花岗岩动态压缩力学特性的实验和理论研究(1)

摘要：本文简要介绍了花岗岩材料的动态压缩实验结果，同时建立了花岗岩材料的裂纹模型，并基于断裂力学以及细观力学的相关理论，模拟了花岗岩材料的在动态压缩载荷作用下的强度特性。这些模拟结果与实验结果相符。

关键词：花岗岩 动态压缩力学特性

前言

岩石材料在动态压缩载荷作用下的力学特性是研究岩石结构如隧道、岩质边坡在爆炸荷载以及地震荷载作用下的响应的重要参数。这一课题的研究始于20世纪中期，如文^[1-6]的工作。这些研究结果表明，岩石材料的力学特性表现出较明显的率相关特性，例如，岩石材料的抗压强度一般地随应变速率的增加有增加趋势。

    本文概述了作者近年来对花岗岩材料在动态压缩载荷作用下力学特性进行的实验以及基于细观力学以及断裂力学进行的理论研究成果初步工作，力图为岩石动力学的相关研究提供借鉴。

2   实验研究

实验所用岩样取自新加坡bukit timah地区钻孔取出的岩芯，在室内用套钻加工成f30´60mm的圆柱体试样。实验设备为rdt－1000型岩石高压动三轴实验系统，该系统的工作原理以及性能指标见文^[5,6]。实验中，应变速率范围为10^-4～10⁰s^-1，围压范围为0～170mpa。

图1描述了花岗岩在动单轴压缩载荷作用下强度随应变速率的变化规律。可以看出，花岗岩的抗压强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势，当应变速率从10^－4s^-1增加到10⁰s^-1时，花岗岩的抗压强度约增加15％。

实验结果还表明，花岗岩的弹性模量和泊松比随应变速率的增加没有明显的变化趋势，而且结果比较发散。

图1 花岗岩单轴抗压强度随应变速率的变化规律

  fig.1 change of uniaxial compressive strength with strain rate for granite

图2 抗压强度随应变速率的变化规律  

fig.2 change of compressive strength with strain rate

图2、3描述了花岗岩抗压强度在动三轴压应力作用下随应变速率以及围压的变化规律，可以看出。不同围压下，花岗岩的抗压强度随应变速率的增加有增加趋势，同时，强度的增加幅度随围压的增加有明显的减小趋势。在不同应变速率下，岩石的抗压强度随围压的增加明显地增加，而且，强度随围压的增加幅度在不同应变速率下基本上相同。

三、理论研究

岩石是一种较典型的非均质材料，普遍包含着不同尺度的缺陷。在压缩载荷作用下，微裂纹将在这些缺陷的周围产生并且扩展聚合，导致岩石材料的破坏，影响岩石材料的宏观力学行为。基于这些认识，一些裂纹模型被应用于研究岩石材料在压缩载荷作用下的强度以及变形特性。结合断裂断裂力学的相关理论，这些研究架起了岩石材料细观和宏观力学特性之间的桥梁，也成为目前岩石材料力学特性研究的热点方向。在这些模型中，滑移型裂纹模型最广泛地应用于研究脆性材料在压缩载荷作用下的力学特性。

图3 抗压强度随围压的变化规律

    fig.3 change of compressive strength with confining pressure   

 图4 单轴情况下的裂纹模型

fig.4 sliding crack array under uniaxial compression

  文^[7,8]采用图4、5所示的裂纹模型模拟花岗岩材料在动单轴压缩载荷作用下的劈裂破坏模式以及三轴作用下的剪切破坏模式，并结合裂纹的动态扩展准则模拟了花岗岩材料的动态抗压强度随应变速率的变化规律，如图6、7、8所示。图7-8的结果表明，模拟结果与实验结果较一致。

文^[7,8]的结果还表明，裂纹的扩展速率以及岩石材料的断裂韧度的率相关特性是花岗岩单轴抗压强度随应变速率增加而增加的内在原因，同时，由于围压阻止了拉伸裂纹的扩展导致了岩石材料的抗压强度随围压的增加而增加。

 图6 三轴情况下的裂纹模型

fig.6 sliding crack array under triaxial compression

图7 模拟强度与应变速率关系(单轴)  

fig.7 change of simulated strength with strain rate(uniaxial compression)

图8 模拟强度与应变速率关系(三轴)

fig.8 change of simulated strength with strain rate(triaxial compression)

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