圍壓狀態(tài)下膠結(jié)砂相似材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究.pdf

1、由于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)具有形象、直觀、真實(shí)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水電、交通、能源和礦山工程等領(lǐng)域的地下工程，尤其是近年來(lái)更是發(fā)揮了其越來(lái)越重要的作用。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)同常規(guī)模型試驗(yàn)主要不同的地方，從本構(gòu)關(guān)系來(lái)說(shuō)，首先是考慮了彈塑性特性，其次是盡可能利用模型本身的容重去模擬原型的自重。歸根結(jié)底，它們的主要差別在于模型材料的不同，所以，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)芊癯晒?，關(guān)鍵在于模型材料的選擇，以及模型材料的力學(xué)性質(zhì)等。查詢現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前眾多學(xué)者對(duì)物

2、理模型試驗(yàn)相似材料的研究主要集中在其靜態(tài)力學(xué)特性方面，而對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的研究甚少，尤其是相似材料在三軸沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究更是少之又少。
　　本文以物理相似模型試驗(yàn)中常用作模擬砂巖的膠結(jié)砂相似材料為研究對(duì)象，因其屬于顆粒膠結(jié)型材料，且具有低強(qiáng)度、低變形模量的特征，加之材料能快速干燥材料、成本低廉、加工方便、性能穩(wěn)定、制備靈活、無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛采用。選擇石英砂、石膏粉、水泥以及水等作為原料制作標(biāo)準(zhǔn)試件，并測(cè)試其基本物理

3、力學(xué)參數(shù);按照砂∶水泥∶石膏∶水=1∶0.095∶0.05∶0.10的配比制作成長(zhǎng)徑比為0.5的圓盤試件，借助于SHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)研制膠結(jié)砂相似材料，并測(cè)定其容重、縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等基本物理力學(xué)參數(shù)。經(jīng)由相似系數(shù)和原巖強(qiáng)度來(lái)計(jì)算物理模型試驗(yàn)所需相似材料的強(qiáng)度，從而可以確定本模型試驗(yàn)相似材料的配合比為1∶0.095∶0.05∶0.10（砂∶水泥∶石膏∶

4、水）。
　　(2)分析了分離式SHPB實(shí)驗(yàn)裝置的基本原理、桿中的應(yīng)變測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法等，并討論了試樣的設(shè)計(jì)原則，最終得出試樣以長(zhǎng)徑比為0.5為最適宜。較為詳細(xì)的介紹了安徽理工大學(xué)沖擊實(shí)驗(yàn)室SHPB試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，同時(shí)給出詳細(xì)的操作步驟和試驗(yàn)過(guò)程注意事項(xiàng)。
　　(3)借助分離式霍普金森壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)膠結(jié)砂相似材料試件進(jìn)行不同沖擊荷載（不同應(yīng)變率）條件下的常規(guī)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。利用簡(jiǎn)化三波法進(jìn)行分析處理，得到膠結(jié)

5、砂相似材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明:膠結(jié)砂相似材料在沖擊載荷作用下屬于延性破壞類型，其變形過(guò)程可概括為初始非線性階段、屈服階段、塑性變形階段和卸載破壞階段四個(gè)階段;單軸沖擊荷載下的膠結(jié)砂動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等與應(yīng)變率顯示很強(qiáng)的相關(guān)性。
　　(4)利用鋼制套筒（被動(dòng)圍壓裝置）和主動(dòng)圍壓裝置作為圍壓加載裝置，借助分離式霍普金森壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)膠結(jié)砂相似材料進(jìn)行三軸沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)

6、果獲取圍壓狀態(tài)下膠結(jié)砂相似材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:具有圍壓應(yīng)力值的膠結(jié)砂相似材料，在沖擊荷載作用下其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度相比于單軸沖擊提高1.5-3倍;圍壓狀態(tài)下膠結(jié)砂相似材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變?nèi)跃呙黠@的應(yīng)變率相關(guān)性特征;圍壓狀態(tài)下的破壞模式也由單軸沖擊時(shí)的壓-剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔炱茐?主動(dòng)圍壓的作用還使得膠結(jié)砂相似材料的性質(zhì)發(fā)生改變，由延性向脆-延轉(zhuǎn)化。
　　(5)借助SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)膠結(jié)砂試件沿徑

7、向進(jìn)行加載測(cè)試膠結(jié)砂相似材料的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)五種不同沖擊氣壓，獲得了不同應(yīng)變率下膠結(jié)砂試件的動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力和應(yīng)變率。試驗(yàn)結(jié)果分析表明:動(dòng)態(tài)荷載下的膠結(jié)砂拉伸應(yīng)力比靜態(tài)時(shí)提高幅度較大，且抗拉強(qiáng)度的增大隨著應(yīng)變率的增大而增大，即高應(yīng)變率下膠結(jié)砂試件抗拉強(qiáng)度具有應(yīng)變率效應(yīng)。
　　綜上所得，相似物理模型試驗(yàn)中對(duì)相似材料進(jìn)行三向應(yīng)力加載，會(huì)間接增強(qiáng)材料的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，尤其是對(duì)模型材料進(jìn)行爆破時(shí)，受爆破動(dòng)荷載的影響，材料的動(dòng)態(tài)抗壓