·1786· 工程科学学报，第39卷，第12期 表1岩石物理力学参数 的岩石试样，采取3次试验取中间值的方式.动载试 Table 1 Physical and mechanical parameters 验所用砂岩试样尺寸为b50mm×50mm,试样编号规 岩石密度/ 静态抗压强度， 岩石类型 则为： u/% K1% (103kg*m3) e/MPa 干燥 0.58 2.82 2.42 96.16 1-8代表不同的冲击能量等级 数值越高表示冲击能量越大 半饱和 10.78 52.11 2.45 88.35 g干燥 饱和 20.69 100.00 2.48 77.64 -bb:半饱和 b饱和 试样的抗压强度分别低了8.12%、19.26%，而饱和岩 3.1岩石强度分析 石试样又比半饱和岩石试样的抗压强度低了 整理所有岩石试样的动态峰值应力，以及岩石动 12.12%.由此可见，岩石的含水量越大，其抗压强度 态峰值应力与静态强度的比值记为动态强度增长因 降低越明显 子，即 3SHPB试验及结果分析 (6) 试验所用SHPB系统杆件直径50mm,入射杆长 式中：K为动态强度增长因子：σ。为岩石峰值应力，若 2.00m,透射杆长1.50m,材质为40Cr合金钢，其密度 岩石破坏则为动态抗压强度，MPa. 为7795kgm3,弹性波速为5410m·s.冲头为可以 从表2中可以看出，随着炮膛气压的增加，岩石各 消除PC振荡的“纺锤型”，能实现稳定的半正弦波加 项参数均有不同程度的增加：不同的是，在同一气压的 载，具有与杆件相同的材质，冲头最大直径为50mm. 冲击作用下，随着含水量的增加，岩石应变率在增加 采用SHPB装置对岩石试样进行动态加载，为得 岩石峰值应力逐渐降低.拟合表2中岩石峰值应力、 到不同加载能量情况下岩石的力学特性，采用调节炮 动态强度增长因子与平均应变率的关系如图4、图5 膛气缸气压的方式改变冲击入射能.试验以8种不同 所示.从图中可以看出，随着岩石含水量的增加，不同 入射能对各饱和系数的岩石试样分别进行冲击.得到 关系式曲线的斜率在逐渐减小，曲线截距增大.由此 岩石在损伤和破坏两种状态下的动态力学响应规律. 说明水对岩石进行了软化，减弱了岩石抵抗变形的能 为减小曲线的波动，每种入射能对应的不同饱和系数 力，降低了岩石的强度 表2岩石动态试验结果 Table 2 Dynamic test results 冲击炮膛气压， 干燥 半饱和 饱和 模式 P/MPa 编号 8/s-1 /MPa Ke 编号/s1g.IPa K。 编号E/s10eMPa Ke 0.35 8】 12.65 101L.03 1.05 bh-120.45 96.94 1.10 b-1 25.30 89.67 1.15 损伤 0.40 g-2 18.28 126.581.32bb-232.14 111.361.26b-2 36.40 114.55 1.48 冲击 0.45 83 21.67 152.85 1.59 bb-3 36.57 142.72 1.62 b-3 38.95 126.49 1.63 0.50 g-4 23.17 168.131.75bb436.76 143.261.62 b-4 45.63 130.85 1.69 0.55 85 27.86172.11 1.79bh-5 44.08 155.771.76 b558.86 137.881.78 破坏 0.60 g-6 29.93 194.822.03 bb-6 47.90 158.49 1.79 b-6 59.83 139.91 1.80 冲击 0.65 87 35.57 208.39 2.17 bb-751.58 163.79 1.85 b-7 62.28 141.66 1.82 0.70 g-8 37.68 212.85 2.21 bb-8 52.07 166.77 1.89 b-8 65.51143.40 1.85 3.2应力一应变曲线分析 从图9中可以看出，两种曲线均有应力上升和应 整理所有岩石试样的应力一应变曲线，如图6~8 力下降两个阶段四，定义应力上升阶段为加载阶段，即 所示.从图中可以看出，损伤冲击和破坏冲击所得到 OC段，而应力下降阶段为卸载阶段，即CE段，对于破 的应力一应变曲线形状一致，并且随着冲击荷载的增 坏冲击的岩石，此阶段亦为破坏后阶段.不同冲击荷 加，岩石应力一应变曲线有右移的趋势，而干燥岩石试 载岩石应力-应变曲线的OA段几乎一致，冲击荷载越 样的应力一应变曲线变化规律和含水岩体的有所不 大，BC段越长. 同.单独提取两种典型的应力一应变曲线，如图9 图9(a)所示曲线中，OA段为压密段，AB段弹性 所示. 阶段.进入BC段后，是岩石的塑性变形阶段.CD段工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 表 1 岩石物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters 岩石类型 ω/% Kω /% 岩石密度/ ( 103 kg·m3 ) 静态抗压强度， σc /MPa 干燥 0. 58 2. 82 2. 42 96. 16 半饱和 10. 78 52. 11 2. 45 88. 35 饱和 20. 69 100. 00 2. 48 77. 64 试样的抗压强度分别低了 8. 12% 、19. 26% ，而饱和岩 石试 样 又 比 半 饱 和 岩 石 试 样 的 抗 压 强 度 低 了 12. 12% ． 由此可见，岩石的含水量越大，其抗压强度 降低越明显． 3 SHPB 试验及结果分析 试验所用 SHPB 系统杆件直径 50 mm，入射杆长 2. 00 m，透射杆长 1. 50 m，材质为 40Cr 合金钢，其密度 为 7795 kg·m － 3，弹性波速为 5410 m·s － 1 ． 冲头为可以 消除 P--C 振荡的“纺锤型”，能实现稳定的半正弦波加 载，具有与杆件相同的材质，冲头最大直径为 50 mm． 采用 SHPB 装置对岩石试样进行动态加载，为得 到不同加载能量情况下岩石的力学特性，采用调节炮 膛气缸气压的方式改变冲击入射能． 试验以 8 种不同 入射能对各饱和系数的岩石试样分别进行冲击． 得到 岩石在损伤和破坏两种状态下的动态力学响应规律． 为减小曲线的波动，每种入射能对应的不同饱和系数 的岩石试样，采取 3 次试验取中间值的方式． 动载试 验所用砂岩试样尺寸为 50 mm × 50 mm，试样编号规 则为: 3. 1 岩石强度分析 整理所有岩石试样的动态峰值应力，以及岩石动 态峰值应力与静态强度的比值记为动态强度增长因 子，即 Kc = σcs σc ． ( 6) 式中: Kc为动态强度增长因子; σcs为岩石峰值应力，若 岩石破坏则为动态抗压强度，MPa． 从表 2 中可以看出，随着炮膛气压的增加，岩石各 项参数均有不同程度的增加; 不同的是，在同一气压的 冲击作用下，随着含水量的增加，岩石应变率在增加， 岩石峰值应力逐渐降低． 拟合表 2 中岩石峰值应力、 动态强度增长因子与平均应变率的关系如图 4、图 5 所示． 从图中可以看出，随着岩石含水量的增加，不同 关系式曲线的斜率在逐渐减小，曲线截距增大． 由此 说明水对岩石进行了软化，减弱了岩石抵抗变形的能 力，降低了岩石的强度． 表 2 岩石动态试验结果 Table 2 Dynamic test results 冲击 模式 炮膛气压， P /MPa 干燥 半饱和 饱和 编号 ε · / s － 1 σcs /MPa Kc 编号 ε · / s － 1 σcs /MPa Kc 编号 ε · / s － 1 σcs /MPa Kc 0. 35 g--1 12. 65 101. 03 1. 05 bb--1 20. 45 96. 94 1. 10 b--1 25. 30 89. 67 1. 15 损伤 0. 40 g--2 18. 28 126. 58 1. 32 bb--2 32. 14 111. 36 1. 26 b--2 36. 40 114. 55 1. 48 冲击 0. 45 g--3 21. 67 152. 85 1. 59 bb--3 36. 57 142. 72 1. 62 b--3 38. 95 126. 49 1. 63 0. 50 g--4 23. 17 168. 13 1. 75 bb--4 36. 76 143. 26 1. 62 b--4 45. 63 130. 85 1. 69 0. 55 g--5 27. 86 172. 11 1. 79 bb--5 44. 08 155. 77 1. 76 b--5 58. 86 137. 88 1. 78 破坏 0. 60 g--6 29. 93 194. 82 2. 03 bb--6 47. 90 158. 49 1. 79 b--6 59. 83 139. 91 1. 80 冲击 0. 65 g--7 35. 57 208. 39 2. 17 bb--7 51. 58 163. 79 1. 85 b--7 62. 28 141. 66 1. 82 0. 70 g--8 37. 68 212. 85 2. 21 bb--8 52. 07 166. 77 1. 89 b--8 65. 51 143. 40 1. 85 3. 2 应力--应变曲线分析 整理所有岩石试样的应力--应变曲线，如图 6 ～ 8 所示． 从图中可以看出，损伤冲击和破坏冲击所得到 的应力--应变曲线形状一致，并且随着冲击荷载的增 加，岩石应力--应变曲线有右移的趋势，而干燥岩石试 样的应力--应变曲线变化规律和含水岩体的有所不 同． 单独提取两种典型的应力--应 变 曲 线，如 图 9 所示． 从图 9 中可以看出，两种曲线均有应力上升和应 力下降两个阶段［1］，定义应力上升阶段为加载阶段，即 OC 段，而应力下降阶段为卸载阶段，即 CE 段，对于破 坏冲击的岩石，此阶段亦为破坏后阶段． 不同冲击荷 载岩石应力--应变曲线的 OA 段几乎一致，冲击荷载越 大，BC 段越长． 图 9( a) 所示曲线中，OA 段为压密段，AB 段弹性 阶段． 进 入BC段 后，是 岩 石 的 塑 性 变 形 阶 段． CD段 · 6871 ·