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CN109374408B - 一种人工充填节理岩体动力特性试验方法 - Google Patents

一种人工充填节理岩体动力特性试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，本发明在研究充填节理的动态力学特性时，充分考虑了节理充填厚度、充填材料特性、加载速率以及累积损伤等因素的综合影响，通过实验，得到考虑损伤效应的应力波在充填节理处的传播规律与各影响因素之间的相互关系，从而揭示充填节理动态力学模型对应力波的影响机理。对爆破荷载作用下地表振动响应及边坡的安全性评价具有重要意义。

Description

一种人工充填节理岩体动力特性试验方法
技术领域
本发明属于岩石动力学与工程领域，具体涉及一种人工充填节理岩体动力特性试验方法。
背景技术
岩体中的节理，往往含有一定的充填物。充填物的低强度和大变形特性会改变结构面的力学特性以及整个岩体的强度，增加工程岩体的不稳定性。由于理论分析方法的局限，目前关于岩石节理力学特性的研究，多集中于静态条件下的无充填节理的研究，对于充填节理的动态力学特性以及对应力波传播规律的影响研究仍处于初步阶段。
另外，一般在工程爆破开挖时，爆破并非一次完成，而是分区域逐步开挖作业，因此多次爆破必然会使非开挖区节理岩体产生累积损伤。岩体爆炸累积损伤会影响应力波的传播，以往关于爆炸应力波的传播研究中少有考虑累积损伤效应作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，该方法充分考虑节理充填物质特性、充填厚度及冲击速率等因素影响下的动态力学特性，结合累积损伤效应的影响，建立考虑累积损伤弱化的充填节理动态力学模型。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，制备人工模拟充填节理，节理两侧岩石为基本物性相同的圆柱形花岗岩，节理中间为人工制造充填节理；
步骤二，采用岩石力学试验系统RMT实验得到准静态条件下不同充填材料的充填节理压缩及剪切特性；
步骤三，通过分离式霍布金森压杆SHPB实验装置采用不同的冲击速率和不同冲击次数下对人工制作的含填充节理岩石试样进行预冲击，并记录冲击前后的波速变化，冲击速率小于破坏速率；
步骤四，引入品质因子，以冲击后波速的变化来反映累积损伤，建立以波速形式表示的累积损伤当量；
步骤五，对具有一定损伤量的充填节理进行分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验，并记录应变变化情况，进而得到每组试验下的应力-应变曲线；采用波分离技术得到对应的入射波、透射波和反射波；通过对实验结果的分析，得到累积损伤效应对波在填充节理中的传播规律的影响；
步骤六，结合步骤二得到的充填节理压缩及剪切特性以及步骤五得到的累积损伤效应对波在填充节理中的传播规律的影响，建立考虑累积损伤弱化的充填节理动态力学模型，完成试验。
步骤一中，节理中间采用多种不同材料进行填充。
步骤一中，圆柱形花岗岩的直径为5cm，厚度为2.5cm。
步骤三中，采用声波仪记录冲击前后的波速变化。
分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验中，通过子弹撞击入射杆的方式产生入射波，波在入射杆中传播至试样处会发生透射和反射，透射波通过节理传递给透射杆，反射波反向在入射杆中传播，通过入射杆和透射杆中的应变片对波进行记录。
入射杆上设置有若干应变片，应变片连接动态电阻应变仪，动态电阻应变仪连接示波器。
与现有技术相比，本发明在研究充填节理的动态力学特性时，充分考虑了节理充填厚度、充填材料特性、加载速率以及累积损伤等因素的综合影响，通过制备人工模拟充填节理，并对人工模拟充填节理进行实验，得到考虑损伤效应的应力波在充填节理处的传播规律与各影响因素之间的相互关系，从而揭示充填节理动态力学模型对应力波的影响机理。本发明对爆破荷载作用下地表振动响应及边坡的安全性评价具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明中分离式霍布金森压杆SHPB实验装置示意图；
图3为本发明中人工含填充节理岩石试样的尺寸示意图；
图4为本发明中人工含填充节理岩石试样的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，制备人工模拟充填节理，节理两侧岩石为基本物性相同的圆柱形花岗岩，圆柱形花岗岩的直径为5cm，厚度为2.5cm，参见图3和图4，中间为人工制造的采用多种不同材料来充填节理；
步骤二，采用岩石力学试验系统RMT实验得到不同充填材料的充填节理压缩及剪切特性；
步骤三，通过分离式霍布金森压杆SHPB实验装置采用不同的冲击速率和不同冲击次数下对人工制作的含填充节理岩石试样进行预冲击，冲击速率小于破坏速率，用声波仪测试并记录冲击前后的波速变化；
步骤四，引入品质因子的概念，以冲击后波速的变化来反映累积损伤，建立以波速形式表示的累积损伤当量；
步骤五，对具有一定损伤量的充填节理进行分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验，并通过动态电阻应变仪和示波器采集入射杆和反射杆上的应变片的状态，并记录应变变化情况，进而得到每组试验下的应力-应变曲线；采用波分离技术得到对应的入射波、透射波和反射波；通过对实验结果的分析，阐明累积损伤效应对波在填充节理中的传播规律的影响；
步骤六，结合步骤二得到的充填节理压缩及剪切特性以及步骤五得到的累积损伤效应的影响，建立考虑累积损伤弱化的充填节理动态力学模型。
参见图2，分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验中，通过子弹撞击入射杆的方式产生入射波，波在入射杆中传播至试样处会发生透射和反射，透射波通过节理传递给透射杆，反射波反向在入射杆中传播，通过入射杆和透射杆中的应变片对波进行记录。
实施例：
本实施例以研究选用产自内蒙花岗岩，充填材料采用水泥砂浆、石膏砂浆、石灰砂浆、河砂粘土混合物四种制备的人工充填节理为例，给出一种考虑累积损伤效应的人工充填节理岩体动力特性评价的试验方法，操作流程包括以下步骤：
步骤一：制备人工充填节理，节理两侧岩石选在均产于西安的无明显裂纹的天然岩石，基本性质相同。充填材料拟采用水泥砂浆、石膏砂浆、石灰砂浆、河砂粘土混合物四种；充填厚度分别采用四种：0.5cm、1cm、1.5cm、2cm；
步骤二：采用岩石力学试验系统RMT对不同充填节理、充填厚度的试样各进行三组压缩及剪切试验测得其不同充填材料和不同厚度下的充填节理压缩及剪切特性；
步骤三：通过分离式霍布金森压杆SHPB实验装置采用不同冲击速率、不同冲击次数对人工制作的含填充节理岩石试样进行预冲击，速率为冲击气压为0.1、0.2、0.3MPa对应的实测速率，冲击加载次数分为0、1、2、3次，每次试验重复3次。每次在加载前后采用声波仪对试样的波速进行测定并记录；
步骤四：对步骤三测定的波速变化进行对比，引入品质因子的概念，通过波速衰减建立累积损伤当量，以冲击后波速的变化来反映累积损伤；
步骤五，对具有一定损伤量的充填节理进行分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验，并通过入射杆和反射杆上的应变片记录应变变化情况，进而得到每组试验下的应力-应变曲线；采用波分离技术得到对应的入射波、透射波和反射波；通过对实验结果的分析，阐明累积损伤效应对波在填充节理中的传播规律的影响；
步骤六，通过上述步骤可以得到综合考虑预先冲击速度、预冲次数、充填节理厚度等因素下充填节理中的应力波传播特性，进而得到累积损失效应对波传播的影响，建立考虑累积损伤弱化的充填节理动态力学模型。
本发明拟以实验分析为研究方法，通过分离式霍布金森压杆SHPB实验对含不同充填物质的充填节理的动态力学特性进行研究，揭示充填节理对应力波透反射机制的影响以及爆破累积损伤效应对波传播的影响。

Claims (6)

1.一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制备人工模拟充填节理，节理两侧岩石为基本物性相同的圆柱形花岗岩，节理中间为人工制造充填节理；
步骤二，采用岩石力学试验系统RMT实验得到准静态条件下不同充填材料的充填节理压缩及剪切特性；
步骤三，通过分离式霍布金森压杆SHPB实验装置采用不同的冲击速率和不同冲击次数下对人工制作的含填充节理岩石试样进行预冲击，并记录冲击前后的波速变化，冲击速率小于破坏速率；
步骤四，引入品质因子，以冲击后波速的变化来反映累积损伤，建立以波速形式表示的累积损伤当量；
步骤五，对具有一定损伤量的充填节理进行分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验，并记录应变变化情况，进而得到每组试验下的应力-应变曲线；采用波分离技术得到对应的入射波、透射波和反射波；通过对实验结果的分析，得到累积损伤效应对波在填充节理中的传播规律的影响；
步骤六，结合步骤二得到的充填节理压缩及剪切特性以及步骤五得到的累积损伤效应对波在填充节理中的传播规律的影响，建立考虑累积损伤弱化的充填节理动态力学模型，完成试验。
2.根据权利要求1所述的一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，其特征在于，步骤一中，节理中间采用多种不同材料进行填充。
3.根据权利要求1所述的一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，其特征在于，步骤一中，圆柱形花岗岩的直径为5cm，厚度为2.5cm。
4.根据权利要求1所述的一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，其特征在于，步骤三中，采用声波仪记录冲击前后的波速变化。
5.根据权利要求1所述的一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，其特征在于，分离式霍布金森压杆SHPB冲击压缩试验中，通过子弹撞击入射杆的方式产生入射波，波在入射杆中传播至试样处会发生透射和反射，透射波通过节理传递给透射杆，反射波反向在入射杆中传播，通过入射杆和透射杆中的应变片对波进行记录。
6.根据权利要求1所述的一种人工充填节理岩体动力特性试验方法，其特征在于，入射杆上设置有若干应变片，应变片连接动态电阻应变仪，动态电阻应变仪连接示波器。
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