砂岩冻融损伤劣化机制及冲击荷载作用下的力学响应特征研究
孟凡东
(长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710064)
Study on freeze-thaw damage degradation mechanism of sandstone and its mechanical response characteristics under impact load
MENG Fandong
(School of Geological Engineering and Geomatics,Chang?an University,Xi?an,Shaanxi 710064,China)
摘要 寒区的岩石工程面临着严重的冻融风化问题,且爆破开挖、机械采掘、岩爆等工程地质环境中的岩体又易受到严重动力扰动和构造应力的作用,然而处于复杂动应力和冻融循环耦合作用下的岩体的损伤劣化机理不清、力学特性表现不明。基于此,本文以铜川地区砂岩作为研究对象,借助核磁共振(NMR)测试、扫描电镜(SEM)测试、分离式霍普金森压杆(SHPB)测试等技术手段,结合非线性力学、统一强度理论等理论分析研究方法,探明岩石冻融损伤劣化机制,揭示复杂冲击荷载作用下岩石的力学响应机制。本文取得的主要研究成果包括:
(1) 对冻融砂岩试件进行微细观测试发现,冻融砂岩内部新增孔隙以小孔隙为主,大孔隙具有分形特征,孔隙分布均匀性与小孔隙中极微细孔的萌生率和扩展率密切相关;冻融后砂岩孔隙率、渗透率和间隙度的增长率均在80次达到最大;冻融砂岩的SEM图像具有多重分形特征,冻融20次后多重分形现象越来越明显,异质性变大。
(2) 基于水/冰相变理论计算临界冻结孔径,结合冻融过程中水分迁移规律,提出以冰分凝、冰生长作用为主,水/冰相变体积膨胀为辅,伴有水合作用的岩石冻融损伤劣化机制;对岩石孔边进行应力分析,发现大孔隙更易引起岩石破坏,得到大、中、小孔隙致裂权重;建立考虑饱和度、相变临界孔径及孔隙权重的宏观冻融损伤演化模型;基于动态断裂力学理论,建立冻融岩石裂纹扩展速度理论模型,并分析模型不动点稳定性以及模型混沌特征。
(3) 冻融砂岩试件在受到劈裂作用后表现出以拉伸破坏为主,以剪切破坏为辅的破坏形式,且动态劈裂破坏后的试件出现局部破碎区,砂岩越软弱,破碎区面积越大;加载率影响使砂岩的半衰期延后,软弱岩石的加载率强化作用更明显;冻融砂岩的吸收能与加载率和动态劈裂抗拉强度呈正相关,与冻融循环次数呈负相关。
(4) 冻融砂岩试件在压缩作用后的破碎形式以劈裂破坏为主,经过动态单轴冲击压缩的砂岩试件具有较好的分形特征,分形维数的质量–频率计算方法对大碎块赋予过高的权重而展现出局限性;冻融砂岩越软弱,其率相关性越明显;动态单轴抗压破坏过程中的吸收能和吸收率与冻融循环次数呈现负相关,与应变率呈正相关;通过数理分析,考虑因素间的交互作用,得到影响排序:应变率>围压>冻融循环。
(5) 基于强度–应变率经验模型以及统一强度理论,提出一种新型岩石非线性动态强度准则,以此为基础,建立考虑岩石的冻融和冲击双重损伤的冻融砂岩动态损伤本构模型;基于Sobol-QMC方法,对本构模型中的众多输入参数进行全局敏感性分析,本研究中的 , ,c三个因素影响较小,而E, 和 三个因素影响较大。
关键词 :
岩石力学 ,
冻融循环 ,
SHPB ,
损伤本构模型 ,
损伤演化 ,
力学性能 ,
砂岩
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