圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究_谭卓英.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 4 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 4 2020 基金项目国家自然科学基金 51174013; 51574015 ; 国家重点专项 2018YFC0808004- 01 收稿日期2018 －05 －03修改稿收到日期2018 －10 －11 第一作者 谭卓英 男， 博士， 教授， 1965 年生 圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究 谭卓英，武斌，夏志远，丁宇，齐宽，李文，岳鹏君 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083 摘要孔洞是地质和岩石工程中常见的结构， 为了模拟孔洞结构岩体在高速冲击荷载下的响应特征， 设计和加 工了孔洞结构的花岗岩体试样， 采用改进的冲击动力学测试模拟系统， 在不同冲击能下， 在垂直和平行孔洞轴线方向对孔 洞结构花岗岩体进行渐进式循环冲击模拟试验， 对实验杆入/反射应力波进行测量。研究表明， 峰值反射应力比与冲击能 大小无关， 但反射应变比能比随冲击能的增大而降低; 在低冲击能下， 孔洞结构对反射应力波的响应影响不大; 随着冲击 能的增大， 其影响增大; 岩体沿孔洞结构的轴线方向发生开裂破坏， 与冲击位置无关; 在试样开裂后， 应变比能显著增高但 峰值应力比的变化不大， 说明应变比能比可作为岩体结构破坏指示的响应指标。模拟实验为孔洞类岩石结构的钻进识别 以及防护设计提供了理论依据。 关键词花岗岩; 洞室结构; 冲击能; 应变比能; 响应识别 中图分类号TU452; TU413． 6 2文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 04． 017 Experimental simulation of impact response identification on circular hole cavern rock mass TAN Zhuoying，WU Bin，XIA Zhiyuan，DING Yu，QI Kuan，LI Wen，YUE Pengjun School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Abstract Cavities are a usual structure in natural geology and rock engineering． In order to simulate the response characteristics of rock mass with an opening circular hole structure under high speed impact loading，granite samples with tunnel- like structure were designed and processed． An improved impact dynamics simulation test system was employed to measure the stress wave in experimental bar for the structural rock samples at the different positions parallel and perpendicular to the axis of the cavity under progressive cycle impact loads． The results show that peak reflected stress ratio is independent of the impact energy;however，specific reflected strain energy decreases with the impact energy． The void structure has little effect on the response of reflected stress wave under low impact energy． With the increase of impact energy，the influence of the void structure on the response increases． The ratio of specific strain energy but not the peak stress ratio significantly increases after the rock samples were spalled． The impact failure of rock occurs along the axis of the tunnel- like structure and is independent of the loading points． It indicates specific strain energy ratio may be proposed to be the response indicator of rock cavity structure failure，which provides the theoretical basis for identification of a cavern structure as well as its protection while drilling． Key wordsgranite;cavern structure;impact energy;specific strain energy;response identification 孔洞普遍存在于自然地质和地下工程中。岩溶孔 洞及断层、 破碎带等结构面间的空隙是自然地质中存 在的典型孔洞结构， 隧道、 地下厂房及采空区等是典型 的地下空间工程， 在地下工程施工建设中， 需要对隐藏 的软弱地质结构进行超前预测， 以便及时为施工过程 中的危害评价及处理提供基础信息。城市地铁、 隧道、 库坝厂房、 地下防护等地下空间工程在爆炸等动态荷 载下的承载能力 安全防护 及破坏特征也是工程运营 安全需要考虑的重要问题。因此， 研究孔洞结构岩体 在冲击荷载下的响应及破坏特性， 对钻进过程中预测 软弱地层、 岩土体孔洞结构、 地下洞室、 地面构筑物的 抗冲击性能、 材料与结构特性等具有重要的理论意义 和应用价值。 在岩土工程勘探及生产钻探中， 能量原理已用于 分析钻机的钻进过程的能量变化与地层的关系， 发现 钻进能量和地层强度具有很高的相关性， 建立了岩土 地层界面识别的理论与技术方法［1 －2 ］。基于能量的神 ChaoXing 经网络等非线性方法同样用来对煤岩进行判别［3 ］。在 TBM 掘进隧道中， 掘进参数与地层特性之间的关系被 用以确定刀盘前方的地层状态， 预判不良地质如某些 软弱地层及断层位置等［4 －6 ］。 冲击响应研究的主要方法包括落锤、 斯密特锤、 分 离式 Hopkinson 压 杆 Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB 以及有关爆破震动响应测试技术。其中， SHPB 技术在端面摩擦、 加载波形控制、 小应力测试、 试样多 场复合加载、 试样变形及表面温度的测量等方面已取 得长足进步 ［7 ］， 已逐渐发展为材料动力学研究的标准 方法。在实验和理论上基本弄清了冲击载荷的瞬时变 化特性和传播特性， 为提高凿岩爆破工效， 提出了钎 具、 载荷与岩石相匹配的思想［8 ］; 研究了岩石的动载性 能， 初步掌握了应变率对岩石动态力学性能和破碎能 耗的影响 ［9 ］; 对坚硬完整岩石在强冲击载荷作用下的 岩石破坏过程进行的分析表明， 岩石变形由弹性状态 向内摩擦状态的转变， 并最终达到流体力学状态。认 为在强冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态， 冲 击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲 击波的短波， 在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生 参数的急剧变化 ［10 ］。并阐述了岩石等脆性材料动力强 度具有应变率依赖性的物理机制［11 ］。逐渐认识了材料 动态强度增加的力学机制， 认为裂纹的扩展速率和岩 石断裂韧度的率相关特性导致了岩石动态抗压强度随 应变率的增加而增加 ［12 ］。在脆性岩石靶板高应变率 104 ～105 s －1 飞片撞击实验中， 应用拉氏分析方法研 究了岩石在冲击荷载下的力学性质和变形特征， 获得 了流 场 各 力 学 参 量， 并 建 立 了 岩 石 动 态 本 构 关 系 ［13 －15 ］。对泥岩和砂岩的动力学性能测试表明， 软岩 应力 － 应变曲线具有显著的塑性变形特性。为了使本 构模型方程适用于动态全程应力 － 应变曲线， 考虑动 载损伤对岩石动载强度的影响， 建立了简化的损伤型 过应力模型本构方程［16 ］。 除应力波和变形之外， 冲击产生的音频特性是另 一个重要的响应特征， 并被用以研究声与岩石结构及 物理力学特性之间的关系。Vardhan 等 ［17 ］提出了基于 钻进过程声级评价岩石特性的理念， Kumar 等 ［18 －21 ］通 过研究钻进过程声级与岩石密度、 单轴抗压强度、 抗拉 强度及泊松比等之间关系， 采用多元回归分析方法建 立了相应物理量的预测模型。认为冲击过程中声级与 钻进工况无关， 主要由岩性决定; 声级与岩石密度、 单 轴抗压强度、 抗拉强度呈指数函数关系， 与岩石 Schmidt 回弹数、 孔隙率呈线性关系; 多元非线性回归分析表明岩 石物理力学参数预测模型仅与钻进声级相关 ［ 22 ］。 材料的微观结构对冲击荷载下的动态响应具有重 大影响。利用 SHPB 技术对不同初始损伤程度的混凝 土试件进行的冲击抗压特性研究表明， 初始损伤对混 凝土动态抗压强度有重要影响， 其影响程度与混凝土 试件的初始损伤程度密切相关， 损伤程度存在阀值， 在 阈值以下时对混凝土的动态抗压强度影响较小， 超过 阈值时影响显著; 随应变率增加， 损伤体的动态抗压强 度显著提高; 含水率的增加将降低具初始损伤混凝土 的动态抗压性能 ［23 ］。对干及饱和砂岩进行高应变率 102 ～104 s －1 冲击试验表明， 干砂岩的峰值反射应力 高， 动态强度明显高于饱和砂岩［24 ］。对裂隙砂岩和石 灰岩进行冲击试验时发现， 应力波的衰减和动态强度 将降低 ［25 ］。 等荷循环加载将产生累积损伤。对花岗岩试件进 行单轴循环冲击压缩试验表明， 随着冲击载荷循环作 用次数的增加， 变形模量变小， 试件的屈服应变增大， 峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着 冲击次数的增加而增大， 试件破坏前其值增加缓慢， 但 试件破坏时其值急剧增大。累积损伤随着循环冲击次 数的增加而增大， 其增加速率由小变大， 试件破坏前累 积损伤的增加较为平缓， 其主要增量由最后一次冲击 破坏产生 ［26 ］。 各种测试强度之间存在一定的相关性。对岩石及 集料的碾压冲击模拟试验表明， 岩石抗压强度与集料 碾压冲击值之间具有很强的相关性， 斯密特锤和点载 荷试验可用于岩石强度的预测［27 ］。煤及岩石的单轴抗 压强度 Uniaxial Compressive Strength， UCS 与点载荷 强度具有很强的线性相关， 但与斯密特锤及声波速率 呈很强的非线性相关， 且声波速率在 UCS 高值区间呈 发散 ［28 －29 ］。 穿孔速率与地层特性关系密切。对冲击钻穿孔速 率的影响研究表明， UCS、 巴西拉伸强度、 点载荷强度、 斯密特锤值及比能与穿孔速率具有强的相关性［30 ］。 孔洞结构对冲击荷载有重要影响。基于波动理论 和有限差分方法， 对超声波透射进行数值模拟实验， 研 究碳酸盐岩地层孔洞对声波衰减系数的影响， 研究表 明孔洞密度对衰减系数的影响最大， 孔洞尺寸次之， 孔 洞形状和分布对衰减系数的影响较小; 垂直于传播方 向上的孔洞尺寸对衰减系数影响更显著; 一定频率的 振源， 存在一个临界孔洞尺寸， 当孔洞尺寸大于该临界 值时， 不能应用衰减系数反映孔隙尺寸的变化; 衰减系 数与孔洞尺寸、 不同孔洞形状的孔隙度之间均表现为 幂函数关系， 且相关性较好 ［31 ］。孔洞群在爆炸冲击下 的应力波反射、 应力波导流、 介质层弱化、 应力波会聚 和动应力集中等的研究表明， 无孔洞群防护洞室顶部 爆炸压力波荷载峰值要明显高于有孔洞群防护洞室顶 731第 4 期谭卓英等圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究 ChaoXing 部爆炸压力波荷载峰值， 孔洞群将降低洞室结构上的 荷载 ［32 ］。动力有限元数值模拟方法已用于大跨度地下 洞室顶拱锚喷支护结构在爆破震动作用下的动态响应 特点研究， 获得了结构中峰值振速和峰值应力的分布 规律 ［33 ］。 显然， 以上研究仅限于孔洞结构对应力波传播的 影响及孔洞结构材料中应力波的传播特性。但孔洞结 构对冲击荷载的响应特性如何， 各种响应参数有何指 示性， 能否从冲击响应中确定有效指针以识别洞室结 构的存在， 还有待深入研究。为了模拟隧道等典型地 下空间结构， 本文设计了洞室结构岩体试样， 在自行研 发的旋转冲击动力学钻进试验平台上进行了模拟测 试， 对撞击杆中的入、 反射应力波进行分析， 确定了基 于响应的指示性参数， 揭示了特定洞室结构岩体在冲 击荷载下的响应特性。 1非透射测量冲击钻进响应测试系统 1． 1系统的基本组成 系统由冲击单元、 数据采集单元与数据分析单元 等组成， 如图 1 所示。由图 1 可知冲击单元由系统平 台、 脉冲发生单元及载样仓组成; 系统平台为水平刚性 支架， 直接安装在水平地面上; 测试系统中的脉冲发射 管、 动量陷波器及实验杆 入/反射杆 通过支架固定安 装在系统平台上; 脉冲发生单元由压力源、 压力调节 器、 脉冲发射器、 脉冲整形器、 动量陷波器及入射杆组 成; 脉冲发射器由触发开关、 发射管及撞击杆组成。载 样仓用以承载试样， 根据试样形状与规格， 仓腔为圆柱 形或棱柱形; 数据采集单元由压力传感器、 应变传感 器、 激光测速传感器、 数据转换盒、 动态应变仪及数据 集成箱组成。数据分析单元由计算机、 示波器等终端 组成; 数据转换盒由惠斯通电桥及放大器组成。 1 － 空压机; 2 － 调压器; 3 － 脉冲发射器; 4 及 13 － 线激光测速传感器; 5 － 波形整形器; 6 － 动量限波器; 7 － 应变传感器; 8 － 实验杆; 9 － 钻头; 10 － 试件; 11 － 刚性固定端; 12 － 压力传感器; 14 － 转换盒; 15 － 接口; 16 － 数字式动态应变仪; 17 － 数据集成箱; 18 － 计算机 图 1冲击钻进响应测试模拟系统 Fig． 1A response test simulation system for impact drilling 1． 2系统的基本原理 通过撞击杆系模拟钻进冲击过程， 撞击杆冲击实 验杆 输入杆 后， 使实验杆产生一定的速度和位移， 同 时在实验杆中产生入射应力波， 当应力波达到实验杆 端面后， 通过圆锥形冲击钻头撞击试样， 并在钻头端面 发生反射应力波。通过数据采集系统从实验杆采集拉/ 压及剪切应变， 信号以电压或电子脉冲信号的形式， 根据 选定的采样频率直接输出到数据采集系统， 经数据转换 和数字集成后输入给计算机分析系统， 进行数据的存储、 显示、 分析、 打印及网络传输。分析系统根据弹性杆入/ 反射应力波原理， 计算获得应变能、 扭矩及被测材料的动 态抗压强度等参数。通过测速传感器和压力传感器获得 撞击杆系的发射压力、 撞击速率并计算冲击能， 从而分析 材料在冲击条件下的结构及力学响应特性。 2试验方案设计 2． 1试样设计 为了模拟洞室结构岩体在钻头冲击荷载下的响应 特性， 本研究采用大尺度带圆孔的花岗岩和试验用 b25． 00 mm 合金钢半球形单齿钻头; 试验时钻头端面 与实验杆及试件端面轻压接触， 中心对正， 以保证钻头 与试样接触紧密。设计的试样结构如图 2 所示。岩块 试样半径 Rt为钻头半径 Rb的 6 倍， 即 Rt75． 00 mm， 柱高Hc215．00 mm， 圆孔半径Rs16．00 mm， 孔深L 1 180．00 mm， 孔中心到平面距离 H3－Rt37．00 mm; 试样 精度要求遵照 ISRM International Society for Rock Me- chanics 建议方法 2013 ， 每组试件数为 3。 831振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 2． 2测试方法 图 1 的测试系统， 采用的发射管外径 e50 mm， 内径 i 25 mm; 撞击杆及实验杆为合金钢， 直径  25 mm， 撞 击 杆 长 Ls 250 mm， 实 验 杆 杆 长 L 2 300 mm。杆的密度为 ρ 8 100 kgm －3， 弹性波速 v 4 790 ms －1。为了分析岩体结构形态及孔洞距离 对冲击响应的影响， 试验时将受荷点分别布置在柱面 及平面中心， 参见图 2 中方案 1 及方案 2。同时， 为了 考察钻进中荷载的累计损伤， 采用渐进式循环冲击加 载。试验初始压力为 P0 0． 007 MPa， 初始增量△P 0． 007 MPa， 当 超 过 0． 069 MPa 后，增 量 为 △P 0． 014 MPa， 直到试件开裂破坏。 3试验结果与分析 3． 1反射应力波峰值 实验发现， 无论是柱面还是平面受荷， 实验杆中的 反射响应存在一个冲击能门槛值。在本研究中， 可响 应的冲击压力门槛值为 0． 207 MPa， 此时冲击速率为 0． 87 ms －1， 门槛冲击能为 0． 38 J。由于实际工程中 常用钻机的冲击能大于 30 J， 各种弹头冲击及爆炸能 则更大。因此， 可响应的门槛冲击能远低于常用穿孔 机械及爆炸的单次冲击能。因此， 钻进及爆炸等冲击 均为可响应载荷。 图 2模拟的孔洞结构花岗岩试样 Fig． 2Granite sample with cavern structure for test simulation 试验发现， 两个不同的受荷点， 在 3 个试验样本 中， 其曲线非常均接近， 为分析方便， 这里采用样本平 均曲线进行分析。其中， 反射应力波峰值 Rmax 随冲击 能的变化， 如图 3 所示。从图 3 可知， 虚线部分为试件 开裂后继续加载一次的情况; 随着冲击能的增大， 不同 受荷点的反射峰值应力轨迹非常接近， 且 Rmax呈近线 性增长， 具有相同的变化梯度， 说明渐进冲击对试件产 生的损伤累计效应是比较均匀的， 在岩体破坏前没有 发生显著的跃迁; 在试件破坏后， 继续加载反射峰值应 力仍然增高。 图 4 反映了反射峰值应力波 R 与入射峰值应力 波 I 比 R/I max- 峰值应力比的变化情况。从图 4 可 知， 随着冲击能的增大， R/I max的变化虽略有下降， 但 保持基本恒定， 破坏前的峰值比平均为 0． 90， 说明随着 冲击能的增大， 尽管峰值应力增高， 但峰值比变化小。 若破坏后继续加载， R/I max将较破坏前一次加载时则 有显著增高， 柱面受荷与平面受荷分别提高 10． 11 和 7． 52; R/I max曲线随冲击能的变化存在波动， 试件 破坏时的增加值仍处于波动范围内。说明孔洞破裂所 造成峰值应力比的增高， 将被岩石材料的非均匀性等 影响所掩盖， 虽然可视为孔洞破裂的潜在识别指标， 但 分异特征并不显著， 指向性不明显。 图 3峰值反射应力 Rmax随冲击能的变化 Fig． 3Change of peak reflected stress Rmaxwith impact energy 图 4峰值应力比 R/I max随冲击能的变化 Fig． 4Change of peak stress ratio R/I maxwith impact energy 3． 2反射应变比能的变化 应变比能是指单位体积的应变能。试验表明， 当 冲击压力为临界响应压力 0． 207 MPa 临界冲击能为 0．38 J 时， 反射的变形能超过 85， 说明低冲击能时， 钻头与试件界面接触差， 不利于应力波的传递。从图 5 可知， 当冲击能达到 5． 84 J 0． 276 MPa 后， 反射应变 比能 Rse 与入射应变比能 Ise 的比值 Rse/Ise － 应 变比能之比趋于稳定递减， 因此， 5． 84 J 可视为试验 条件下的冲击能门槛值。试件破坏前， Rse/Ise的变 化区间为 0． 26 ～ 0． 54， 下降梯度为 1． 10 ～ 1． 53 kJ。 试件开裂后继续加载， Rse/Ise陡然升高， 分别增高了 172． 61 和 218． 26 。说明孔洞开裂后实验杆中 的反射应力将增高， 孔洞破坏前后表现出明显的分 异， 指向性显著。 931第 4 期谭卓英等圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究 ChaoXing 图 5应变比能比 Rse/Ise 随冲击能的变化 Fig． 5Change of specific strain energy ratio Rse/Ise with impact energy 3． 3孔洞结构与破坏特征的关系 通过对每一步试验现象的观察发现， 当柱面受荷 时， 试件的开裂破坏发生在最后一击， 即发生在冲击压力 为1．517 MPa， 此时试件承受的冲击能为0．012 3 J/cm3。 在此之前， 试件无明显的开裂现象。破坏为单裂纹， 以 受荷点为中心， 沿洞室纵轴线向两翼发展， 裂纹扩展方 向与孔洞中心轴线重合。 当平面受荷时， 随着冲击能的增大， 试样受荷点将 逐渐出现层裂， 并在钻头前方形成凹陷压实核， 但无明 显的开裂现象， 试件破裂亦发生在最后一击， 即冲击压 力为1． 379 MPa 0． 011 2 J/cm3 时， 裂纹走向与柱面受 荷时不同， 此时为以受荷点为中心出现孔洞轴向裂纹， 并以受荷点为中心向两翼发展。同时， 可发现裂纹贯 通孔轴内壁。 4结论 研究表明， 试件起裂压力或冲击能的大小与孔洞 中心到受荷点的距离有关。受荷点到孔洞距离为 150 mm时， 破坏的临界冲击能为 0． 012 3 J/cm3， 当距 离缩短到37 mm 时， 为0． 011 2 J/cm3， 所需的能量下降 了 8． 94， 相当于距离每增大 1 m， 所需的破坏能量须 增加 0． 097 3 J/cm3。 孔洞结构对岩体的冲击破坏具有明显的影响， 当 受荷点垂直孔洞长轴方向布置时， 发生单裂纹破坏， 裂 纹以受荷点为中心沿孔洞长轴向两翼扩展。当受荷点 平行孔洞长轴方向布置时， 先出现层裂和凹陷核， 当累 计到一定程度时发生径向裂纹， 其扩展速度及是否贯 通孔洞内壁， 视受荷点与自由边界的距离而定， 总是朝 阻碍小的一侧先发展。 在试验条件下， 峰值应力比随冲击能的变化存在 一定的波动， 虽略有下降， 但总体上变化平缓， 下降梯 度小， 岩石破坏前后无显著的分异特征。应变比能比 在岩石开裂前， 其曲线与应力比的变化相似。但在岩 石开裂破坏后， 应变比能比陡然增高， 破坏前后存在显 著的分异性。可见， 应变比能比可作为岩体结构破坏 响应的特征指标， 具有显著的指示性。 这是因为在渐进式加载时， 冲击压力是逐次增加 的， 峰值应力水平也将逐次增高， 在岩石试样破坏前， 接触面积和波阻抗基本没发生改变， 与等压循环冲击 相同， 岩石的累积吸收能随着冲击次数的增加而增大， 累积损伤亦随着循环冲击次数的增加而增大， 但其累 积损伤比等压冲击时要小， 其破坏主要由最后一次冲 击产生。因此， 破坏时的峰值应力比分异并不显著。 此外， 本研究中初始响应值是在采用电阻应变的 情况下获得的。临界响应压力与测试系统传感器原件 的灵敏度有关， 灵敏度不同， 初始响应压力值会有变 化。同时， 材料在冲击荷载下的响应特征不仅与受载 材料物质组成、 含水率、 微结构、 强度及密度等自然特 性有关， 还与空间结构的大小、 形状、 冲击弹头结构形 状等相关， 岩体发生破坏的临界冲击能将随受荷点到 孔洞中心距的增大而增大。但这方面的量化关系还有 待深入研究。 参 考 文 献 ［1］ 谭卓英． 岩土工程界面识别理论与方法［ M］ ，北京科学 出版社， 2008． ［2］ 谭卓英，李文，岳鹏君，等． 基于钻进参数的岩土地层结 构识别技术与方法［J］ ． 岩土工程学报，2015，37 7 1328 －1333． TAN Zhuoying，LI Wen，YUE Pengjun，et al． Techniques and approaches for identification of geo- ation structure based on diamond drilling parameters［ J］ ． Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2015， 37 7 1328 －1333． ［3］ STEVEN S，RAYMOND L． Automated coal seam detection using a modulated specific energy measure in a monitor- while- drilling context［ J］ ． International Journal of Rock Mechanics ＆ Mining Sciences， 2015， 75 196 －209． ［4］ LAURA C，ESTANISLAO P，ENRIC V，et al． Modeling of the EPB TBM shield tunneling advance as a tool for geological characterization［J］ ．Tunnelling and 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