不同温度状态石灰岩力学性能的加载速率.doc

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1、精品论文不同温度状态石灰岩力学性能的加载速率效应茅献彪1，刘瑞雪1，张连英25（1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008；2. 徐州工程学院土木工程学院，江苏徐州 221008）摘要：借助美国 MTS810 电液伺服材料试验机和高温炉，对常温和 600两种温度状态下石 灰岩试件进行不同加载速率下的单轴压缩试验，得到石灰岩力学性能随加载速率的变化规10律。结果表明：(1)常温时，在 3e-4mm/s3e-3mm/s 的低应变率范围内，加载速率对峰值应 力和弹性模量影响不大，由 3e-3mm/s 增加到 3e-1mm/s 时，峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势

2、；600时，峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。（2）常温时，不同加载速率下均为竖向劈裂破坏，且在 3e-3mm/s3e-1mm/s 的加载速率区段中，随加载速率的增加 劈裂面逐渐增多；600时，不同加载速率下均为剪切破坏。15关键词：石灰岩；高温；加载速率；力学性能中图分类号：TD 315Loading rate effct of the mechanical properties of limestone under different temperature conditions20MAO Xianbiao1, LIU Ruixue1, ZHANG lianying2(1. Sta

3、te Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008;2. School of Civil Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008)Abstract: In this paper, the uniaxial compression tests for limestone specimens we

4、re carried out in25different loading rates at room temperature and 600 using the Rock Mechanics Servo-controlledTesting System MTS810 and high temperature furnace. The mechanical properties of limestone were studied with the variation of loading rates. The results show that (1) The peak strength and

5、 ela stic modulus of limestone change little from 3e-4 mm/s to 3e-3 mm/s low loading rates, but show increase trend when loading rate changes from 3e-3 mm/s to 3e-1 mm/s at room temperature; The peak strength30and elastic modulus change little with the increase of loading rate at 600. (2) The failur

6、e mode isvertical splitting failure under different loading rates at room temperature, cleavage planes increase gradually with the increase of the loading rate when loading rate changes from 3e-3 mm/s to 3e-1 mm/s;At 600, the failure mode is shear failure under different loading rates .Key words:lim

7、estone; high temperature; loading rate; mechanical property350引言研究加载速率对岩石力学性能的影响一直是岩石工程问题中的重要课题之一。理论和试 验证明，岩石在承受不同加载速率作用时，其力学特性有很大差异，而不同加载速率下岩石 的破坏研究正是研究岩体爆破机制、破坏判据以及岩体工程参数优化等的理论基础1 。因40而有关岩石材料在不同加载速率作用下的力学效应分析一直被视为岩石力学特性研究领域 中的一个本质和核心的研究内容。目前，国内外学者针对不同加载速率作用下岩石的力学性能进行了大量研究。Okubo2基金项目：国家自然科学基金项目（510

8、74166，51104128）；住房和城乡建设部科学技术项目（2011-K3-5）； 江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY2012085）；博士点基金（20120095110013） 作者简介：茅献彪（1959-），男，教授，主要从事固体力学理论与工程应用方面的教学与科研工作，主要 研究方向为计算岩土力学. E-mail: - 6 -等对应力峰值过后应变值减小所谓的第二类岩石进行了不同应变速率作用下的试验，从而提出峰值强度随应变速率增加而增大的经验公式。Bien-iawshi、Peng 以及 Chong3-5等分别对45细砂岩、凝灰岩和油页岩进行了不同应变速率下加载观测。Olsson6用两种实

9、验设备对凝灰 岩进行的应变速率为 10-6103s-1 的单轴抗压实验表明，当应变速率76s-1 时，岩石试样的 强度随应变速率的变化不大，当应变速率由 10-6 增加到 101s-1 时，岩石的抗压强度约增加10；而当应变速率大于约 76 s-1 后，岩石试样的强度随应变速率的增加而大幅度增加。Zhao等人7对 Bukit Timah 花岗岩进行的动单轴压缩实验结果表明，当应变速率由 10-5 增加到50101s-1 时，花岗岩的抗压强度约增加 20，同时，花岗岩的弹性模量和泊松比随应变速率 的增加变化较小。李永盛、杨仕教8-9 等分别对红砂岩和石灰岩试件进行了不同加载速率下的单轴压缩实验，

10、分析了应变率对单轴杭压强度、峰值应变以及破裂形式等物理力学性态的影响。纪文栋10等对盐岩进行了不同围压不同加载速率下的三轴压缩实验，得到了盐岩三 轴强度、轴向应变及侧向应变以及破裂形式等物理力学性质随加载速率的变化规律。55加载速率对岩石力学性能影响的研究大多数是在常温条件下进行的，然而，高温状态下 加载速率对岩石力学性能的影响和常温下差异很大。近几年有少数学者对高温状态下加载速 率对岩石力学性质的影响进行了初步研究11-12。本文借助美国 MTS810 电液伺服材料试验机 和国产高温炉 UGK75，对石灰岩岩样在常温和 600两种温度状态下进行了单轴压缩试验， 对比分析了加载速率对两种不同温

11、度状态下石灰岩力学性能的影响。601试验条件及方法1.1试验设备本次实验轴向压力的施加由 MTS810 电液伺服材料试验系统完成。温度的施加与保持， 则由高温炉 UGK75 实现，其内部结构如图 1 所示。该高温炉整体高度为 265mm，热区域有 三段加热炉丝，热区域总高度为 250mm，热区域宽度为 d=80mm 圆柱形，施加的温度范围65为常温1200。图 2 为该高温炉与 MTS810 电液伺服材料试验系统相匹配的情况。 整个试验过程由试验系统配套的 Teststar系统按照事先要求设定的程序完成。该系统通过计算机对测试过程有一个最迅速的控制，利用主窗体的菜单，可分配传感器，定义控制模式

12、、设置边界、选取输出信号，且在必要时设置一些参数，该系统软件包括图形用户接口、 数据接口、软件功能发生器、程序设计以及系统工具。70 图 1 高温炉 UGK75 的内部结构图 2 MTS810 电液伺服材料试验系统与高温炉 UGK75Fig.1 MTS810 hydraulic servo system andFig.2 The internal structure of the UGK75UGK75 high temperature furnacehigh temperature furnace751.2 试样制备试验用石灰岩取自徐州矿区某矿井下岩层。考虑到试验中使用的高温环境炉内腔容积的限

13、制，将本试验的岩样加工成直径为 20. 0 mm，高为 45. 0 mm 的圆柱体，符合岩石物理 力学性质试验规程DY94 对岩样尺寸的要求，加工时首先用钻筒钻取相同直径的岩样，80然后用切割机截取相同高度的岩样，最后用打磨机将岩样的两个端面打磨，确保试样两端面间的平行度小于 0.05mm。试样在中国矿业大学岩石力学实验室加工完成。部分岩样如图 3所示。851.3 试验过程图 3 部分石灰岩试样Fig.3 Part of the limestone samples9095100本次实验设定常温和 600两个温度水平，每个温度水平下分 3e-4mm/s，3e-3mm/s，3e-2mm/s，3e-

14、1mm/s 4 级加载，每级加载试样为 3-5 块。试验时，首先将岩样放入高温炉中 对其进行加热，按 2/S 的升温速率加温至特定温度值。为确保岩样受热均匀，恒温 2h。 然后采用位移控制方式分别按四种不同的加载速率加载直至试样破坏。本次单轴压缩试验采用位移控制方式，加载过程中利用 TeststarII 控制程序按预定的要求完成实验过程，同时记 录下相关物理量的值：轴向载荷、轴向位移、轴向应力及应变等。2 不同温度状态下石灰岩力学性能随加载速率的变化2.1 石灰岩的全应力-应变曲线根据石灰岩岩样单轴压缩试验的轴向荷载-位移曲线，进一步分析得出常温和高温状态 不同加载速率下石灰岩单轴压缩试验的应

15、力-应变全过程曲线，由于篇幅有限，本文仅列出各级加载速率下有代表性的应力应变曲线，如图 4、图 5 所示。图 4 常温时不同加载速率下石灰岩的应力-应变曲图 5 600不同加载速率下石灰岩的应力-应变曲线Fig.4 The stress-strain curves with differentFig.5 The stress-strain curves with different loading rates under room temperatureloading rates under 600由图 4、图 5 可知，常温和 600时，石灰岩在不同加载速率下的应力-应变曲线大体表现为如下四

16、个阶段：1）初始的压密阶段，其曲线呈上凹型，随应力的增加，变形发展较快， 这主要是由于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致；2） 近似线弹性变形阶段。这一105110115120125130阶段的曲线近似呈直线，应力与应变呈比例关系；3）塑性变形阶段：岩石应力-应变关系偏离直线，呈现非线性变形，应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零；4）破坏 阶段。总体上讲，常温和 600温度条件下，加载速率的变化对石灰岩的应力-应变曲线基本形状影响较小，石灰岩岩样的破坏均表现为峰值应力点的突然脆性破坏。2.2 石灰岩峰值应力的变化特征图 6-7 分别给出了常温和 600温度条件下石灰岩峰值应力随

17、加载速率的变化曲线。图 6 常温时峰值应力随加载速率的变化曲线图 7 600峰值应力随加载速率变化曲线Fig.6 Relation between the loading rates andFig.7 Relation between the loading rates and peak strength under room temperaturepeak strength under 600由图 6 可 以 看 出 ， 常 温 下 石 灰 岩 的 峰 值 应 力 具 有 明 显 的 应 变 率 效 应 ： 在3e-4mm/s3e-3mm/s 的低应变率范围内，加载速率对峰值应力的影响不大；

18、加载速率由3e-3mm/s 增加到 3e-1mm/s 时，峰值应力急剧上升，由 74.41Mpa 升高到 150.40Mpa，上升 幅度约 102.12%。从图 7 可以看出，600时，但从整体上看，峰值应力随加载速率的增加变化不大，应 变率效应较常温时明显减弱。加载速率由 3e-4mm/s 增加到 3e-3mm/s 的过程中，峰值应力由147.17MPa 下降到 137.71MPa；在 3e-3mm/s 到 3 e-2mm/s 加载速率区段中，峰值应力由137.71MPa 上升到 155.60 MPa；加载速率继续增加到 3 e-1 mm/s 时，峰值应力又下降到 147.87MPa。2.3

19、 石灰岩的弹性模量的变化特征利用应力-应变全过程曲线上岩样达到峰值强度前的近似直线段，计算得出岩样的弹性 模量 E。图 8-9 分别给出了常温和 600高温状态下石灰岩的弹性模量 E 随加载速率的变化规律。图 8 常温时弹性模量随加载速率的变化曲线图 9 600时弹性模量随加载速率的变化曲线Fig.8 Relation between the loading rates and elasticFig.9 Relation between the loading rates and elastic135140145150modulus under room temperaturemodulus

20、under 600从图 8 中 可 以 看 出 ： 常 温 下 石 灰 岩 弹 性 模 量 随 加 载 速 率 增 加 变 化 很 大 。 在3e-4mm/s3e-3mm/s 的低应变率范围内，弹性模量随加载速率的增加变化不大；加载速率由3e-3mm/s 增加到 3e-1mm/s 时，弹性模量呈明显上升趋势，由 7.48GPa 升高到 10.62GPa，升 高了约 41.98%。从图 9 中可以看到：600下石灰岩的平均弹性模量随加载速率的增加大致呈缓慢上升 的趋势，没有表现出明显的应变率效应。加载速率由 3e-4mm/s 增加到 3 e-1mm/s 的过程中， 石灰岩试样的弹性模量由 5.5

21、9GPa 增加到 7.83GPa。3 不同温度状态下石灰岩宏观破坏特征随加载速率变化图10为常温下石灰岩岩样在不同加载速率作用下的破坏照片，可以看出，在不同加载速 率下试件的破坏形式均以竖向劈裂破坏为主，且在3e-3mm/s3e-1mm/s的加载速率区段中， 随加载速率的增加劈裂面逐渐增多。3e-4 mm/s3e-3 mm/s3e-2 mm/s3e-1 mm/s图 10 常温时不同加载速率下石灰岩宏观破裂图片Fig.10 Macroscopic fracture images of limestone with different loading rates under room temper

22、ature 图11给出了600时石灰岩试样在不同加载速率作用下的破坏照片。可以看到，600温度条件下石灰岩试样的破裂方式并未随加载速率的增大而改变，均为剪切破坏。1554 结论3e-4 mm/s3e-3 mm/s3e-2 mm/s3e-1 mm/s图 11 600时不同加载速率下石灰岩宏观破裂图片 Fig.11 Macroscopic fracture images of limestone with different loading rates under 600160本文给出了常温和600高温状态下加载速率对石灰岩的力学性能的影响，得到以下研究结论：（1）常温和600时，石灰岩在不同加载

23、速率下的应力-应变曲线大体表现为如下四 个阶段：初始的压密阶段、近似线弹性变形阶段、塑性变形阶段以及破坏阶段。加载速率的165170175180185190195200205变化对石灰岩应力-应变曲线基本形状的影响不明显，石灰岩岩样的破坏均表现为峰值应力点的突然脆性破坏。（2）常温时石灰岩的峰值应力在 3e-4mm/s3e-3mm/s 的低应变率范围内，加载速率对 峰值应力的影响不明显；加载速率由 3e-3mm/s 增加到 3e-1mm/s 时，峰值应力急剧上升，上 升幅度约 102.12%。600高温状态下，峰值应力随加载速率的增加变化不大，应变率效应 较常温时明显减弱。（3）常温和600两

24、种不同温度状态下石灰岩岩样弹性模量随加载速率的变化规律如 下：常温时石灰岩弹性模量在3e-4mm/s3e-3mm/s的低应变率范围内，弹性模量随加载速 率的增加变化不大；加载速率由3e-3mm/s增加到3e-1mm/s时，弹性模量呈明显上升趋势，由7.48GPa升高到10.62GPa。600时，石灰岩的弹性模量随加载速率的增加基本呈缓慢上升 趋势。（4）常温时，石灰岩岩样在不同加载速率下的破坏形式均为竖向劈裂破坏，且在3e-3mm/s3e-1mm/s的加载速率区段中，随加载速率的增加劈裂面逐渐增多； 600时，岩 样在不同加载速率下的破坏形式均为剪切破坏，随加载速率变化不明显。参考文献 (Re

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