圍壓狀態(tài)下膠結砂相似材料的動態(tài)力學特性研究.pdf

1、由于地質(zhì)力學模型試驗具有形象、直觀、真實等特點，被廣泛應用于水電、交通、能源和礦山工程等領域的地下工程，尤其是近年來更是發(fā)揮了其越來越重要的作用。地質(zhì)力學模型試驗同常規(guī)模型試驗主要不同的地方，從本構關系來說，首先是考慮了彈塑性特性，其次是盡可能利用模型本身的容重去模擬原型的自重。歸根結底，它們的主要差別在于模型材料的不同，所以，地質(zhì)力學模型試驗能否成功，關鍵在于模型材料的選擇，以及模型材料的力學性質(zhì)等。查詢現(xiàn)有文獻發(fā)現(xiàn)，目前眾多學者對物

2、理模型試驗相似材料的研究主要集中在其靜態(tài)力學特性方面，而對其動態(tài)特性的研究甚少，尤其是相似材料在三軸沖擊荷載下的動態(tài)力學特性研究更是少之又少。
　　本文以物理相似模型試驗中常用作模擬砂巖的膠結砂相似材料為研究對象，因其屬于顆粒膠結型材料，且具有低強度、低變形模量的特征，加之材料能快速干燥材料、成本低廉、加工方便、性能穩(wěn)定、制備靈活、無毒無害等優(yōu)點，故被廣泛采用。選擇石英砂、石膏粉、水泥以及水等作為原料制作標準試件，并測試其基本物理

3、力學參數(shù);按照砂∶水泥∶石膏∶水=1∶0.095∶0.05∶0.10的配比制作成長徑比為0.5的圓盤試件，借助于SHPB試驗裝置進行動態(tài)壓縮試驗和動態(tài)劈裂試驗。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)研制膠結砂相似材料，并測定其容重、縱波波速、單軸抗壓強度和抗拉強度等基本物理力學參數(shù)。經(jīng)由相似系數(shù)和原巖強度來計算物理模型試驗所需相似材料的強度，從而可以確定本模型試驗相似材料的配合比為1∶0.095∶0.05∶0.10（砂∶水泥∶石膏∶

4、水）。
　　(2)分析了分離式SHPB實驗裝置的基本原理、桿中的應變測試以及實驗數(shù)據(jù)處理方法等，并討論了試樣的設計原則，最終得出試樣以長徑比為0.5為最適宜。較為詳細的介紹了安徽理工大學沖擊實驗室SHPB試驗裝置系統(tǒng)，同時給出詳細的操作步驟和試驗過程注意事項。
　　(3)借助分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗裝置，對膠結砂相似材料試件進行不同沖擊荷載（不同應變率）條件下的常規(guī)沖擊壓縮實驗。利用簡化三波法進行分析處理，得到膠結

5、砂相似材料的動態(tài)應力-應變曲線和相關的動力學參數(shù)。實驗結果分析表明:膠結砂相似材料在沖擊載荷作用下屬于延性破壞類型，其變形過程可概括為初始非線性階段、屈服階段、塑性變形階段和卸載破壞階段四個階段;單軸沖擊荷載下的膠結砂動態(tài)抗壓強度、峰值應變等與應變率顯示很強的相關性。
　　(4)利用鋼制套筒（被動圍壓裝置）和主動圍壓裝置作為圍壓加載裝置，借助分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗裝置，對膠結砂相似材料進行三軸沖擊壓縮實驗，并根據(jù)試驗結

6、果獲取圍壓狀態(tài)下膠結砂相似材料的動態(tài)應力-應變曲線和相關的動力學參數(shù)。試驗結果表明:具有圍壓應力值的膠結砂相似材料，在沖擊荷載作用下其動態(tài)抗壓強度相比于單軸沖擊提高1.5-3倍;圍壓狀態(tài)下膠結砂相似材料的動態(tài)抗壓強度、峰值應變?nèi)跃呙黠@的應變率相關性特征;圍壓狀態(tài)下的破壞模式也由單軸沖擊時的壓-剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔炱茐?主動圍壓的作用還使得膠結砂相似材料的性質(zhì)發(fā)生改變，由延性向脆-延轉(zhuǎn)化。
　　(5)借助SHPB試驗裝置對膠結砂試件沿徑

7、向進行加載測試膠結砂相似材料的動態(tài)拉伸強度。試驗設計五種不同沖擊氣壓，獲得了不同應變率下膠結砂試件的動態(tài)拉伸應力和應變率。試驗結果分析表明:動態(tài)荷載下的膠結砂拉伸應力比靜態(tài)時提高幅度較大，且抗拉強度的增大隨著應變率的增大而增大，即高應變率下膠結砂試件抗拉強度具有應變率效應。
　　綜上所得，相似物理模型試驗中對相似材料進行三向應力加載，會間接增強材料的抗壓強度和抗拉強度，尤其是對模型材料進行爆破時，受爆破動荷載的影響，材料的動態(tài)抗壓