砂岩力学性能试验研究

砂岩是一种广泛存在于地球地壳中的岩石类型，其在工程建设中具有重要的应用价值。

砂岩抗拉强度和断裂韧度是评价砂岩工程性能的重要指标，准确测定这些参数对于工程设计和施工具有重要意义。

本文将对砂岩抗拉强度和断裂韧度的测试方法进行研究，并探讨其影响因素和改进措施。

一、砂岩抗拉强度的测试方法1. 传统试验方法传统的砂岩抗拉强度测试方法包括拉伸试验、压缩试验和弯曲试验。

这些方法存在着试样制备困难、试验周期长、结果不够准确等问题，需要改进。

2. 先进试验方法近年来，随着科学技术的发展，一些先进的试验方法逐渐被引入到砂岩抗拉强度测试中，如应变测试、声发射测试等。

这些方法具有试验周期短、结果准确等优点，但仍需进一步研究和改进。

二、砂岩断裂韧度的测试方法1. 传统试验方法传统的砂岩断裂韧度测试方法包括缺口试验、冲击试验和割缝试验等。

这些方法存在着试样制备困难、试验过程复杂、结果不够准确等问题，需要改进。

2. 先进试验方法近年来，一些先进的试验方法逐渐被引入到砂岩断裂韧度测试中，如断裂韧度指数测试、动态试验等。

这些方法具有试验周期短、结果准确等优点，但仍需进一步研究和改进。

三、影响因素分析砂岩抗拉强度和断裂韧度受到多种因素的影响，包括砂岩的成分、结构、孔隙度、孔隙水压力等。

在进行测试时需要充分考虑这些因素，制定合理的试验方案，提高测试结果的准确性和可靠性。

四、改进措施针对砂岩抗拉强度和断裂韧度测试中存在的问题，需要采取一系列改进措施，包括优化试验方案、改进试验设备、完善试验标准等。

加强对砂岩力学性能研究的投入，推动砂岩抗拉强度和断裂韧度测试方法的改进和创新。

总结：砂岩抗拉强度和断裂韧度是评价砂岩工程性能的重要指标，准确测定这些参数对于工程设计和施工具有重要意义。

目前，砂岩抗拉强度和断裂韧度的测试方法仍存在一些问题，需要进一步研究和改进。

相信随着科学技术的不断发展和进步，砂岩抗拉强度和断裂韧度的测试方法将逐步得到完善，为工程建设提供更可靠的技术支撑。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》篇一一、引言随着环境保护意识的增强和可持续发展理念的普及，利用超临界CO2技术进行石油、天然气等资源的开采与储存成为了一个热门的研究领域。

在此背景下，砂岩作为重要的地质材料，其力学特性和渗透性在超临界CO2作用下的变化成为了亟待研究的问题。

本文旨在通过实验研究超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化，为相关工程实践提供理论依据。

二、文献综述前人对砂岩在各种条件下的力学特性和渗透性进行了大量研究，但对于超临界CO2作用下的研究尚不够深入。

砂岩的力学特性主要包括抗压强度、弹性模量、泊松比等，而渗透性则关系到流体在砂岩中的传输能力。

超临界CO2的注入会对砂岩的孔隙结构、矿物成分等产生影响，进而影响其力学特性和渗透性。

因此，研究超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化具有重要意义。

三、实验方法本实验采用超临界CO2注入设备，对砂岩样品进行不同时间、不同压力下的超临界CO2处理。

通过岩石力学实验设备测试处理前后砂岩的力学特性，包括抗压强度、弹性模量等；同时，利用渗透性测试设备测量处理前后砂岩的渗透性变化。

四、实验结果与分析1. 力学特性变化实验结果显示，在超临界CO2作用下，砂岩的抗压强度和弹性模量均有所降低。

随着处理时间的延长和压力的增大，降低幅度逐渐增大。

这可能是由于超临界CO2对砂岩的孔隙结构和矿物成分产生了影响，导致砂岩的力学性能下降。

2. 渗透性变化与力学特性相反，超临界CO2处理后，砂岩的渗透性有所提高。

这可能是由于超临界CO2能够溶解砂岩中的某些矿物成分，从而扩大孔隙，提高砂岩的渗透性。

此外，超临界CO2还能够改善砂岩表面的润湿性，进一步提高其渗透性。

五、结论本文通过实验研究了超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化。

结果表明，超临界CO2处理会导致砂岩的抗压强度和弹性模量降低，而渗透性有所提高。

这些变化对于相关工程实践具有重要意义。

干燥和饱和状态下砂岩力学特性试验研究仇晶晶【摘要】To study the basic mechanical properties of rock and the influences of water to rock,the triaxial mechanics experiments,for both dry and saturated sandstones,were carried out by using three-axis servo instrument,to investigate mechanical properties of stressstraincurves,deformation,peak strength,and the final fracture of rocks.The experimental results show that,under the same confining pressure,the elastic modulus decreased by 9.24％ on average and the peak intensity decreased by 12.4％ on average from dry state to saturated state.The simulation results with Hoek-Brown strength criterion are better than Mohr-Coulomb criterion.Regardless of whether the sandstone is dry or saturated,the stress-strain curves have undergone the crack closure phase,the linear elastic phase,the stable crack propagation phase,and the unstable crack propagation phase.For the failure mode,with the increase of confining pressure,the sandstone gradually transitioned from splitting failure to shear failure.Under the condition of low confining pressure,the degree of fragmentation of the saturated sandstone is more obvious than that of the dry bined with the failure mode of the sandstone specimen,the nonlinearity of the strength was given a reasonable explanation.%为了研究岩石的基本力学特性及水对岩体的影响,利用岩石全自动三轴伺服仪,分别对干燥、饱和砂岩标准试样进行常规三轴压缩力学试验,探讨砂岩在不同荷载作用下的应力—应变曲线特征、变形、峰值强度及破坏形式等力学特性.试验结果表明,岩样从干燥状态到饱和状态,相同围压下,弹性模量平均下降了9.24％,峰值强度平均下降了12.4％.采用Hoek-Brown强度准则和Mohr-Coulomb强度准则分别对峰值强度进行模拟,模拟结果表明前者的模拟效果优于后者.干燥和饱和砂岩的应力—应变曲线均依次经历了裂纹闭合阶段、线弹性阶段、稳定裂纹扩展阶段、不稳定裂纹扩展阶段.随着围压的增加,干燥和饱和砂岩由劈裂破坏逐渐向剪切破坏过渡,并且在低围压条件下,饱和砂岩破碎程度比干燥砂岩更加明显.结合砂岩试样的破坏形式,对强度的非线性给出了合理解释.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2017(039)005【总页数】6页(P35-40)【关键词】砂岩;岩石力学;干燥砂岩;饱和状态;力学特性【作者】仇晶晶【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京210098;江苏省岩土工程技术工程研究中心(河海大学),江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU458近年来，源于核能不断发展和对地下资源开采的迫切需求，岩石工程的规模越来越大，数量越来越多，并且越来越多的岩石工程逐渐向地下深处发展。

砂岩性质研究报告
砂岩是一种由压实的砂粒组成的沉积岩石。

它由多种颗粒大小的砂粒以及一些细粒矿物质组成。

砂岩的性质可以根据其颗粒大小、粒度分布、矿物成分和结构来研究。

1. 颗粒大小和粒度分布：砂岩的颗粒大小可以从粗砂到细砂不等，一般来说，砂粒的粒度分布越均匀，砂岩的力学性质越好。

同时，砂岩颗粒大小的不同也会影响其孔隙结构和渗透性。

2. 矿物成分：砂岩的矿物成分对其性质有着重要的影响。

常见的矿物包括石英、长石、云母、斜长石等。

石英是最常见的砂岩矿物，具有良好的力学性质和耐侵蚀性。

其他矿物如长石和云母的含量和类型也会影响砂岩的性质。

3. 结构：砂岩的结构也是其性质研究的重要部分。

砂岩可以具有平行层理、交叉层理、结构折叠等不同的结构形式。

这些结构形式对砂岩的强度、透水性以及抗压性等性质都有影响。

4. 孔隙结构和渗透性：砂岩中的孔隙结构是指砂粒之间的空隙，它们可以是分散的、互连的或者闭锁的。

孔隙结构直接影响砂岩的渗透性和储层性质。

5. 耐久性：砂岩的耐久性是指其在长期受到自然风化和人工作用时的抵抗力。

耐久性取决于岩石的矿物成分、孔隙结构、抗风化性质等因素。

通过对砂岩的性质研究，可以了解其在不同环境下的力学性质、
孔隙结构以及渗透性等重要信息。

这对于砂岩的应用和工程设计具有重要意义。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》篇一一、引言随着环境问题的日益突出和可持续发展需求的不断增强，砂岩地区利用CO2超临界流体作为媒介的地质存储成为科研工作的一个重要领域。

这种方法的广泛应用首先要求对超临界CO2环境下砂岩的力学特性和渗透性有深入的了解。

因此，本文将探讨超临界CO2作用下砂岩的力学特性与渗透性的变化规律，以期为相关领域的实践应用提供理论依据。

二、砂岩的力学特性1. 实验方法与步骤本研究选取不同种类的砂岩样本进行试验。

通过改变温度和压力条件，模拟出超临界CO2环境下砂岩的状态。

然后进行力学的物理实验，包括单轴压缩、三轴压缩等，以获取砂岩的应力-应变曲线和弹性模量等参数。

2. 实验结果分析实验结果显示，在超临界CO2的作用下，砂岩的抗压强度和弹性模量会发生变化。

具体来说，随着CO2压力的增加，砂岩的抗压强度和弹性模量呈现先增大后减小的趋势。

这是因为超临界CO2在砂岩中产生微孔洞，对砂岩的内部结构产生影响，进而影响其力学特性。

三、砂岩的渗透性1. 实验方法与步骤对于渗透性的研究，我们通过改变CO2压力和温度条件，进行渗透率测试。

实验采用稳定的流量注入方法，观察和记录流量随时间的变化，以此推算出渗透率的变化。

2. 实验结果分析实验结果表明，在超临界CO2的作用下，砂岩的渗透率会有显著变化。

随着CO2压力的增加，渗透率呈现出先增大后减小的趋势。

这是因为超临界CO2能够溶解在砂岩的孔隙中，改变孔隙结构，从而影响渗透性。

四、结论与建议通过对超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性的研究，我们发现超临界CO2对砂岩的影响显著且复杂。

其力学特性和渗透性的变化对砂岩的实际应用具有重要的影响。

为了更好地理解和利用这一现象，我们提出以下建议：首先，需要更深入地研究超临界CO2与砂岩相互作用的具体机制和过程；其次，需要根据具体的地质条件和工程需求，制定出合理的砂岩处理和利用方案；最后，应将研究成果应用于实际工程中，如地质存储等，以实现环境保护和可持续发展的目标。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》一、引言随着环保意识的提升和可再生能源的开发，二氧化碳捕集和储存（CCS）技术得到了广泛的关注。

其中，利用超临界CO2（ScCO2）作为载体在地下储层中进行气体置换的方案日益成为研究热点。

由于ScCO2对储层岩石的物理和化学性质有显著影响，尤其是对砂岩的力学特性和渗透性的影响，这为我们的研究提供了重要的方向。

本文通过实验研究超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化，以期为实际CCS操作提供理论依据。

二、研究方法与材料（一）试验材料本实验选用具有代表性的砂岩样本进行实验，以确保结果的可比性和实用性。

（二）实验方法实验过程中，我们使用先进的超临界流体系统进行ScCO2的制备与注入，并通过精密的岩石力学测试设备和渗透性测试装置来记录数据。

（三）实验设计我们设计了不同压力、温度和ScCO2注入时间下的砂岩样本处理组，以观察不同条件下的砂岩力学特性和渗透性的变化。

三、实验结果与分析（一）超临界CO2对砂岩力学特性的影响实验结果显示，在ScCO2的作用下，砂岩的抗压强度和弹性模量均有所下降。

随着ScCO2注入时间的延长和压力的增加，这种下降趋势更加明显。

这是因为ScCO2具有较好的溶解和渗透能力，能对砂岩内部结构造成一定程度的破坏。

此外，ScCO2的化学性质也可能与砂岩中的矿物成分发生反应，进一步影响其力学特性。

（二）超临界CO2对砂岩渗透性的影响实验发现，ScCO2的注入显著提高了砂岩的渗透性。

这主要是由于ScCO2能够溶解和渗透到砂岩内部的小孔隙中，进而扩大孔隙空间，增加渗透通道。

同时，ScCO2也可能与砂岩中的某些矿物成分发生反应，生成更易渗透的物质，从而进一步提高砂岩的渗透性。

（三）压力、温度和时间的影响实验结果表明，压力、温度和ScCO2注入时间对砂岩的力学特性和渗透性均有显著影响。

随着压力和温度的增加，砂岩的力学特性下降和渗透性提高的趋势更加明显。

第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024静水压下白砂岩的动态力学性能研究吕绍品1,郑㊀光1,郑宇轩1,聂㊀宏2,周风华1(1.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室,宁波㊀315211;2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京㊀210016)摘要:深部岩石在地下高地应力环境的动态力学性能对深部矿山工程的开展有重要影响,因此,其动态力学性能研究具有重要意义㊂本文以平顶山某煤矿下白砂岩为研究对象,利用三维霍普金森杆装置开展动态力学试验并采用HJC 本构模型的白砂岩进行三维霍普金森杆有限元仿真,研究静水压对白砂岩动态力学性能㊁能量吸收和损伤的影响㊂结果表明:白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而降低;静水压可抑制裂纹的扩展,增强白砂岩的强度;HJC 本构模型可以较好地模拟白砂岩的损伤失效㊂预期结果可为深部岩石动态力学性能的研究提供参考,并为深部岩石工程的实施提供理论基础㊂关键词:三维霍普金森杆;白砂岩;静水压;有限元仿真;HJC 本构模型;动态力学性能中图分类号:TU45㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0543-12Dynamic Mechanical Properties of White Sandstone under Hydrostatic PressureLYU Shaopin 1,ZHENG Guang 1,ZHENG Yuxuan 1,NIE Hong 2,ZHOU Fenghua 1(1.Key Laboratory of Impact and Safety Engineering,Ministry of Education,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract :The dynamic mechanical properties of deep rock in high underground stress environment have an important influence on the development of deep mine engineering.Therefore,it is of great significance to study its dynamic mechanics.The effects of hydrostatic pressure on the dynamic mechanical properties,energy absorption and damage of white sandstone from a coal mine in Pingdingshan were investigated,using 3D Hopkinson bar experiments and finite element simulations based on the Holmquist-Johnson-Cook (HJC )constitutive model.The results show that as the hydrostatic pressure increases,the peak stress of white sandstone increases.Conversely,the peak strain decreases with the increase of hydrostatic pressure.Furthermore,the hydrostatic pressure can restrain the crack propagation and enhance the strength of white sandstone.Additionally,it was found that the HJC constitutive model can simulate the damage failure of white sandstone well.These expected results provide a valuable reference for the study of dynamic mechanical properties of deep rock and a theoretical basis for the implementation of deep rock engineering.Key words :3D Hopkinson bar;white sandstone;hydrostatic pressure;finite element simulation;HJC constitutive model;dynamic mechanical property 收稿日期:2023-09-08;修订日期:2023-10-31基金项目:机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题(MCMS-E-0221Y01)作者简介:吕绍品(2000 ),男,硕士研究生㊂主要从事材料静动态力学性能方面的研究㊂E-mail:227376170@通信作者:郑㊀光,助理研究员㊂E-mail:zhengguang@ 0㊀引㊀言随着浅层资源日益锐减以及人类科技的发展,深层矿产资源的开采日益需求迫切㊂深部岩石在地下高地应力环境力学响应完全不同于浅部岩石[1]㊂随着岩石开采深度增加,岩石所受到的应力状态也不同,近场区开采的深部岩石处于单轴压缩状态和双轴压缩状态,中间区开采的深部岩石处于真三轴压缩状态,随着进一步远离开采区,深部岩石所受的应力状态逐渐过渡静水压力状态,同时,在深部开采的过程中岩石不可544㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷避免地会受到不同程度的扰动[2-5]㊂因此,研究深层岩石在复杂地质环境下的动态力学行为对地下极端环境下岩石动态理论的建立具有重要科学价值,也为实现深部岩石高效开挖提供理论依据㊂对于岩石在围压作用下的动态力学研究,目前许多学者通过试验或仿真模拟已经取得了很多研究成果㊂这些研究主要基于分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)或其改进型,对不同类型的岩石(如砂岩㊁煤㊁石灰岩等)进行不同形式的动静组合加载试验或仿真,分析了围压和轴压对岩石的强度㊁应变㊁能量㊁破坏模式等方面的影响规律㊂研究结果表明,围压和轴压对岩石的力学性能有显著影响,而且在三维动静组合加载下,岩石会呈现出不同的破坏形式,如拉伸劈裂破坏和剪切破坏㊂在试验方面,宫凤强等[6]使用改进的霍普金森杆装置对砂岩进行了三维组合加载试验,发现随着轴压的增加岩石的抗压强度减小,随着围压的增加岩石的抗压强度增大㊂Ma等[7]通过改进的霍普金森杆装置试验,发现围压能够约束岩样并增强其峰值应力㊂焦振华等[8]通过套筒对煤样施加被动约束,发现在围压条件下,煤样的峰值应力明显高于径向自由条件㊂余永强等[9]利用改进的霍普金森杆装置对石灰岩进行冲击试验,发现围压的增加能够提高石灰岩的强度和刚性,抑制裂纹发展㊂Liu等[10]使用世界首台真三轴霍普金森杆系统研究了砂岩在不同预应力条件下的动态力学特性,发现在单轴预应力下,岩石呈现粉碎性破坏;在双轴预应力下,岩石碎块沿自由面方向迸出;而在三轴预应力下,岩石只有少量轻微破坏㊂沈荣喜等[11]利用真三轴霍普金森杆装置开展煤动态破坏力学试验,发现三轴预应力对煤动态破坏具有明显的约束作用,使煤的力学强度较单轴冲击时更大㊂王文等[12]利用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然和饱水煤进行试验,得出随着中间主应力的变化,自然和饱水煤的峰值应力均表现为先增大后减小的现象㊂Zhang等[13]利用真三轴霍普金森杆装置对不同三轴预应力下的煤进行动载冲击试验,发现在相同的动载荷下,煤的动态力学特性具有约束依赖性㊂在仿真模拟方面,王军祥等[14]利用LS-DYNA软件建立数值模型分析了砂岩在不同条件下的力学特性和破坏形态,发现砂岩的破坏模式随着轴压和围压的变化而变化㊂Chen等[15]利用Abaqus软件建立三维霍普金森杆细观有限元模型研究了不同骨料混凝土试件的动力响应㊂Hu等[16]㊁You等[17]利用离散元软件建立了三维霍普金森杆离散元模型系统地研究了不同约束条件对砂岩动态力学性能的影响㊂上述文献主要探讨了岩石在不同预应力下的动态力学性能,然而针对岩石在静水压作用下的动态力学性能的系统性研究仍较少㊂一些学者[18]利用改进霍普金森杆装置对静水压力作用下红砂岩进行了动力学测试㊂然而,改进霍普金森杆装置仍存在不足,冲击加载时试件周围的油压不稳定,导致试验数据具有不确定性,动态三轴强度往往偏高[19]㊂在实际工程中,深部岩石受到的静载是不变的,三维霍普金森杆装置可以对岩石三个方向施加稳定的静载,并且可按照岩石的实际受力情况,精确地控制三个方向静载的大小,较为全面真实地反映出深部岩石的地下受力情况,能够更为准确地表征岩石在静水压状态下的动态力学性能㊂本文以深部岩石地下矿山工程需求为背景,基于试验和数值仿真方法,对平顶山某煤矿开采过程中常见的白砂岩开展在静水压下的动态力学性能研究㊂首先开展白砂岩准静态压缩和劈裂拉伸试验研究,获得白砂岩在准静态下的力学性能,为动态力学性能研究提供参考;基于三维霍普金森杆试验,开展不同静水压下的白砂岩动态力学试验㊂其次,建立并验证了三维霍普金森杆试验仿真装置的有效性㊂最后,基于试验数据和仿真结果,讨论了白砂岩在静水压下的动态力学性能㊁能量吸收特性和损伤效应㊂1㊀实㊀验1.1㊀单轴抗压强度试验试验原材料取自平顶山某煤矿埋深约1100m的细粒白砂岩,无明显的层理结构,颜色呈灰白色,普氏硬度f3~f5,选取表面没有破损㊁完整度较好的白砂岩进行取样㊂依据国际岩石力学学会(ISRM)的标准与国内‘煤和岩石物理力学性质测定方法“(GB/T2356 2010)的测试方法对白砂岩进行单轴压缩强度试验,岩石试件采用圆柱体标准岩石试件,直径为50mm,长度为100mm㊂利用电动伺服岩石多功能加载系统进行单轴压缩试验,采用逐级一次连续加载法,加载时间为13min,加载速率为0.175mm/min㊂白砂岩的单轴抗压强度如图1所示,由图可知,白砂岩的单轴抗压强度为39.67MPa㊂㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究545图1㊀白砂岩的单轴抗压强度Fig.1㊀Uniaxial compressive strength of white sandstone1.2㊀巴西劈裂试验基于巴西劈裂试验对白砂岩开展准静态下抗拉强度测试㊂选用ϕ50mmˑ50mm的圆柱体岩石试件,取3个白砂岩标准试件㊂试验时将试件横置在试验机的上下压头之间,使试件轴向与加载方向垂直,并位于压头的中部,采用直接加压的方式进行对径加载㊂白砂岩试件的劈裂拉伸破坏形态如图2所示㊂图2㊀白砂岩试件的劈裂拉伸破坏形态Fig.2㊀Splitting tensile failure modes of white sandstone specimens从图2的试件破坏形态可以看出,劈裂拉伸试验后白砂岩沿径向加载方向劈裂成比较完整的两部分,符合巴西劈裂有效性的要求㊂白砂岩劈裂拉伸试验参数如表1所示,白砂岩的平均静态拉伸强度为4.5MPa㊂㊀表1㊀白砂岩的劈裂拉伸试验参数Table1㊀Splitting tensile test parameters of white sandstoneSample No.Diameter/mm Thickness/mm Limiting pressure/kN Tensile strength/MPa1-350.152.4 6.7 5.171-450.042.8 3.7 3.461-550.045.0 5.6 4.98表2为白砂岩的基本物理力学参数表㊂其中ρ是白砂岩的密度,f c是抗压强度,T是抗拉强度,E是弹性模量,υ是泊松比,G和K分别是剪切模量和体积模量㊂表2㊀白砂岩的基本物理力学参数Table2㊀Basic physical and mechanical parameters of white sandstoneParameterρ/(kg㊃m-3)f c/MPa T/MPa E/GPaυG/GPa K/GPa Value240039.67 4.570.3 2.69 5.831.3㊀三维霍普金森杆动态冲击试验本试验使用宁波大学建造的三维霍普金森杆加载测试系统对静水压状态下的白砂岩开展动态冲击试546㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷验,该测试系统如图3所示㊂该系统由可对试件分别施加三个方向静载的液压控制系统和分离式霍普金森杆动态冲击系统组成㊂其中,在冲击方向(X 方向)包括气枪㊁入射杆㊁透射杆㊁液压油缸和动能吸收装置;水平方向(Y 方向)包括左右两侧围压杆和液压油缸;垂直方向(Z 方向)包括上下两端围压杆和液压油缸㊂气枪内径为ϕ40mm ˑ2000mm;X 轴方向的入射杆长2000mm,透射杆长2000mm;Y 轴方向和Z 轴方向围压杆长1500mm;杆件为方形杆,截面为50mm ˑ50mm㊂试件为50mm ˑ50mm ˑ50mm 的立方体㊂图3㊀三维霍普金森杆加载测试系统Fig.3㊀3D Hopkinson bar loading test system 在动态冲击之前,试件的三个方向可分别施加静载σX ㊁σY 和σZ ㊂动态冲击过程中子弹在X 轴方向撞击入射杆端产生冲击信号εi ,经过试验后,将在透射杆接收到透射信号εt ;由于泊松效应,同时还会在Y 轴左方接收到信号εY left ,在Y 轴右方接收到信号εY right ,在Z 轴上方接收到信号εZ up ,在Z 轴下方接收到信号εZ down ㊂冲击方向的动载荷计算遵循一维应力波假设和试样均匀应力应变假设,并假设在动态试验过程中其他两个方向存在动应力平衡状态㊂因此,试件在冲击方向的应变率̇εdyn X ㊁应变εdyn X 和应力σdyn X 的计算式如式(1)~(3)所示[20]㊂̇εdyn X (t )=C 0L s X [εi (t )-εr (t )-εt (t )](1)εdyn X (t )=C 0L s X ʏt 0[εi(t )-εr (t )-εt (t )]d t (2)σdyn X (t )=A 02A s X E 0[εi(t )+εr (t )+εt (t )](3)式中:A 0为杆的截面积,E 0和C 0分别为杆的弹性模量和弹性波速度,A s X 和L s X 分别为冲击方向上试件的横截面积和长度,εi ㊁εr ㊁εt 分别为X 轴方向杆的入射波信号值㊁反射波信号值㊁透射波信号值㊂试件在Y 轴和Z 轴方向上的应变εdyn k 和应力σdyn k 的计算式如式(4)~(5)所示㊂εdyn k (t )=C 0L s k ʏt 0[εk 1(t )+εk 2(t )]d t (4)σdyn k (t )=A 02A s k E 0[εk 1(t )+εk 2(t )](5)第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究547㊀图4㊀动态冲击试件加载示意图Fig.4㊀Schematic diagram of dynamicimpact specimen loading 式中:A s k 和L s k 分别为试件的初始横截面积和长度;k为Y 轴或Z 轴,当k 为Y 轴时,εk 1㊁εk 2分别为代表Y 轴方向的左和右方杆上的信号值,当k 为Z 轴方向时,代表Z 方向上和下方杆上的信号值㊂图4为动态冲击试件加载示意图㊂为保护入射杆,在其冲击端加上圆形垫片,垫片材料与入射杆材料相同㊂同时使用ϕ15mm ˑ2mm 的圆形橡胶片作为整形器,对白砂岩分别开展静水压为0㊁5㊁15㊁20㊁25㊁30MPa 状态下的动态冲击试验,不同静水压条件下岩石试样X 方向(冲击方向)的应变率为30s -1㊂图5(a)为静水压为10㊁15和20MPa 时白砂岩的应力波形图㊂入射波形㊁反射波形和透射波形与常规霍普金森杆试验在冲击加载过程中没有明显差异,但在卸载过程中存在明显差异㊂三维霍普金森杆装置X 方向(冲击方向)静载是由方杆两端的压力油缸和反力支架施加的,子弹撞击入射杆一瞬间,入射杆从反力支架上脱离,因为静载施加的地方与测试部位具有一定的距离,冲击方向入射脉冲不仅会卸载到动载施加前的状态,还会继续卸载刚开始施加的静载㊂但是,这种对静载的卸载只是暂时的㊂随着时间推移,测试部位的静载会慢慢恢复到最初施加的水平[21]㊂图5(b)为Y 和Z 方向测得的应力波形图㊂图5(c)为应力波在入射杆和透射杆中传播的应力时程曲线㊂试样靠近入射杆的端面应力由入射应力和反射应力的叠加产生,靠近透射杆的端面应力是由透射应力产生㊂由图5(c)可知在整个加载过程中入射应力和反射应力叠加后与透射应力大小基本相同,表明试样两端的动应力几乎相等,因此试样两端的动应力达到了平衡[22]㊂在静水压加载试验中,均进行了应力时程曲线检验,保证了试验结果的准确性[23]㊂548㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图5㊀静水压下白砂岩的应力波形图和应力时程曲线Fig.5㊀Stress waveform diagram and stress-time curves of white sandstone under staticpressure 图6㊀不同静水压下白砂岩的应力-应变曲线Fig.6㊀Stress-strain curves of white sandstone under different hydrostatic pressure ㊀㊀图6为不同静水压下白砂岩的应力-应变曲线㊂从图中可以看出随着静水压的增加,应力-应变曲线的回弹速度在峰值应力点后开始增加,说明静水压增加可使岩石抵抗变形的能力增强㊂图7为静水压为0和5MPa 时白砂岩试件的破坏形态㊂在静水压为0MPa 时,岩石发生剪切破坏,在Y和Z 方向发生类似V 字形剥离,剥离的角度约为135ʎ,原因是白砂岩在Y 和Z 方向没有约束,岩石在这两个方向发生裂纹扩展㊂当静水压从5MPa 增加到30MPa 时,由于在高静水压作用下,岩石内部颗粒之间的相互作用更加紧密,岩石的契合度㊁咬合力和摩擦力都会出现较高的水平,促使岩石的承载能力升高,所以岩石仅表面出现轻微损伤,但无明显的破坏㊂图7㊀白砂岩冲击加载后的破坏形态Fig.7㊀Failure modes of white sandstone after impact loading 表3为不同静水压下白砂岩的动态力学性能数据,从表中可以看出白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而减小㊂表3㊀白砂岩的动态力学性能Table 3㊀Dynamic mechanical properties of white sandstoneHydrostatic pressure /MPa Peak stress /MPa Peak strain /10-3(0,0,0)81.747.63(5,5,5)102.867.55㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究549续表Hydrostatic pressure/MPa Peak stress/MPa Peak strain/10-3(10,10,10)108.707.51(15,15,15)112.787.43(20,20,20)117.047.37(25,25,25)122.52 6.72(30,30,30)131.67 6.442㊀数值模拟2.1㊀三维霍普金森杆仿真模型图8(a)为三维霍普金森杆试验装置仿真模型㊂在仿真模型的X方向设置入射杆和透射杆,长度为2000mm,在Y和Z方向设置围压杆,长度为1500mm,各杆件横截面尺寸为50mmˑ50mm;试样尺寸为50mmˑ50mmˑ50mm㊂网格采用六面体缩减积分单元SOLID164,网格尺寸为2mm㊂在各正向围压杆前端设置固定刚性面,为预载荷施加提供反向约束,预定压力施加相应负向围压杆末端㊂杆件和试样之间接触设置为面面接触,接触摩擦系数设置为0.2[15]㊂杆件材料为钢,采用线弹性材料模型㊂HJC模型是在Johnson-Cook模型的基础上,综合考虑了压实压碎效应㊁应变率效应㊁损伤演化效应以及围压效应的影响,因而能够较好地描述岩石㊁混凝土等材料在高应变和应变率下的变形及断裂特性[24-25]㊂因此,白砂岩材料选择HJC模型,在LS-DYNA软件中该模型共有21个参数,其中基本参数ρ㊁f c㊁T㊁G通过1.2节试验得到,强度参数归一化内聚力强度A㊁归一化压力硬化系数B㊁压力硬化指数N㊁应变率系数C通过屈服面拟合得到[26],压力参数P c和μc可通过公式P c=f c/3和μc=P c/K得到,剩余的参数通过综合参考文献[27-30]得到,最终确定模型参数如表4所示㊂此外,为避免网格对结果精度影响,开展了网格无关性分析㊂图8(b)是网格尺寸为0.80㊁1.00和1.25mm的应力-应变曲线,三者在弹性阶段基本重合,峰值相对平均偏差为0.9%㊂可以看出,在一定范围内随着网格尺寸的减小,白砂岩模型对网格的敏感性不强,因此满足网格无关性㊂图8㊀三维霍普金森杆仿真模型和网格无关性验证曲线Fig.8㊀3D Hopkinson bar simulation model and grid independence verification curves表4㊀白砂岩的HJC本构参数Table4㊀HJC constitutive parameters of white sandstoneParameterρ/(kg㊃m-3)f c/MPa A B N C P c/MPa Value240039.670.4560.119 1.7950.017313.22 Parameterμc P l/MPaμl K1/GPa K2/GPa K3/GPa S max Value0.00228100.010185-1712087 Parameter G/GPa D1D2EF min T/MPȧε0F s Value 2.690.04 1.00.01 4.510.004㊀㊀注:P l为压力参数,K1㊁K2㊁K3为压力参数,S max为材料最大无量纲等效应力,D1㊁D2㊁EF min为损伤参数,̇ε0为参考应变率,F s为失效参数㊂550㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷2.2㊀仿真模型与验证图9是不同静水压下白砂岩的试验和仿真应力波形图㊂采用试验的入射波形作为仿真的动态加载曲线,试验和仿真的入射波重合性较好,仿真的入射波在卸载阶段同样会把静载卸载,这与试验过程一致,试验和仿真的透射波和反射波峰值偏差为5%,证明该仿真模型可行㊂图9㊀不同静水压下白砂岩试验和仿真应力波形图Fig.9㊀Experimental and simulated stress waveforms diagrams of white sandstone under different hydrostatic pressures 3㊀静水压对动态力学性能研究3.1㊀动态特性的影响分析图10是在应变率为30s -1时,不同静水压对白砂岩的峰值应力和峰值应变的影响,当静水压从0MPa 增加到30MPa 时,白砂岩的峰值应力从81.74MPa 增加到了131.67MPa,峰值应变从0.0076降低到了0.0064,且都表现出非线性关系,对白砂岩峰值应力和峰值应变采用多项式拟合,如式(6)~(7)所示㊂Y 1=86.27+22.28X 1-0.029X 21(6)Y 2=7.55+0.017X 2-0.0019X 22(7)式中:Y 1为拟合峰值应力,Y 2为拟合峰值应变,X 1为拟合峰值应力对应的静水压值,X 2为拟合峰值应变对应的静水压值㊂定义静水压峰值应力增强系数K 1=σd /σs ,静水压峰值应变增强系数K 2=εd /εs ,其中σd ㊁σs ㊁εd 和εs 分别是岩石的动态抗压强度㊁静态抗压强度㊁动态抗压强度对应的峰值应变和静态抗压强度对应的峰值应变㊂K 1和K 2与静水压的关系如图11所示㊂由图可知,白砂岩的峰值应力增强系数K 1随着静水压的增加而增加,峰值应变增强系数K 2随着静水压的增加而降低㊂在静水压为0MPa 时K 1为2.06,随着静水压增加到30MPa,K 1增加到3.32,K 2从0.82降低到0.69㊂图10㊀静水压对白砂岩的峰值应力和峰值应变的影响Fig.10㊀Influence of hydrostatic pressure on peak stress and peak strain of whitesandstone 图11㊀静水压与增强系数的关系Fig.11㊀Relationship between hydrostatic pressure and enhancement coefficient㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究551 3.2㊀能量吸收影响研究深部岩石在受到冲击的过程中往往伴随着能量的吸收和耗散,根据一维弹性波传播理论[31],杆中沿X 方向的弹性应变能计算式如式(8)所示㊂W In(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2In(t)d t(8)W Re(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Re(t)d t(9)W Tr(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Tr(t)d t(10)式中:W In㊁W Re和W Tr分别是X方向的入射波㊁反射波㊁透射波所携带的能量㊂E0为杆件的弹性模量,t0为应力波的持续时间㊂εIn㊁εRe和εTr分别为入射应变㊁反射应变和透射应变㊂类似地,Y和Z方向的弹性应变能计算式如式(11)~(14)所示[32]㊂W Y1(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Y1(t)d t(11)W Y2(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Y2(t)d t(12)W Z1(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Z1(t)d t(13)W Z2(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Z2(t)d t(14)式中:W Y1㊁W Y2㊁W Z1和W Z2分别是Y与Z方向的输出应力波所携带的能量,εY1和εY2㊁εZ1和εZ2分别是Y与Z 方向的应变㊂因此,岩石吸收的能量W ab为W ab=W In-W Re-W Tr-W Y1-W Y2-W Z1-W Z2(15)根据式(8)~(14),获得白砂岩试件在静水压力为5MPa时各个方向上的能量演化时程曲线如图12所示㊂白砂岩在动态三轴荷载作用下的能量曲线包括入射能量㊁反射能量㊁透射能量以及Y㊁Z方向的输出能量㊂荷载作用开始时,每个能量值都接近于零,因为应力波需要一定时间才能传播到测试部位㊂随后,大约在50μs时每个方向的能量值都会出现显著的增加,并且随着时间的增加能量持续增加㊂最终,大约在225μs时每个方向的能量值都会达到最大值,此时W In为139J,W Re为50J,W Tr为63J,W Y1为0.37J,W Y2为0.39J,W Z1为0.32J,W Z2为0.27J,随后各方向能量逐渐稳定并保持不变㊂图12㊀白砂岩的能量时程曲线Fig.12㊀Energy-time curves of white sandstone根据式(15),计算白砂岩在不同静水压下的吸收能量,计算结果如图13所示㊂随着静水压的增加,白砂岩吸收的能量从54J减小到16J,吸收效果逐渐降低㊂在应变率相同的情况下,冲击载荷给岩石带来的能量输入大致相同,但是当岩石处于低静水压状态时,它能够吸收更多的能量㊂原因可能是白砂岩的脆性强,552㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图13㊀不同静水压下白砂岩的吸收能量Fig.13㊀Energy absorption of white sandstone under different hydrostatic pressure 材质的不均匀程度高,内部存在较多缺陷和微裂纹,当受到冲击载荷作用后白砂岩就会吸收很多能量从而发生破坏㊂但当静水压增加时会使白砂岩内部的缺陷和微裂纹闭合,限制岩石的裂纹扩展,使得岩石吸收的能量减少,破坏程度也大大减小㊂3.3㊀损伤云图分析图14是白砂岩试件在不同静水压下的损伤云图㊂History Variable 表示材料的损伤值,当静水压为0MPa 时,试件在Y 和Z 方向表面产生V 形剪切裂纹,与试验结果一致㊂当静水压增加到5MPa 时,试件表面仍然出现裂纹损伤,但损伤程度明显减小㊂当静水压进一步增加到10~30MPa 时,体积应变受到限制,裂纹产生受到抑制,此时,试件表面几乎无裂纹损伤,只有在边缘处出现少量损伤㊂随着静水压继续增大,边缘处的损伤也逐渐减小㊂图14㊀不同静水压下白砂岩试件的损伤云图Fig.14㊀Damage cloud images of white sandstone specimens under different hydrostatic pressure 4㊀结㊀论1)白砂岩的峰值应力和峰值应力增强系数K 1随着静水压的增加而增加,峰值应变和峰值应变增强系数K 2随着静水压的增加而降低㊂2)对白砂岩试样进行动态冲击数值模拟,并与试验结果对比,验证了模拟方法的准确性㊂3)白砂岩对能量吸收的能力随着静水压的增加而降低㊂4)白砂岩的损伤随着静水压的增加而降低,在静水压为0MPa 时,试样产生V 形剪切裂纹,与试验结果一致,但随着静水压的增加,体积应变受到限制,裂纹扩展受到抑制,试件的损伤大大减小㊂参考文献[1]㊀王者超,石伟川,孔㊀瑞,等.真三向应力作用下深部砂岩力学特性[J].东北大学学报(自然科学版),2023,44(5):689-696.WANG Z C,SHI W C,KONG R,et al.Mechanical properties of deep sandstone under true triaxial stress[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2023,44(5):689-696(in Chinese).[2]㊀夏开文,王㊀帅,徐㊀颖,等.深部岩石动力学实验研究进展[J].岩石力学与工程学报,2021,40(3):448-475.XIA K W,WANG S,XU Y,et al.Advances in experimental studies for deep rock dynamics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(3):448-475(in Chinese).㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究553 [3]㊀ZHANG Q B,ZHAO J.A review of dynamic experimental techniques and 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