围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析.pdf
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1、DOI:10.11858/gywlxb.20220701围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析刘浩杉1,张智宇1,2,黄永辉3,陈成志1,孟佳乐1(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093;2.云南省中一德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室,云南昆明650093;3.昆明理工大学电力工程学院,云南昆明650500)摘要:为探究围压条件下伟晶辉长岩的能量释放与破坏模式的关系,利用霍普金森压杆和LS-DYNA 数值模拟软件对伟晶辉长岩开展了不同围压和不同冲击速度下的动态力学性能测试,分析其在不同围压和应变率下的能量释放特征及破坏规律。结果表明:高围压下,试样无明显塑性变形
2、阶段,且围压状态对高应变率下的动态抗压强度有抑制作用,当冲击气压高于 0.4MPa时,动态抗压强度的增长趋势放缓;应变率和围压对伟晶辉长岩的能量与破坏模式有显著影响。随着围压的升高,试样的反射能占比增大,而透射能占比减小;能耗密度随应变率的增加而增大,当应变率为 95s1时(对应的冲击气压为 0.4MPa)出现拐点,同时高围压下的能耗密度大于低围压下的能耗密度。对于处于围压下的试样,其破坏断面多带有一定的角度,通过 LS-DYNA有限元软件模拟了试样在围压下的动态破坏过程,发现中低围压下试样多呈剪切破坏,而高围压下试样有多条剪切裂纹发育贯通,呈复合破坏模式。关键词:霍普金森压杆;伟晶辉长岩;能
3、量耗散;动态破坏过程中图分类号:O346文献标识码:A深部资源的开采利用是保障能源正常供应的必然趋势1。然而,深部岩体在开采前往往处于不同的围压,深入了解矿岩在不同围压下的破坏规律对于采矿破岩具有重要的现实意义。国内外学者通过实验、理论分析以及数值模拟,对围压下不同岩石材料的破坏进行了研究,得出了许多有益的结果。焦振华等2对套筒约束下的煤岩进行了冲击试验,发现煤岩呈现出与径向自由破坏特征不同的压剪破坏模式。王伟等3采用 CT 扫描与数字岩芯技术,研究了动静组合加载下砂岩的破坏形式与破坏机制,结果表明,三维动静组合加载下砂岩为压剪破坏,且其内部破坏面呈圆锥(台)形。Li 等4制备了不同含水率与不
4、同密度的砂土试样,从能量耗散角度分析了被动围压下砂土破坏的内在原因。Zheng 等5采用 CT 扫描法,三维重构了冲击载荷下不同围压作用时尾砂胶结充填体的内部裂纹,得出了裂纹体积随围压升高而减小的结论。刘军忠等6对脆性的斜长角闪岩进行了动态冲击试验,发现围压大大提高了脆性材料的动态抗压强度和韧性,显示出明显的围压效应。王泽东等7研究了不同应力状态下砂岩的变形破坏过程,同样发现围压作用下岩石的塑性应变增大,并出现明显的屈服平台。李鸿儒等8对不同围压下的花岗岩试样进行了冲击试验,结果表明,应变率和围压与岩石的强度均呈正相关,而围压对弹性模量的影响并不明显。然而,由于试样处于围压加载装置中,无法通过
5、常规手段,如高速摄影方法,观测裂纹的实时发育过程,数值模拟技术可以很好地克服试验材料和设备昂贵的弊端,获得试验手段无法获取的内部微裂隙实时扩展等信息。Gao 等9利用 LS-DYNA 软件进行了不同倾斜角度的混凝土-岩石组合体模型的动态冲击试验,发现在不同倾角和应变率下试样的破*收稿日期:2022-12-05;修回日期:2022-12-29 基金项目:国家自然科学基金(52064025);云南省重大科技项目(202202AG050014)作者简介:刘浩杉(1998),男,硕士研究生,主要从事工程爆破研究.E-mail: 通信作者:张智宇(1973),男,硕士,教授,主要从事工程爆破及岩石破碎研
6、究.E-mail:第37卷第3期高压物理学报Vol.37,No.32023年6月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSJun.,2023034103-1坏模式存在显著差异。马泗洲等10使用 LS-DYNA 软件研究了煤-岩组合体在不同角度及冲击载荷下的应力波传播规律及变形破坏特征,发现当组合体的加载角度为 45时破坏程度最剧烈。李祥龙等11利用 LS-DYNA 软件,对不同冲击速度下不同配比的充填体进行了试验,采用微裂纹密度法表征了充填体在冲击过程中的损伤变量,与试验结果吻合。程树范等12在 LS-DYNA 平台上利用耦合有限元-离散元方法模拟了煤岩的动态冲击过
7、程,结果表明,其破坏程度随冲击速度的提升而增加,破坏模式表现为局部剪切及整体张拉破坏。可见,LS-DYNA 作为一种成熟的分析手段已广泛应用于分离式霍普金森压杆(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)试验中。值得注意的是,以上数值模拟分析均只考虑了单轴冲击情况,实际上矿岩或各类岩石组合体都处于一定的围压中。Yang 等13在利用三轴压缩数据标定胶结充填体的 Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构参数后,利用 LS-DYNA 研究了横向初始约束和端面摩擦约束对胶结充填体动态压缩强度及破坏形态的影响,研究结论与一些学者的试验结果1416相符。上述数值计算
8、主要针对煤岩或充填体,针对矿岩的研究相对较少。本研究基于 SHPB 装置,对伟晶辉长岩开展不同围压及不同载荷冲击试验,分析其动态力学特性变化及能量耗散规律;同时,采用“隐式-显式”序列求解方法,借助 LS-DYNA 有限元软件,着重分析试样在围压条件下的损伤演化及动态破坏过程,以期为实际工程应用提供理论指导。1 试验装置与基本原理 1.1 试验装置本试验采用国际岩石力学学会推荐的标准岩石动力学测试工具 SHPB。SHPB 试验装置采用纺锤形子弹,长 0.4m,可产生近似恒应变率的半正弦波形,避免 Pochhammer-Chree 振荡问题。入射杆和透射杆的材质均为 40Cr 高强度合金钢,直径
9、 50mm,长度 2m,密度 7784kg/m3,弹性模量 210GPa,弹性杆的纵波波速为 5172m/s。装置结构如图 1 所示。(t)由应变片上的信号,可求得应力(t)、应变(t)和应变率(t)=AbEb2ASI(t)+R(t)+T(t)(t)=CblSwt0I(t)R(t)T(t)dt(t)=CblSI(t)R(t)T(t)(1)式中:Ab、Eb、Cb分别为压杆的横截面积、弹性模量和纵波波速,AS、lS分别为试样的横截面积和长度,I(t)、R(t)、T(t)分别为 t 时刻压杆的入射应变、反射应变和透射应变。Incident barLoading and unloading oil p
10、umpAir gunStrikerStrain gauge 1Strain gauge 2Confining pressure deviceVelocimeterHyperdynamic strain gaugeComputerIRTTransmitted bar图1SHPB 装置示意图Fig.1SchematicdiagramofSHPBdevice第37卷刘浩杉等:围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析第3期034103-2 1.2 耗能计算基于一维应力波理论及能量守恒定律,入射能 WI、反射能 WR和透射能 WT表示为WI(t)=AbEbCbw02I(t)dtWR(t)=AbEbC
11、bw02R(t)dtWT(t)=AbEbCbw02T(t)dt(2)试件吸收的耗散能 WS等于入射能 WI减去反射能 WR和透射能 WT,即WS=WI(WR+WT)(3)假设试件的耗散能全部用于岩石破碎,忽略试样的体积影响,采用破碎耗能密度 对试样的破碎耗能特性进行分析,计算公式为=WSV(4)式中:V 为试样的体积。1.3 试样制备及试验方案岩样为取自四川攀枝花的伟晶辉长岩,选择完整性较好的岩块,加工成长径比接近 1 的圆柱体,并对试样两端进行打磨,使其不平整度和不垂直度均小于 0.02mm。最终获得的试样为直径 50mm、高50mm 的圆柱体,长径比约为 1.0。试验前,对部分试样进行单轴
12、冲击试验,发现在 0.2MPa 的冲击气压下试样外观无明显裂纹,0.6MPa 时试样完全碎裂。为此,本试验共设计 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa5 种不同的冲击气压(pa),5、10、15、20、25MPa5 个不同水平的围压(pc),以研究不同围压及冲击载荷对试样的破坏作用。2 试验结果及分析伟晶辉长岩试件的基本力学参数如表 1 所示,其中:为密度,fcu为抗压强度,ft为抗拉强度,E 为弹性模量,为泊松比。2.1 动态应力平衡验证SHPB 试验的合理性是基于一维应力传播理论。如图 2 所示,入射波形与反射波形经平移相加后与透射波几乎重合,说明试样破坏前两端的应力达到平衡,验证
13、了试验结果的可靠性。2.2 SHPB 试验结果DIFdsDIF为了表征岩样在冲击载荷下的强度变化,引入动态强度因子来定量描述不同冲击应变率下岩石动态抗压强度相对于静态抗压强度的增幅,其中0.4MPa),说明围压对高应变率下试样强度的增长有抑制作用。这是因为围压在一定程度上抑制了试样的径向应变,在较高的冲击速度下这种抑制作用更加明显。(a)pa=0.2 MPa 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.801020304050607080Stress/MPaStrain/103Strain/103Strain/103 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa
14、 25 MPa 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa(b)pa=0.3 MPa 12345020406080100120140160Stress/MPa(c)pa=0.4 MPa1234050100150200Stress/MPa(d)pa=0.5 MPa 123456050100150200Stress/MPaStress/MPaStrain/103Strain
15、/103246810050100150200250(e)pa=0.6 MPa 图3不同冲击载荷以及不同围压下试样的应力-应变曲线Fig.3Stress-straincurvesofspecimensunderdifferentconfiningpressuresandimpactloads第37卷刘浩杉等:围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析第3期034103-5 3 能量吸收与破坏形态分析 3.1 入射能与透射能及反射能的关系试样在冲击载荷作用下吸收的能量用于其内部裂隙的发育、发展、贯通。冲击破碎过程中,从入射杆传递的总入射能经岩样破碎后发生耗散,一部分转变为岩石破碎吸收能,一部分发
16、生透射转变为透射能,其他则主要以弹性波的形式反射回冲击机构转变为反射能。图 6 显示了不同冲击气压下围压对反射能(绿色)、吸收能(蓝色)和透射能(橙色)占比的影响。总体上看,能量由高到低分别为透射能、吸收能、反射能。不同冲击气压下反射能占比随围压的变化如图 7 所示。围压的升高使得试件内部孔隙被逐渐压密,入射波在试件内部的消耗减少,反射能总体呈上升趋势,占比处于 8%22%之间。0510152025306090120150180210d=2.840pc+150.178,R2=0.94d=2.287pc+146.427,R2=0.97d=2.372pc+139.451,R2=0.97d=2.40
17、6pc+86.402,R2=0.97 0.2 MPa 0.3 MPa 0.4 MPa 0.5 MPa 0.6 MPaFitting curved/MPapc/MPad=0.993pc+47.701,R2=0.90图4不同冲击载荷下围压与动态抗压强度的关系Fig.4Relationbetweenconfiningpressureanddynamiccompressivestrengthunderdifferentimpactloads0.20.30.40.50.60.51.01.52.02.53.03.54.0DIFpa/MPa 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa
18、图5不同围压下冲击载荷与动态强度因子的关系Fig.5Relationbetweenimpactloadanddynamicincreasefactorunderdifferentconfiningpressures(a)pa=0.2 MPa(b)pa=0.3 MPa(c)pa=0.4 MPa(d)pa=0.5 MPa(e)pa=0.6 MPa 51015pc/MPa202551015pc/MPa202551015pc/MPa202551015pc/MPa202551015pc/MPa20250204060801000204060801000204060801000204060801000204
19、06080100WR/WIWS/WIWT/WIWR/WIWS/WIWT/WIWR/WIWS/WIWT/WIWR/WIWS/WIWT/WIWR/WIWS/WIWT/WI63%61%57%55%49%25%28%31%35%37%12%11%12%10%14%55%59%56%52%47%32%32%35%37%40%13%9%9%11%13%62%58%47%37%28%29%35%42%45%50%9%7%11%18%22%54%52%49%50%34%35%36%37%39%51%11%12%14%11%16%52%48%43%37%33%40%41%45%45%46%8%11%12%17%
20、21%Energy ratio/%Energy ratio/%Energy ratio/%Energy ratio/%Energy ratio/%图6不同冲击气压下能量占比随围压的变化Fig.6Ratiosofenergiesversusconfiningpressuresunderdifferentimpactpressures第37卷刘浩杉等:围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析第3期034103-6不同冲击气压下透射能占比随围压的变化如图 8 所示。可以看出:透射能占比在 28%63%区间;各冲击气压下透射能占比随着围压的升高而降低;低围压下,约 2/3 的能量以透射能形式传播;
21、随着围压的升高,更多的能量用于试件破坏,小部分能量用于增加反射能,透射能占比也从 2/3 下降至1/3 左右。3.2 破碎耗能与入射能量试样破碎耗能密度与应变率的关系如图 9 所示。总体上看,随着应变率的增加,5 种围压下试样的能耗密度呈非线性上升;而当应变率相近时,围压越高,能耗密度越大。同时,从图 9 中还可以看出:当应变率为 95s1时,能耗密度出现一个明显的转折点;应变率越高,对应的入射能越大,转折点后能耗密度随应变率的增长速率较转折点前高。3.3 破坏模式分析当冲击气压为 0.2MPa,围压分别为 5、10、15MPa 时,试样几乎未发生破损,为此选取具有代表性的试样破坏图像进行分析
22、,如图 10 所示。从图 10(a)、图 10(c)、图 10(e)中试件的破坏形态可以看出,在较低的冲击压力下,随着围压的升高,试件的破坏程度降低。在较高的冲击压力下,随着围压的升高,试件的破坏程度加剧,从图 10(b)中只看到一条宏观剪切裂纹以及少数分布于试件表面的微观裂隙,而图 10(d)中则有两条宏观裂纹以及少数裂隙。随着围压的升高,在相同的入射能下,试件的耗散能增加,增加的能量用于试件内部微观裂隙发育,从图 10(f)中可以看出试样出现多条宏观裂纹,造成试件破坏。高围压下(20、25MPa)试样的破碎形态如图 11 所示。将试件碎块进行筛分,分为粒径 d25mm3 种情况。可以看出,
23、在围压固定的情况下,随着冲击压力的升高,d25mm 的碎粒的破坏断面多带有一定角度,这是剪切裂纹所致。510152025812162024WRWI1/%pc/MPa 0.2 MPa 0.3 MPa 0.4 MPa 0.5 MPa 0.6 MPa图7不同冲击气压下反射能占比随围压的变化Fig.7Reflectionenergyratiosversusconfiningpressuresunderdifferentimpactpressures510152025pc/MPa 0.2 MPa 0.3 MPa 0.4 MPa 0.5 MPa 0.6 MPa253035404550556065WTWI1
24、/%图8不同冲击气压下透射能占比随围压的变化Fig.8Transmittedenergyratiosversusconfiningpressuresunderdifferentimpactpressures204060801001201400.20.40.60.81.01.2Energy consumption density/(Jcm3)Strain rate/s1 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa图9不同围压下应变率与能耗密度的关系Fig.9Relationshipbetweenstrainrateandenergyconsumptiondensityun
25、derdifferentconfiningpressures第37卷刘浩杉等:围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析第3期034103-7 4 有限元模型建立 4.1 模拟方法与参数确定建模在软件 ANSYS 中完成,采用 LS-PREPOST 软件进行后处理。采用适合解决岩石材料的高应(a)pc=5 MPa,pa=0.2 MPaSpallingCrackCrackCrackCrackFissureFissureFissureFissure(b)pc=5 MPa,pa=0.6 MPa(c)pc=10 MPa,pa=0.4 MPa(d)pc=10 MPa,pa=0.6 MPa(e)pc=1
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