高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性

第36卷第8期 北京科技大学学报 Vol.36 No.8 2014年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2014 高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学 特性 唐礼忠”，舒计步区，武建力”，李夕兵”，汪令辉 1)中南大学资源与安全工程学院，长沙4100832)铜陵有色金属（集团）公司，铜陵244031 ☒通信作者，E-mail:shujibu@hotmail..com 摘要为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理，利用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统，首 次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究.随着冲击 次数的增加，岩石的弹性模量先增大后减小，而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势，最后一次冲击时弹 性模量骤降，最大应变突增，岩石试样发生破坏.单位体积岩石能耗为负值，说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能 量的特性，这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放：随着冲击次数的增加，单位体积岩石释放 的能量先增大后减小.结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式. 关键词岩石力学；动力学特性：应力：扰动；破坏模式 分类号TU458 Dynamic characteristics of skarn under the combined action of high static stress and frequent dynamic disturbance TANG Li--hong”,SHU Ji--bu》,WU Jian--i,lX-bing”,WANG Ling-hui2》 1)School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China 2)Tongling Nonferrous Metal Group,Tongling 244031,China Corresponding author,E-mail:shujibu@hotmail.com ABSTRACT In order to further study the failure mechanism of deep rock mass under the dynamic effect of excavation and blasting, the deformation characteristics,energy laws and failure model of skarn were investigated for the first time under the medium to high strain rate and the combined action of high static stress and frequent dynamic disturbance with an experimental system of coupled static and dynamic loads based on the SHPB device.The results show that the elastic modulus of rock increases with the increase of impacts and then it decreases,at the same time,the maximum strain exhibits an overall trend of decreasing first and then increasing.The elas- tic modulus drops sharply and the maximum strain shoots up when the last impact comes.The energy consumption per volume of rock is negative,which indicates that the rock samples exhibit a characteristic of energy release under impact dynamic action because a great much elastic strain energy stored in rock samples under high static stress action is released by the disturbance of impact dynamic ac- tion.The energy release per volume of rock increases first and then decreases with the increase of impacts.The skarn samples which have compact structure and high strength show a failure mode of splitting. KEY WORDS rock mechanics;dynamic characteristics;stress:disturbance;failure modes 随着浅部矿产资源的日益减少，越来越多的矿爆破对自身采场和相邻采场及巷道围岩产生动力作 山逐步进入深部开采而.在矿山开采过程中，采场 用.由于采区爆破空间密集，作业频繁，深部岩体在 收稿日期：2013-06-25 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB732004):中南大学学位论文创新资助项目(2011sx270) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.001:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 8 期 2014 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 8 Aug． 2014 高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学 特性 唐礼忠1) ，舒计步1) ，武建力1) ，李夕兵1) ，汪令辉1，2) 1) 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 2) 铜陵有色金属( 集团) 公司，铜陵 244031  通信作者，E-mail: shujibu@ hotmail． com 摘 要 为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理，利用基于 SHPB 装置的动静组合加载试验系统，首 次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究． 随着冲击 次数的增加，岩石的弹性模量先增大后减小，而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势，最后一次冲击时弹 性模量骤降，最大应变突增，岩石试样发生破坏． 单位体积岩石能耗为负值，说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能 量的特性，这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放; 随着冲击次数的增加，单位体积岩石释放 的能量先增大后减小． 结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式． 关键词 岩石力学; 动力学特性; 应力; 扰动; 破坏模式 分类号 TU 458 Dynamic characteristics of skarn under the combined action of high static stress and frequent dynamic disturbance TANG Li-zhong1) ，SHU Ji-bu1)  ，WU Jian-li1) ，LI Xi-bing1) ，WANG Ling-hui1，2) 1) School of Ｒesources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China 2) Tongling Nonferrous Metal Group，Tongling 244031，China  Corresponding author，E-mail: shujibu@ hotmail． com ABSTＲACT In order to further study the failure mechanism of deep rock mass under the dynamic effect of excavation and blasting， the deformation characteristics，energy laws and failure model of skarn were investigated for the first time under the medium to high strain rate and the combined action of high static stress and frequent dynamic disturbance with an experimental system of coupled static and dynamic loads based on the SHPB device． The results show that the elastic modulus of rock increases with the increase of impacts and then it decreases，at the same time，the maximum strain exhibits an overall trend of decreasing first and then increasing． The elas￾tic modulus drops sharply and the maximum strain shoots up when the last impact comes． The energy consumption per volume of rock is negative，which indicates that the rock samples exhibit a characteristic of energy release under impact dynamic action because a great much elastic strain energy stored in rock samples under high static stress action is released by the disturbance of impact dynamic ac￾tion． The energy release per volume of rock increases first and then decreases with the increase of impacts． The skarn samples which have compact structure and high strength show a failure mode of splitting． KEY WOＲDS rock mechanics; dynamic characteristics; stress; disturbance; failure modes 收稿日期: 2013--06--25 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2010CB732004) ; 中南大学学位论文创新资助项目( 2011ssxt270) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 08． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 随着浅部矿产资源的日益减少，越来越多的矿 山逐步进入深部开采［1］． 在矿山开采过程中，采场 爆破对自身采场和相邻采场及巷道围岩产生动力作 用． 由于采区爆破空间密集，作业频繁，深部岩体在

·994 北京科技大学学报 第36卷 受到高静应力作用的同时，还不断受到动力扰动的 作用.因此，这种高静应力条件下的频繁动力扰动 作用（即高静应力+频繁动力扰动）是深部采区一 个基本的载荷作用形式.岩层在这种“高静应力+ 频繁动力扰动”形式的载荷作用下与在完全静力作 用下的情况具有不同的力学行为，表现出易于导致 大规模的岩层和工程结构产生突发性破坏以及不同 规模的岩爆P-).因此，开展岩石在“高静应力+频 繁动力扰动”作用下的试验研究，可以揭示深部矿 床开采岩层破坏机理以及为岩层控制技术提供理论 依据. 图1基于SHPB装置的动静组合加载试验系统 在低应变率(<10°s1)下，葛修润等和李树 Fig.1 Experimental system of coupled static and dynamic loads 春等m利用MTS试验设备和Instron电液伺服材料 based on the SHPB device 试验机，进行了许多岩石的动静组合加载以及循环 加卸载试验，得出了低应变率下岩石的变形特性、门 杆之间，在入射杆和透射杆上分别粘贴应变片，并利 槛值、应力强化等一系列结论.在中高应变率(10° 用入射杆前段放置的平行光束测得异型冲头的撞击 ~103s-)下，文献8-14]利用基于SHPB装置的 速度.在进行试验时，首先通过轴向静压加载装置 动静组合加载试验系统，进行了许多岩石在轴向静 施加试验需要的静态荷载，随后启动应力波发生装 压相同而动载不同和动载相同而轴向静压不同时的 置，SHPB装置的异型冲头在高压氮气的作用下以 动静组合加载试验：研究结果表明，岩石在动静组合 一定的速度与入射杆发生对心碰撞，在入射杆的端 荷载作用下，其强度、变形、破坏模式等力学特性与 部产生一定形状的应力波，应力波在杆中传播，岩石 传统的岩石静力学或动力学特性差异较大.刘运通 试件在入射波的作用下产生高速变形，并在岩石与 和高文学的利用一级轻气炮驱动的飞片撞击试验 弹性杆的交界面分别发生反射和透射，入射波和反 技术，研究了高应变率(10~10s-)下岩石的力学 射波的应变信号先后由粘贴在入射杆上的应变片 响应特性，并分析得到大理岩的动态本构关系.但 G,测得，透射波的应变信号则由粘贴在透射杆上的 是，目前对于中高应变率下岩石在预加静载作用下 应变片G,测得 的频繁动力扰动的研究尚未见报道.因此，笔者利 冲头 人射杆应变片G 试样 应变片G,透射杆 用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统研究了 矽卡岩在“高静应力+频繁动力扰动”共同作用下 的强度和变形等动态力学特性及其变化规律，得出 静压加载装置 了一些有益于深部岩体力学理论体系完善的结论. 图2SHPB试验原理示意图 Fig.2 Sketch of the SHPB experimental principle 1试验条件与试验方案 由于入射杆和透射杆的直径和材质相同，在弹 1.1试验设备 性状态下，细长杆件中传播的弹性波不会产生畸形， 试验采用中南大学资源与安全工程学院李夕兵 根据一维应力波理论，应力、应变与质点速度之间存 等P-0,1W改进的基于SHPB装置的动静组合加载试 在下式所示的线性关系： 验系统（如图1所示）.该系统可实现轴向静载0~ o1(t)=o1(x1,t）+oR(x1,t)=E[s,(x1,t）+ 200MPa以及冲击动载0~500MPa的同时加载，入 eR(x1,)] 射杆和透射杆所用材料为直径50mm的40Cr合金 钢，弹性模量为250GPa,泊松比0.28，弹性波在入 o2(t）=or(x2,t）=Eer(x2,t) 射杆和透射杆中传播的波速均为554m·s',通过 v1(t）=y(x1,t)+s(x1,t）=Co[s,(x1,t)- 选用可以产生半矩形波的变截面异型冲头，实现了 ER(x1,)] 试样在中高应变率下的恒应变率加载. Lv (t)=v(x2,t)=CosT(x2,1) 1.2试验原理 (1) 如图2所示，将测试试样放置在入射杆和透射 式中：E为岩石弹性模量；x表示位置；t表示时间：

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 受到高静应力作用的同时，还不断受到动力扰动的 作用． 因此，这种高静应力条件下的频繁动力扰动 作用( 即高静应力 + 频繁动力扰动) 是深部采区一 个基本的载荷作用形式． 岩层在这种“高静应力 + 频繁动力扰动”形式的载荷作用下与在完全静力作 用下的情况具有不同的力学行为，表现出易于导致 大规模的岩层和工程结构产生突发性破坏以及不同 规模的岩爆［2 － 5］． 因此，开展岩石在“高静应力 + 频 繁动力扰动”作用下的试验研究，可以揭示深部矿 床开采岩层破坏机理以及为岩层控制技术提供理论 依据． 在低应变率( ＜ 100 s － 1 ) 下，葛修润等［6］和李树 春等［7］利用 MTS 试验设备和 Instron 电液伺服材料 试验机，进行了许多岩石的动静组合加载以及循环 加卸载试验，得出了低应变率下岩石的变形特性、门 槛值、应力强化等一系列结论． 在中高应变率( 100 ～ 103 s － 1 ) 下，文献［8 － 14］利用基于 SHPB 装置的 动静组合加载试验系统，进行了许多岩石在轴向静 压相同而动载不同和动载相同而轴向静压不同时的 动静组合加载试验; 研究结果表明，岩石在动静组合 荷载作用下，其强度、变形、破坏模式等力学特性与 传统的岩石静力学或动力学特性差异较大． 刘运通 和高文学［15］利用一级轻气炮驱动的飞片撞击试验 技术，研究了高应变率( 104 ～ 105 s － 1 ) 下岩石的力学 响应特性，并分析得到大理岩的动态本构关系． 但 是，目前对于中高应变率下岩石在预加静载作用下 的频繁动力扰动的研究尚未见报道． 因此，笔者利 用基于 SHPB 装置的动静组合加载试验系统研究了 矽卡岩在“高静应力 + 频繁动力扰动”共同作用下 的强度和变形等动态力学特性及其变化规律，得出 了一些有益于深部岩体力学理论体系完善的结论． 1 试验条件与试验方案 1. 1 试验设备 试验采用中南大学资源与安全工程学院李夕兵 等［9 － 10，14］改进的基于 SHPB 装置的动静组合加载试 验系统( 如图 1 所示) ． 该系统可实现轴向静载 0 ～ 200 MPa 以及冲击动载 0 ～ 500 MPa 的同时加载，入 射杆和透射杆所用材料为直径 50 mm 的 40Cr 合金 钢，弹性模量为 250 GPa，泊松比 0. 28，弹性波在入 射杆和透射杆中传播的波速均为 5547 m·s － 1，通过 选用可以产生半矩形波的变截面异型冲头，实现了 试样在中高应变率下的恒应变率加载． 1. 2 试验原理 如图 2 所示，将测试试样放置在入射杆和透射 图 1 基于 SHPB 装置的动静组合加载试验系统 Fig． 1 Experimental system of coupled static and dynamic loads based on the SHPB device 杆之间，在入射杆和透射杆上分别粘贴应变片，并利 用入射杆前段放置的平行光束测得异型冲头的撞击 速度． 在进行试验时，首先通过轴向静压加载装置 施加试验需要的静态荷载，随后启动应力波发生装 置，SHPB 装置的异型冲头在高压氮气的作用下以 一定的速度与入射杆发生对心碰撞，在入射杆的端 部产生一定形状的应力波，应力波在杆中传播，岩石 试件在入射波的作用下产生高速变形，并在岩石与 弹性杆的交界面分别发生反射和透射，入射波和反 射波的应变信号先后由粘贴在入射杆上的应变片 G1测得，透射波的应变信号则由粘贴在透射杆上的 应变片 G2测得． 图 2 SHPB 试验原理示意图 Fig． 2 Sketch of the SHPB experimental principle 由于入射杆和透射杆的直径和材质相同，在弹 性状态下，细长杆件中传播的弹性波不会产生畸形， 根据一维应力波理论，应力、应变与质点速度之间存 在下式所示的线性关系: σ1 ( t) = σI( x1，t) + σＲ( x1，t) = E［εI( x1，t) + εＲ( x1，t) ］ σ2 ( t) = σT ( x2，t) = EεT ( x2，t) v1 ( t) = vI( x1，t) + vＲ( x1，t) = C0［εI( x1，t) － εＲ( x1，t) ］ v2 ( t) = vT ( x2，t) = C0εT ( x2，t          ) ( 1) 式中: E 为岩石弹性模量; x 表示位置; t 表示时间; · 499 ·

第8期 唐礼忠等：高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性 ·995· C。为应力波在弹性杆中传播的波速，为5547m·s; 此时试样在轴向静载的作用下仍旧处于弹性阶段， ,(t)和81(x1,t)分别为入射波的应力和应变； 同时考虑到岩石的非均匀性和试验数据的离散性， σg(t)和E（x1,t)分别为反射波的应力和应变： 为了使试验容易控制，采用静应力为岩石静载强度 σ，(t)和E,（x2,t)分别为透射波的应力和应变：下 的60%和68%两个应力水平，分为两组试验.为 标1和2分别表示如图2中岩石与入射杆和透射杆 此，利用nstronl:346型电液伺服材料试验机进行常 接触的位置x1和x2: 规的单轴压缩试验，测得矽卡岩的平均单轴抗压强 结合式(1)与应力波传播理论，岩石试样的动 度为125MPa.这样，两组试验中的轴向静应力分别 态应力、动态应变率和平均应变可通过应变片G,、 为75MPa和85MPa.频繁动力扰动的冲击动载取 G2测得的应变信号计算得出，结果如下式所示 SHPB装置的最小冲击气压，大小为0.4MPa,以模 女.0-光0+aG0+W] 拟小动力扰动，加载模型如图3所示，其中P为预 加静荷载，P为冲击动荷载.所用试样的物理力学 ()+()3-] 参数及加载方案如表1所示 9L(,0+esa0+ Er(x2,)]dt. (2) 式中：σ.(t)、e.(t)和s.(t)分别表示岩石试样的动 态应力、动态应变率和平均应变，A表示岩石试样横 截面的面积，L表示岩石试样的长度. 1.3取样与加工 a)试样受载情况 )应力-时间曲线 本次试验所选用的岩石试样为矽卡岩，取自安 图3高静应力与频繁动力扰动加载模型示意图.()试样受载 徽省铜陵有色金属集团股份有限公司下属的冬瓜山 情况：(b)应力-时间曲线 Fig.3 Model sketch of high static stress and frequent dynamic dis- 铜矿.冬瓜山铜矿开采深度达1200多m,为深部硬 turbance:(a)loading conditions of the sample:(b)stress-time 岩矿床开采的矿山.本次试验所取试样位于地下 curve 900m深度的矿体，岩性为矽卡岩，颜色较深，呈深 灰色，结构致密，强度较大.在开挖爆破等的动力扰 表1试样物理力学参数及加载方案 Table 1 Physico-mechanical parameters of the rock samples and loading 动的影响下，矽卡岩所在位置发生了不同程度的岩 scheme 爆现象.为满足岩石力学试验的要求，将采集得到 试样 试样 直径/ 长度/预加静载/冲击气压/ 的矽卡岩岩样严格按照国际岩石力学学会规定的尺 分组 编号 mm mm MPa MPa 寸进行加工，试验过程中所用岩石试样直径与弹性 1 49.46 50.20 75 0.4 杆直径相等，试样直径为50mm,长径比为1.仔细 1-2 49.38 50.12 75 0.4 打磨试样的两个端面，以保证试样两个端面的不垂 1-3 49.28 50.24 75 0.4 直度和不平整度均小于0.02mm. 2- 49.44 50.32 85 0.4 1.4试验方案 2-2 49.20 500R 5 0.4 本次试验是研究岩石在高静应力和频繁动力扰 2-3 49.22 50.26 85 0.4 动共同作用下的力学特性.为了模拟高静应力和频 繁动力扰动，试验过程中，高静应力简化为轴向预加 2试验结果与分析 静荷载，频繁动力扰动简化为轴向冲击动荷载的多 次冲击.试样在静应力和多次冲击作用下直至破 2.1试验结果 坏，试验结束.试验时首先需要确定轴向预加静应 岩石试样虽然处于较高的静载条件下，但是由 力和冲击荷载的大小.李夕兵等0研究发现，当施 于冲击气压仅为0.4MPa,试样经过多次冲击才发 加的轴向静载小于岩石试样单轴抗压强度的70% 生失稳破坏.分别绘制预加静载作用下每个试样在 时，组合加载的方式可以对岩石材料的强度起到一 多次动力扰动作用中的应力一应变曲线，并将多次 个强化的作用，试样承受动静组合加载的能力最大， 动力扰动直至试样破坏的历次动力作用下的试样的

第 8 期 唐礼忠等: 高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性 C0为应力波在弹性杆中传播的波速，为 5547 m·s － 1 ; σI ( t) 和 εI ( x1，t) 分别为入射波的应力和应 变; σＲ( t) 和 εＲ ( x1，t) 分别为反射波的应力和应变; σT ( t) 和 εT ( x2，t) 分别为透射波的应力和应变; 下 标 1 和 2 分别表示如图 2 中岩石与入射杆和透射杆 接触的位置 x1和 x2 ． 结合式( 1) 与应力波传播理论，岩石试样的动 态应力、动态应变率和平均应变可通过应变片 G1、 G2测得的应变信号计算得出，结果如下式所示． σs( t) = AE 2AS ［εI( x1，t) + εＲ( x1，t) + εT( x2，t) ］， ε · s( t) = C0 L ［－ εI( x1，t) + εＲ( x1，t) + εT( x2，t) ］， εs( t) = C0 L ∫ t 0 ［－ εI( x1，t) + εＲ( x1，t) + εT( x2，t) ］d          t． ( 2) 式中: σs( t) 、ε · s( t) 和 εs ( t) 分别表示岩石试样的动 态应力、动态应变率和平均应变，A 表示岩石试样横 截面的面积，L 表示岩石试样的长度． 1. 3 取样与加工 本次试验所选用的岩石试样为矽卡岩，取自安 徽省铜陵有色金属集团股份有限公司下属的冬瓜山 铜矿． 冬瓜山铜矿开采深度达 1200 多 m，为深部硬 岩矿床开采的矿山． 本次试验所取试样位于地下 900 m 深度的矿体，岩性为矽卡岩，颜色较深，呈深 灰色，结构致密，强度较大． 在开挖爆破等的动力扰 动的影响下，矽卡岩所在位置发生了不同程度的岩 爆现象． 为满足岩石力学试验的要求，将采集得到 的矽卡岩岩样严格按照国际岩石力学学会规定的尺 寸进行加工，试验过程中所用岩石试样直径与弹性 杆直径相等，试样直径为 50 mm，长径比为 1． 仔细 打磨试样的两个端面，以保证试样两个端面的不垂 直度和不平整度均小于 0. 02 mm． 1. 4 试验方案 本次试验是研究岩石在高静应力和频繁动力扰 动共同作用下的力学特性． 为了模拟高静应力和频 繁动力扰动，试验过程中，高静应力简化为轴向预加 静荷载，频繁动力扰动简化为轴向冲击动荷载的多 次冲击． 试样在静应力和多次冲击作用下直至破 坏，试验结束． 试验时首先需要确定轴向预加静应 力和冲击荷载的大小． 李夕兵等［10］研究发现，当施 加的轴向静载小于岩石试样单轴抗压强度的 70% 时，组合加载的方式可以对岩石材料的强度起到一 个强化的作用，试样承受动静组合加载的能力最大， 此时试样在轴向静载的作用下仍旧处于弹性阶段， 同时考虑到岩石的非均匀性和试验数据的离散性， 为了使试验容易控制，采用静应力为岩石静载强度 的 60% 和 68% 两个应力水平，分为两组试验． 为 此，利用 Instron1346 型电液伺服材料试验机进行常 规的单轴压缩试验，测得矽卡岩的平均单轴抗压强 度为 125 MPa． 这样，两组试验中的轴向静应力分别 为 75 MPa 和 85 MPa． 频繁动力扰动的冲击动载取 SHPB 装置的最小冲击气压，大小为 0. 4 MPa，以模 拟小动力扰动，加载模型如图 3 所示，其中 Pas为预 加静荷载，Pd为冲击动荷载． 所用试样的物理力学 参数及加载方案如表 1 所示． 图 3 高静应力与频繁动力扰动加载模型示意图． ( a) 试样受载 情况; ( b) 应力--时间曲线 Fig． 3 Model sketch of high static stress and frequent dynamic dis￾turbance: ( a ) loading conditions of the sample; ( b ) stress-time curve 表 1 试样物理力学参数及加载方案 Table 1 Physico-mechanical parameters of the rock samples and loading scheme 试样 分组 试样 编号 直径/ mm 长度/ mm 预加静载/ MPa 冲击气压/ MPa 1--1 49. 46 50. 20 75 0. 4 1 1--2 49. 38 50. 12 75 0. 4 1--3 49. 28 50. 24 75 0. 4 2--1 49. 44 50. 32 85 0. 4 2 2--2 49. 20 50. 08 85 0. 4 2--3 49. 22 50. 26 85 0. 4 2 试验结果与分析 2. 1 试验结果 岩石试样虽然处于较高的静载条件下，但是由 于冲击气压仅为 0. 4 MPa，试样经过多次冲击才发 生失稳破坏． 分别绘制预加静载作用下每个试样在 多次动力扰动作用中的应力--应变曲线，并将多次 动力扰动直至试样破坏的历次动力作用下的试样的 · 599 ·

·996 北京科技大学学报 第36卷 应力一应变曲线给制于同一个坐标系之中.图4为 用过程中典型的应力一应变曲线，图中曲线上标注 轴向静载为75MPa和85MPa时试样在历次动力作 的数字为冲击序次. 100 120 80 100 0.002 0.004 0.006 0.008 D.01 .2 0.(03 0.004 0.005 应变 应变 图4冲击试验应力-应变曲线.(a)轴向静载为75MPa:(b)轴向静载为85MPa Fig.4 Stress-strain curves in dynamic tests:(a)the axial static load is 75 MPa:(b)the axial static load is 85 MPa 2.1.1应力峰值前变形特征 的冲击次序下岩石试样的最大变形特征.但是，预 由图4可知，在轴向静载为75MPa和85MPa 加静载为75MPa时，因不会发生应变回弹，此时最 时，矽卡岩试样应力一应变曲线峰值前表现出相似 大应变取冲击荷载作用时间为120μs时试样的轴 的力学性质，在“高静应力+频繁动力扰动”作用下 向变形与轴向长度之比 的应力一应变曲线均没有下凹段，说明此时在轴向 轴向预加静载为75MPa和85MPa时试样最大 静载的作用下，岩石内部的微裂隙己经基本闭合，在 应变随冲击次数的变化过程如图5所示，最大应变 动力作用过程中不存在类似于单轴压缩试验的微裂 整体表现出一个先减小后增大的趋势，第一次冲击 隙压密阶段.在冲击动载作用下，岩石首先进入一 时，应变较大，随后应变以一个较小的比率逐渐增 个较长的线弹性阶段，岩石表现出应力随应变的线 大，但是均小于第一次冲击时的最大应变，直至最后 性关系.随后，在线弹性段与峰值应力之间，岩石在 一次冲击时，最大应变突增，岩石试样发生破坏 冲击动载的作用下，经过一个较短的塑性变形阶段， 0.006 到达每次冲击的峰值强度. 0.005 2.1.2应力峰值后变形特征 0.004 比较图4中两种不同静载的应力一应变曲线， 岩石的峰后曲线差别较大，表现出岩石在静载不同 0.003 时不同的力学性质.静载为85MPa时，峰后曲线的 0.002 应变有一个减小的过程，这是由于在预加静载的作 75 MPa 用下，岩石内部储存了大量的弹性能，冲击动载的作 0.001 用导致弹性能的释放，弹性能释放产生的回弹力大 3456 78910 于岩石受到的静载应力，使岩石的应变出现一个回 冲击次数 弹的现象；同时，在岩石试样裂纹贯通的表面，释放 图5不同预加轴向静载下最大应变随动载冲击次数的变化 的弹性能使一部分岩石发生弹射破坏.静载为75 Fig.5 Variations in the maximum strain with the impact order of dy- MPa时，岩石在静载和冲击动载的作用下，内部储存 namic loads at different static axial pre-compressive stresses 的弹性能较少，当冲击动载作用完毕后，弹性能释放 2.2弹性模量随冲击次数的变化 产生的回弹力不足以抵消轴向静载的作用，应变不 岩石的弹性模量是一个表征岩石压缩变形特性 会减小，释放的弹性能也用来使一部分岩石发生弹 的一个重要力学参数，通常用应力一应变曲线近似 射破坏 直线段的斜率表示 2.1.3最大变形特征 轴向预加静载为75MPa和85MPa时试样弹性 最大应变为岩石试样在每次冲击荷载作用时轴 模量随冲击次数的变化过程如图6所示，随着冲击 向最大变形与试样轴向长度之比，用以表示在不同 次数的增加弹性模量均表现出先增大后减小的趋

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 应力--应变曲线给制于同一个坐标系之中． 图 4 为 轴向静载为 75 MPa 和 85 MPa 时试样在历次动力作 用过程中典型的应力--应变曲线，图中曲线上标注 的数字为冲击序次． 图 4 冲击试验应力--应变曲线． ( a) 轴向静载为 75 MPa; ( b) 轴向静载为 85 MPa Fig． 4 Stress-strain curves in dynamic tests: ( a) the axial static load is 75 MPa; ( b) the axial static load is 85 MPa 2. 1. 1 应力峰值前变形特征 由图 4 可知，在轴向静载为 75 MPa 和 85 MPa 时，矽卡岩试样应力--应变曲线峰值前表现出相似 的力学性质，在“高静应力 + 频繁动力扰动”作用下 的应力--应变曲线均没有下凹段，说明此时在轴向 静载的作用下，岩石内部的微裂隙已经基本闭合，在 动力作用过程中不存在类似于单轴压缩试验的微裂 隙压密阶段． 在冲击动载作用下，岩石首先进入一 个较长的线弹性阶段，岩石表现出应力随应变的线 性关系． 随后，在线弹性段与峰值应力之间，岩石在 冲击动载的作用下，经过一个较短的塑性变形阶段， 到达每次冲击的峰值强度． 2. 1. 2 应力峰值后变形特征 比较图 4 中两种不同静载的应力--应变曲线， 岩石的峰后曲线差别较大，表现出岩石在静载不同 时不同的力学性质． 静载为 85 MPa 时，峰后曲线的 应变有一个减小的过程，这是由于在预加静载的作 用下，岩石内部储存了大量的弹性能，冲击动载的作 用导致弹性能的释放，弹性能释放产生的回弹力大 于岩石受到的静载应力，使岩石的应变出现一个回 弹的现象; 同时，在岩石试样裂纹贯通的表面，释放 的弹性能使一部分岩石发生弹射破坏． 静载为 75 MPa 时，岩石在静载和冲击动载的作用下，内部储存 的弹性能较少，当冲击动载作用完毕后，弹性能释放 产生的回弹力不足以抵消轴向静载的作用，应变不 会减小，释放的弹性能也用来使一部分岩石发生弹 射破坏． 2. 1. 3 最大变形特征 最大应变为岩石试样在每次冲击荷载作用时轴 向最大变形与试样轴向长度之比，用以表示在不同 的冲击次序下岩石试样的最大变形特征． 但是，预 加静载为 75 MPa 时，因不会发生应变回弹，此时最 大应变取冲击荷载作用时间为 120 μs 时试样的轴 向变形与轴向长度之比． 轴向预加静载为 75 MPa 和 85 MPa 时试样最大 应变随冲击次数的变化过程如图 5 所示，最大应变 整体表现出一个先减小后增大的趋势，第一次冲击 时，应变较大，随后应变以一个较小的比率逐渐增 大，但是均小于第一次冲击时的最大应变，直至最后 一次冲击时，最大应变突增，岩石试样发生破坏． 图 5 不同预加轴向静载下最大应变随动载冲击次数的变化 Fig． 5 Variations in the maximum strain with the impact order of dy￾namic loads at different static axial pre-compressive stresses 2. 2 弹性模量随冲击次数的变化 岩石的弹性模量是一个表征岩石压缩变形特性 的一个重要力学参数，通常用应力--应变曲线近似 直线段的斜率表示． 轴向预加静载为 75 MPa 和 85 MPa 时试样弹性 模量随冲击次数的变化过程如图 6 所示，随着冲击 次数的增加弹性模量均表现出先增大后减小的趋 · 699 ·

第8期 唐礼忠等：高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性 ·997· 势.随着冲击荷载作用次数的增多，岩石内部存在 着岩石本身在冲击过程中不吸收扰动能量而是在释 的微裂隙逐渐闭合，导致岩石试样的弹性模量增加； 放能量，说明动力扰动诱发了岩石内部已经存储的 但是，随着冲击次数的继续增多，岩石内部损伤加 弹性变形能的释放，这一点与矿山深部的岩爆现象 剧，裂隙扩展以及新裂纹的萌生发展逐渐增强，直至 类似.随着冲击次数的增加，岩石单位体积释放出 在岩石内部慢慢形成较大的贯穿裂纹，引起岩石试 的弹性能也随之增加，但随着冲击次数的进一步加 样弹性模量的逐渐降低，在最后一次动载冲击作用 大，岩石内部损伤加剧，出现了裂纹、贯穿节理、碎片 下，弹性模量降低较多，岩石发生破坏 剥落等现象，当达到一定次数的冲击后，岩石释放出 的弹性能开始减小，但仍然处于负能量状态.这说 80 明由于高静应力的存在，岩石在冲击之前，内部已经 70 储存了大量的弹性应变能，在冲击荷载作用下，一部 分弹性能被释放出来，释放的弹性能促进了岩石损 50 85 MP 伤的加剧，裂纹萌生并扩展，直至最后一次冲击时岩 0 石试样发生破坏 20 10 612345678910 冲次数 75 MPa 图6不同预加轴向静载下弹性模量随动载冲击次数的变化 Fig.6 Variations in elasticity modulus with the impact order of dy- 851P -9 namic loads at different static axial pre-compressive stresses -10 图6还显示，在初始几次动力作用之后，岩石的 - 弹性模量有一个相对稳定期，即动力作用次数的增 加不会明显改变岩石的弹性模量.比较两种静力作 -12 45678910 用条件下的动力扰动作用的岩石弹性模量的变化可 冲击次序 见：在较大静力作用时，从稳定段至岩石最终破坏， 图7不同预加轴向静截下单位体积岩石能耗随动载冲击次数 的变化 岩石的弹性模量是相对逐渐减小的；而在较小静力 Fig.7 Variations in energy consumption per volume of the rock with 作用时，稳定段后至岩石在动力作用下最终破坏之 the impact order of dynamic loads at different static axial pre-compres- 间弹性模量减小更突然.这说明较高的静应力在历 sive stresses 次动力作用过程中对岩石损伤和劣化起到了更大的 作用.可以推测，这将对岩石在静力作用下受动力 2.4高静应力和频繁动力扰动作用下岩石破坏模式 扰动的的破坏形式产生影响. 岩石试样在预加静载为75MPa和85MPa作用 2.3单位体积岩石能耗随冲击次数的变化 下破坏时表现出基本相似的力学特性，弹性模量迅 试验过程中，利用单位体积岩石能耗可以描述 速减小，应变突增，破坏时应力一应变峰后曲线回弹 岩石试样随着冲击次数增多时的能耗特征，单位体 均很大，应变有个减小的过程，为典型的岩爆破坏型 积岩石能耗即单位体积岩石吸收的能量，按照下式 曲线. 进行计算： 此外，如图4所示，仅破坏时的应力一应变曲线 W Ea=V (3) 开始时有一个明显的上凹段.这是由于预加轴向静 载的存在，在冲击荷载作用之前，试样内部己经储存 式中：E:为单位体积岩石能耗，J·cm3:W为岩石试 了较多的弹性应变能，在冲击荷载作用下，岩石表现 样吸收的能量，其值为W。=W,-W-W,其中W、 出释放能量的特性，释放的能量用于裂纹的扩展、分 W和W分别为入射能、反射能以及透射能：V为岩 枝和延伸，但在轴向静载作用下裂纹处于闭合状态， 石试样体积. 冲击动载作用时应力一应变曲线直接进入一个较长 单位体积岩石能耗与动载冲击次数之间的变化 的线弹性阶段：随着冲击次数的增多，试样内部裂纹 规律如图7所示.单位体积岩石能耗为负值，意味 的数量也不断扩展增多，最后一次冲击时，裂纹迅速

第 8 期 唐礼忠等: 高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性 势． 随着冲击荷载作用次数的增多，岩石内部存在 的微裂隙逐渐闭合，导致岩石试样的弹性模量增加; 但是，随着冲击次数的继续增多，岩石内部损伤加 剧，裂隙扩展以及新裂纹的萌生发展逐渐增强，直至 在岩石内部慢慢形成较大的贯穿裂纹，引起岩石试 样弹性模量的逐渐降低，在最后一次动载冲击作用 下，弹性模量降低较多，岩石发生破坏． 图 6 不同预加轴向静载下弹性模量随动载冲击次数的变化 Fig． 6 Variations in elasticity modulus with the impact order of dy￾namic loads at different static axial pre-compressive stresses 图 6 还显示，在初始几次动力作用之后，岩石的 弹性模量有一个相对稳定期，即动力作用次数的增 加不会明显改变岩石的弹性模量． 比较两种静力作 用条件下的动力扰动作用的岩石弹性模量的变化可 见: 在较大静力作用时，从稳定段至岩石最终破坏， 岩石的弹性模量是相对逐渐减小的; 而在较小静力 作用时，稳定段后至岩石在动力作用下最终破坏之 间弹性模量减小更突然． 这说明较高的静应力在历 次动力作用过程中对岩石损伤和劣化起到了更大的 作用． 可以推测，这将对岩石在静力作用下受动力 扰动的的破坏形式产生影响． 2. 3 单位体积岩石能耗随冲击次数的变化 试验过程中，利用单位体积岩石能耗可以描述 岩石试样随着冲击次数增多时的能耗特征，单位体 积岩石能耗即单位体积岩石吸收的能量，按照下式 进行计算: Ed = Ws V ． ( 3) 式中: Ed为单位体积岩石能耗，J·cm － 3 ; Ws为岩石试 样吸收的能量，其值为 Ws = WI － WＲ － WT，其中 WI、 WＲ和 WT分别为入射能、反射能以及透射能; V 为岩 石试样体积． 单位体积岩石能耗与动载冲击次数之间的变化 规律如图 7 所示． 单位体积岩石能耗为负值，意味 着岩石本身在冲击过程中不吸收扰动能量而是在释 放能量，说明动力扰动诱发了岩石内部已经存储的 弹性变形能的释放，这一点与矿山深部的岩爆现象 类似． 随着冲击次数的增加，岩石单位体积释放出 的弹性能也随之增加，但随着冲击次数的进一步加 大，岩石内部损伤加剧，出现了裂纹、贯穿节理、碎片 剥落等现象，当达到一定次数的冲击后，岩石释放出 的弹性能开始减小，但仍然处于负能量状态． 这说 明由于高静应力的存在，岩石在冲击之前，内部已经 储存了大量的弹性应变能，在冲击荷载作用下，一部 分弹性能被释放出来，释放的弹性能促进了岩石损 伤的加剧，裂纹萌生并扩展，直至最后一次冲击时岩 石试样发生破坏． 图 7 不同预加轴向静载下单位体积岩石能耗随动载冲击次数 的变化 Fig． 7 Variations in energy consumption per volume of the rock with the impact order of dynamic loads at different static axial pre-compres￾sive stresses 2. 4 高静应力和频繁动力扰动作用下岩石破坏模式 岩石试样在预加静载为 75 MPa 和 85 MPa 作用 下破坏时表现出基本相似的力学特性，弹性模量迅 速减小，应变突增，破坏时应力--应变峰后曲线回弹 均很大，应变有个减小的过程，为典型的岩爆破坏型 曲线． 此外，如图 4 所示，仅破坏时的应力--应变曲线 开始时有一个明显的上凹段． 这是由于预加轴向静 载的存在，在冲击荷载作用之前，试样内部已经储存 了较多的弹性应变能，在冲击荷载作用下，岩石表现 出释放能量的特性，释放的能量用于裂纹的扩展、分 枝和延伸，但在轴向静载作用下裂纹处于闭合状态， 冲击动载作用时应力--应变曲线直接进入一个较长 的线弹性阶段; 随着冲击次数的增多，试样内部裂纹 的数量也不断扩展增多，最后一次冲击时，裂纹迅速 · 799 ·