壓縮力學理論研究論文

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前言

巖石材料在動態壓縮載荷作用下的力學特性是研究巖石結構如隧道、巖質邊坡在爆炸荷載以及地震荷載作用下的響應的重要參數。這一課題的研究始于20世紀中期，如文[1-6]的工作。這些研究結果表明，巖石材料的力學特性表現出較明顯的率相關特性，例如，巖石材料的抗壓強度一般地隨應變速率的增加有增加趨勢。

本文概述了作者近年來對花崗巖材料在動態壓縮載荷作用下力學特性進行的實驗以及基于細觀力學以及斷裂力學進行的理論研究成果初步工作，力圖為巖石動力學的相關研究提供借鑒。

2實驗研究

實驗所用巖樣取自新加坡BukitTimah地區鉆孔取出的巖芯，在室內用套鉆加工成f30´60mm的圓柱體試樣。實驗設備為RDT－1000型巖石高壓動三軸實驗系統，該系統的工作原理以及性能指標見文[5,6]。實驗中，應變速率范圍為10-4～100s-1，圍壓范圍為0～170MPa。

圖1描述了花崗巖在動單軸壓縮載荷作用下強度隨應變速率的變化規律。可以看出，花崗巖的抗壓強度隨應變速率的增加有較明顯的增加趨勢，當應變速率從10－4s-1增加到100s-1時，花崗巖的抗壓強度約增加15％。

實驗結果還表明，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應變速率的增加沒有明顯的變化趨勢，而且結果比較發散。

圖1花崗巖單軸抗壓強度隨應變速率的變化規律

Fig.1Changeofuniaxialcompressivestrengthwithstrainrateforgranite

圖2抗壓強度隨應變速率的變化規律

Fig.2Changeofcompressivestrengthwithstrainrate

圖2、3描述了花崗巖抗壓強度在動三軸壓應力作用下隨應變速率以及圍壓的變化規律，可以看出。不同圍壓下，花崗巖的抗壓強度隨應變速率的增加有增加趨勢，同時，強度的增加幅度隨圍壓的增加有明顯的減小趨勢。在不同應變速率下，巖石的抗壓強度隨圍壓的增加明顯地增加，而且，強度隨圍壓的增加幅度在不同應變速率下基本上相同。

三、理論研究

巖石是一種較典型的非均質材料，普遍包含著不同尺度的缺陷。在壓縮載荷作用下，微裂紋將在這些缺陷的周圍產生并且擴展聚合，導致巖石材料的破壞，影響巖石材料的宏觀力學行為。基于這些認識，一些裂紋模型被應用于研究巖石材料在壓縮載荷作用下的強度以及變形特性。結合斷裂斷裂力學的相關理論，這些研究架起了巖石材料細觀和宏觀力學特性之間的橋梁，也成為目前巖石材料力學特性研究的熱點方向。在這些模型中，滑移型裂紋模型最廣泛地應用于研究脆性材料在壓縮載荷作用下的力學特性。

圖3抗壓強度隨圍壓的變化規律

Fig.3Changeofcompressivestrengthwithconfiningpressure

圖4單軸情況下的裂紋模型

Fig.4Slidingcrackarrayunderuniaxialcompression

文[7,8]采用圖4、5所示的裂紋模型模擬花崗巖材料在動單軸壓縮載荷作用下的劈裂破壞模式以及三軸作用下的剪切破壞模式，并結合裂紋的動態擴展準則模擬了花崗巖材料的動態抗壓強度隨應變速率的變化規律，如圖6、7、8所示。圖7-8的結果表明，模擬結果與實驗結果較一致。

文[7,8]的結果還表明，裂紋的擴展速率以及巖石材料的斷裂韌度的率相關特性是花崗巖單軸抗壓強度隨應變速率增加而增加的內在原因，同時，由于圍壓阻止了拉伸裂紋的擴展導致了巖石材料的抗壓強度隨圍壓的增加而增加。

圖6三軸情況下的裂紋模型

Fig.6Slidingcrackarrayundertriaxialcompression

圖7模擬強度與應變速率關系(單軸)

Fig.7Changeofsimulatedstrengthwithstrainrate(uniaxialcompression)

圖8模擬強度與應變速率關系(三軸)

Fig.8Changeofsimulatedstrengthwithstrainrate(triaxialcompression)

四、結語

隨著國家西部大開發戰略的實施，我國將迎來新一輪的基礎建設高潮，如青藏鐵路以及南水北調西線工程，在這些工程的實施中，普遍存在強烈地震作用下隧道以及邊坡巖體的穩定性問題。同時隨著工程爆破在巖礦開采、地下洞室的營建以及場平開挖等工程中的廣泛應用，也將存在諸如大型水利及能源工程基礎爆破開挖中基巖的保護、爆破荷載作用下巖石結構振動安全等問題。另外，在新的戰爭態勢下與國防安全相關的巖石結構防護工事防護性能評估也是目前需要解決的焦點和熱點問題。上述問題的解決，在一定程度上要求對巖石材料的動態力學特性進行系統的研究。因此，深入開展巖石材料動態力學特性研究不僅是巖石動力學科發展的需要，也是國家建設和國家安全的迫切需要。

圖9模擬強度與圍壓關系(三軸)

Fig.9Changeofsimulatedstrengthwithconfiningpressure(triaxialcompression)

參考文獻

(1)FriedmanM,PerkinsRDandGreenSJ.Observationofbrittle-deformationfeaturesatthemaximumstressofWestlygraniteandSolenhofenlimestone.IntJRockMechMinSci,1970,7:297-306.

(2)Grady,D.E.andKipp,M.E.Continuummodelingofexplosivefractureinoilshale.IntJRockMechMinSci,1980,17:147-157.

(3)吳綿拔,劉遠惠.中等應變速率對巖石力學特性的影響.巖土力學,1980,(1):51-58.

(4)鞠慶海.不同加載速率不同圍壓條件下混凝土的破裂判據與動態性能研究.中國科學院武漢巖土力學研究所碩士學位論文,1993.

(5)ZhaoJ,LiHB,WuMBandLiTJ.Dynamicuniaxialcompressiontestsongranite.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999;36(2):273-277.

(6)LiHB,ZhaoJandLiTJ.TriaxialCompressionTestsofagraniteatdifferentstrainratesandconfiningpressures.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999;36(8):1057-1063.

(7)LiHB,ZhaoJandLiTJ.Micromechanicalmodellingofmechanicalpropertiesofgraniteunderdynamicuniaxialcompressiveloads.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2000;37:923-935.

(8)LiHB,ZhaoJ,LiTJandYuanJX.Anayliticalsimulationofthedynamiccompressivestrengthofagraniteusingtheslidingcrackmodel.InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodinGeomechanics.(2001,inpress)。

Abriefintroductionfortheexperimentalandtheoreticalstudyondynamiccompressivemechanicalpropertiesofagranite

AbstractTheexperimentalstudiesonthemechanicalpropertiesofagraniteunderdynamiccompressionarebrieflyintroducedinthepresentpaper.Thecrackmodelofrockmaterialunderdynamiccompressionisalsoestablished.Basedonthefracturemechanicsandmircromechanics,thesimulatedstrengthunderdynamiccompression,aswellasthestressstraincuresunderdynamicuniaxialcompressionofthegraniteareobtained.Itisindicatedthatthesimulatedresultsagreewiththeexperimentalresults.

KeywordsGraniteMechanicalpropertiesunderdynamiccompression