围压状态下胶结砂相似材料的动态力学特性研究

摘要

由于地质力学模型试验具有形象、直观、真实等特点，被广泛应用于水电、交通、能源和矿山工程等领域的地下工程，尤其是近年来更是发挥了其越来越重要的作用。地质力学模型试验同常规模型试验主要不同的地方，从本构关系来说，首先是考虑了弹塑性特性，其次是尽可能利用模型本身的容重去模拟原型的自重。归根结底，它们的主要差别在于模型材料的不同，所以，地质力学模型试验能否成功，关键在于模型材料的选择，以及模型材料的力学性质等。查询现有文献发现，目前众多学者对物理模型试验相似材料的研究主要集中在其静态力学特性方面，而对其动态特性的研究甚少，尤其是相似材料在三轴冲击荷载下的动态力学特性研究更是少之又少。
　　本文以物理相似模型试验中常用作模拟砂岩的胶结砂相似材料为研究对象，因其属于颗粒胶结型材料，且具有低强度、低变形模量的特征，加之材料能快速干燥材料、成本低廉、加工方便、性能稳定、制备灵活、无毒无害等优点，故被广泛采用。选择石英砂、石膏粉、水泥以及水等作为原料制作标准试件，并测试其基本物理力学参数;按照砂∶水泥∶石膏∶水=1∶0.095∶0.05∶0.10的配比制作成长径比为0.5的圆盘试件，借助于SHPB试验装置进行动态压缩试验和动态劈裂试验。主要研究内容和成果如下:
　　(1)研制胶结砂相似材料，并测定其容重、纵波波速、单轴抗压强度和抗拉强度等基本物理力学参数。经由相似系数和原岩强度来计算物理模型试验所需相似材料的强度，从而可以确定本模型试验相似材料的配合比为1∶0.095∶0.05∶0.10（砂∶水泥∶石膏∶水）。
　　(2)分析了分离式SHPB实验装置的基本原理、杆中的应变测试以及实验数据处理方法等，并讨论了试样的设计原则，最终得出试样以长径比为0.5为最适宜。较为详细的介绍了安徽理工大学冲击实验室SHPB试验装置系统，同时给出详细的操作步骤和试验过程注意事项。
　　(3)借助分离式霍普金森压杆（SHPB）实验装置，对胶结砂相似材料试件进行不同冲击荷载（不同应变率）条件下的常规冲击压缩实验。利用简化三波法进行分析处理，得到胶结砂相似材料的动态应力-应变曲线和相关的动力学参数。实验结果分析表明:胶结砂相似材料在冲击载荷作用下属于延性破坏类型，其变形过程可概括为初始非线性阶段、屈服阶段、塑性变形阶段和卸载破坏阶段四个阶段;单轴冲击荷载下的胶结砂动态抗压强度、峰值应变等与应变率显示很强的相关性。
　　(4)利用钢制套筒（被动围压装置）和主动围压装置作为围压加载装置，借助分离式霍普金森压杆（SHPB）实验装置，对胶结砂相似材料进行三轴冲击压缩实验，并根据试验结果获取围压状态下胶结砂相似材料的动态应力-应变曲线和相关的动力学参数。试验结果表明:具有围压应力值的胶结砂相似材料，在冲击荷载作用下其动态抗压强度相比于单轴冲击提高1.5-3倍;围压状态下胶结砂相似材料的动态抗压强度、峰值应变仍具明显的应变率相关性特征;围压状态下的破坏模式也由单轴冲击时的压-剪破坏转变为拉伸破坏;主动围压的作用还使得胶结砂相似材料的性质发生改变，由延性向脆-延转化。
　　(5)借助SHPB试验装置对胶结砂试件沿径向进行加载测试胶结砂相似材料的动态拉伸强度。试验设计五种不同冲击气压，获得了不同应变率下胶结砂试件的动态拉伸应力和应变率。试验结果分析表明:动态荷载下的胶结砂拉伸应力比静态时提高幅度较大，且抗拉强度的增大随着应变率的增大而增大，即高应变率下胶结砂试件抗拉强度具有应变率效应。
　　综上所得，相似物理模型试验中对相似材料进行三向应力加载，会间接增强材料的抗压强度和抗拉强度，尤其是对模型材料进行爆破时，受爆破动荷载的影响，材料的动态抗压强度及抗拉强度会成倍增长，且爆破破坏模型有别于无应力加载的情形。
　　研究成果可进一步为深部岩体爆破相似模型试验的参数设计提供现实参考，为更好的分析爆破模型试验所得规律提供理论依据。

目录

声明

摘要

插图清单

附表清单

引言

1．1 引言

1．2 研究的背景及意义

1．3 相似材料的研究现状

1．4 研究目的、内容与方法

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究方法

2 相似模型材料的研制及其基本力学性质

2．1 引言

2．2 模型材料研制的基本原则

2．3 胶结砂相似材料的制作方法

2．3．1 材料选择

2．3．2 材料试件制作过程

2．3．3 材料物理力学参数试验

2．4 物理模型试验相似系数的确定

2．4．1 试验装置简介

2．4．2 工程原型

2．4．3 确定相似系数

2．5 胶结砂相似材料配比的确定

2．6 本章小结

3 SHPB试验基本原理与试验技术

3．1 引言

3．2 分离式SHPB试验技术

3．2．1 分离式SHPB实验装置的基本原理

3．2．2 杆中的应变测试

3．2．3 实验数据处理

3．2．4 试样设计原则

3．3 SHPB试验装置系统简介

3．4 本章小结

4 胶结砂SHPB动态压缩力学性能试验与分析

4．1 引言

4．2 胶结砂的动态单轴压缩力学特性研究

4．2．1 试验装置及试样制备

4．2．2 单轴压缩试验结果

4．2．3 胶结砂动态强度与应变率

4．2．3 动单轴加载下胶结砂的破坏模式

4．3 胶结砂的动态三轴压缩力学特性研究

4．3．1 深部岩体应力场分布规律

4．3．2 围压加载试验原理

4．3．3 被动围压状态下动态压缩试验

4．3．4 主动围压状态下动态压缩试验

4．3 本章小结

5 胶结砂动态拉伸破坏的理论和试验研究

5．1 引言

5．2 岩石抗拉强度试验方法

5．2．1 直接拉伸试验原理

5．2．2 巴西圆盘劈裂试验原理及其适用性

5．3 冲击劈裂试验方法与原理

5．4 胶结砂动态拉伸特性的试验研究

5．4．1 试验装置及试样制备

5．4．2 劈裂拉伸试验结果

5．4．3 抗拉强度的应变率效应

5．4．4 劈裂破碎形态分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果