagram of samples under different coaxial pressures

图4为峰值应力与冲击载荷作用次数的关系图。由图4可知，无论是在同一轴压还是不同轴压荷载的作用下，岩石试件的峰值应力均随着冲击作用次数的增加呈现为先增大后减小的趋势。分析认为该现象与岩石在循环冲击荷载作用下造成累计损伤以及内部形成微裂缝的数量、空隙和节理结构有关。岩石破裂的本质是内部裂纹在外力作用下不断萌生、发展和贯通，最终形成宏观裂纹，从而造成岩石整体结构的失稳破坏。在冲击荷载作用下，当外力作用于试件的能量不能使试件立即破坏时，试件吸收的能量用于内部新裂纹的萌生和旧裂纹的发展贯通，从而积累一定的损伤。随着冲击荷载的增大和应变率的增加，在冲击作用的瞬间，岩石不足以吸收足够的能量来满足冲击过程中的能量需求，因此通过增加峰值应力来抵抗外部冲击作用，当积累的损伤达到一定程度时，试样无法与冲击作用实现平衡，试件被冲坏，从而出现应力下降的现象。

图4

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图4 峰值应力与冲击载荷作用次数的关系

注： $σ_{f}$ 为单轴抗压强度（MPa）

Fig.4 Relationship between peak stress and times of impact load

同时发现，在不等幅冲击荷载条件作用下，试样在不同轴压下破坏所需的累计冲击次数是不同的，说明试样端部荷载的大小与试样抵抗外力作用的强弱有关。从总循环冲击作用次数来看，在轴向压力为0.7σ_f时，承受5次循环冲击荷载作用后试件即发生宏观破坏；当轴压为0.6σ_f，0.5σ_f，0.4σ_f时，岩石试件承受6次循环冲击荷载即发生宏观破坏；当轴压为0.3σ_f时，岩石试件承受7次循环冲荷载击即发生宏观破坏；当轴压为0 MPa时，岩石试件承受2次循环冲击荷载即发生宏观破坏。从图4可以发现，在不等幅冲击过程中，较其他轴压情况下，当试件施加的轴向静压为单轴抗压强度的30%时（即轴压为0.3σ_f），岩石试件的峰值应力整体较高，能够抵抗外部冲击荷载作用的次数最多。这表明，轴压为单轴抗压强度的30%左右时，其抵抗外部冲击的能力最强。当岩石具有一定轴向预应力时，有助于增强试样对外部冲击载荷的抵抗能力，同时，当施加的轴向预应力超过一定数值，试件抵抗外部荷载的能力会降低。

2.2 应变率与峰值应力的变化规律

试验结果表明，在同一个轴压作用下，动态峰值应力随应变率的增大而增大（图5）。对于不等幅循环冲击，由于脆性岩石存在应变率效应，随着冲击荷载的增加，应变率不断增大，试样在每次冲击过程中其峰值应力会相应地增大。应变率的提高意味着试样内部的微裂纹产生扩展，产生的裂纹数目和微观缺陷增大，需要的变形能也越多；而冲击荷载作用的时间极短，造成岩样的变形缓冲作用较小，在短时间内试样无法积累充分的能量，因此通过提高岩石的动态峰值应力来实现能量平衡^[17]。

图5

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图5 轴压为0.6σ_f时不同试样峰值应力与应变率的关系

注： $σ_{f}$ 为单轴抗压强度（MPa）

Fig.5 Relationship between peak stress and strain rate of different samples with axial pressure of 0.6σ_f

2.3 弹性模量与冲击次数的变化规律

本文中取循环冲击试验过程应力—应变曲线加载段的弹性阶段中某一点与原点的割线斜率作为弹性模量。由图6可知，弹性模量随着冲击次数的增加呈先增大再降低。在前几次冲击中，弹性模量增大，这是因为岩石由矿物结晶体和节理等缺陷构成，内部存在一定的微裂纹和孔隙，在冲击气压较小时，冲击荷载未达到损伤门槛^[18]，无法使岩石内部产生损伤，而是对岩石造成压密作用，岩石内部矿物结晶体之间的间距进一步缩小，使岩石内部完整性变得更好，岩石对外表现为整体的弹性性质加强，试件的弹性模量也相应地增大。随着外部冲击荷载作用次数的增加，外部荷载对岩样的加强作用逐渐转变为劣化作用，由于岩石本身非均质性和冲击加载的累积损伤，岩石产生塑性变形，促使岩石内部裂隙的萌生和扩展，岩石整体强度降低，内部产生了损伤，其内部传递能量的效率和荷载的能力降低，岩样的动态力学性能劣化，并且随着冲击次数的增加越来越明显，导致弹性模量相应地不断降低。

图6

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图6 不同轴压下弹性模量与冲击次数的关系

注： $σ_{f}$ 为单轴抗压强度（MPa）

Fig.6 Relationship between elastic modulus and impact times under different coaxial pressure

2.4 试件动态破坏形态

图7为试样在不同轴压作用下最后一次冲击荷载时高速摄影仪拍下的岩石试件破坏形态照片，其中高速摄影仪的分辨率为256×352，帧频率为50 000 帧/s，每0.02 ms拍下一张照片。试样的冲击破坏形态可以反映出岩石试件在最后一次动静应力耦合作用下的岩样宏观破坏模式和裂纹扩展机制。由7图可知，在不同的轴向预压力下，试样的宏观破坏全都表现为宏观裂纹贯通破坏形态，试样破坏均为多条轴向贯通裂纹，表现为轴向劈裂破坏。

图7

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图7 不同轴压作用下试样的破裂形态

注： $σ_{f}$ 为单轴抗压强度（MPa）

Fig.7 Fracture patterns of samples under different coaxial pressure

由图8可知，试样在最后一次冲击破坏时不同时刻的破坏过程。当岩石试件表面最先出现宏观贯通裂纹时定义为t=0时刻。由于前几次循环冲击荷载作用下，岩石内部微裂纹不断萌生发展，岩石的累计损伤不断增大，在最后一次冲击荷载作用时，岩石无法抵抗外部荷载的作用，裂缝最先从端部产生宏观裂纹，裂纹随即向横向孔洞（岩石的薄弱部位）发展，横向孔洞再向两端发展次生裂纹，最终裂纹贯通至岩样端部，形成轴向劈裂破坏模式^[19]。分析认为，由于试件轴向的2个端面与入射杆和透射杆之间存在一定的摩擦作用，且试样两端存在杆的约束和轴压作用，试件的纵向变形受到限制，而径向范围没有围压作用，试件能够自由地发生横向变形，当试件产生横向变形达到一定程度后，由横向变形产生的拉伸作用会使试件产生轴向劈裂破坏。

图8

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图8 不同时刻试样裂缝发展情况

Fig.8 Sample fracture development at different times

图9给出了不同应变率作用下试样的破碎程度及破碎形态。从图中可以看出，不同应变率作用下试样破碎成不同尺寸的碎块。随着轴压的增加，应变率呈现先增大再减小的趋势。在应变率较低的情况下，试样冲击破碎成比较大的碎块；随着应变率的增加，试样破坏程度不断增加，分块维度越多，岩石破碎的尺寸变得越来越小，数量越来越多，说明花岗岩试样有明显的应变率效应。分析认为，当冲击作用于试件的应变率较小时，试件内部无序微裂纹在外部荷载作用下朝有序规则方向发展，由于外部荷载作用于试件的能量相对较小，试件作用于裂纹扩展的能量也相应较少，使得岩石内部裂纹无法充分发育，只有较少数量的裂纹贯通，岩块破碎块数较少。随着冲击气压的增大，外部荷载作用的应变率也相应地增大，外部作用于试件的能量相应增多，试件内部裂纹因吸收足够多的能量得以充分发育，不断发展并贯通形成宏观裂纹，试件内部形成的宏观贯通裂纹数目越多，试样碎块数量也就越多，碎块尺寸^[20]也相应地减小，破碎程度加剧。

图9

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图9 不同应变率下试样的破碎形态

注： $σ_{f}$ 为单轴抗压强度（MPa）

Fig.9 Fracture patterns of samples at different strain rates

3 结论

通过对含横向孔洞花岗岩进行循环冲击试验，分析不同轴压水平下（0，0.3σ_f，0.4σ_f，0.5σ_f，0.6σ_f，0.7σ_f）岩石的力学特性、破坏过程和破碎形态，得到如下结论：

（1）在循环冲击作用下，试件不同轴压水平的峰值应力均随冲击次数的增加而增加。在轴压为0.3σ_f的水平下，试样抵抗外部荷载作用的次数最多，试样对外部荷载的抵抗作用最强。随着轴压的增大，试件抵抗外部荷载的能力降低。

（2）在循环冲击过程中，花岗岩试件存在应变率效应，随着应变率的增加，动态峰值应力也相应增加，弹性模量随着冲击荷载的作用呈现先增大后降低的趋势，弹性变形不断减小，内部损伤不断增大，塑性变形不断增大。

（3）在不同轴压水平的作用下，由于轴向变形约束，当横向变形发展到一定程度时，宏观裂纹表现为轴向贯通裂纹，试样破裂模式均为轴向劈裂破坏。随着应变率的增加，岩石破碎的尺寸越来越小，数量越来越多。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-4-531.shtml

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

朱晶晶，李夕兵，宫凤强，等.

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

[J].岩土工程学报，2013，35（3）：531-539.