吳浩，趙國彥，梁偉章，王恩杰

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預制表面裂隙砂巖的動態(tài)力學特性及破壞模式

吳浩，趙國彥，梁偉章，王恩杰

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

為了研究軸向表面裂隙形態(tài)對巖石動態(tài)力學特性及破壞模式的影響，將直徑×高度為50 mm×50 mm的圓柱形黃砂巖分別加工成裂隙深度為5，10和15 mm及裂隙數(shù)量為1，2，3和4條的不同類別試樣，采用改進的分離式霍普金森壓桿實驗系統(tǒng)對其進行動靜組合加載實驗，并借助高速攝像儀觀察裂紋擴展及動態(tài)破壞過程。研究結果表明：裂隙巖樣的動態(tài)抗壓強度、變形模量和峰值應變隨裂隙數(shù)量和深度增大而先增大后減??；裂隙巖樣變形由裂隙壓密閉合階段、彈性階段、非線性塑性變形階段和峰后階段組成，呈現(xiàn)顯著的塑性特征；裂隙巖樣的破壞模式比較復雜，主要有剝落破壞、拉剪破壞、剝落貫通破壞和拉伸貫通破壞4種；隨著裂隙深度增大，試樣能量吸收率和能耗密度先減小后增大；與其他含不同裂隙數(shù)量的巖樣相比，裂隙數(shù)量為2時巖樣能量吸收率和能耗密度較小，表明該類試樣的破碎塊度較大，這與采用分形理論描述的巖石破壞特征基本相符。

巖石動力學；動靜組合加載；分離式霍普金森壓桿；裂隙；破壞模式；能量耗散；分形理論

受地質作用影響，巖體內部往往產(chǎn)生許多裂隙和孔洞等缺陷，缺陷的存在弱化了巖石的物理力學性能，且缺陷尖端受應力集中作用極易起裂造成巖體失穩(wěn)破壞。巖體發(fā)生變形破壞的實質是內部裂紋萌生、擴展和相互貫通的過程，由此可見，研究裂隙(節(jié)理)巖體的力學特性和破裂演化機制至關重要。BOMBOLAKIS[1]通過單軸壓縮下含單節(jié)理樹脂材料的光彈實驗發(fā)現(xiàn)裂隙尖端拉伸翼裂紋的存在；POSTON等[2]采用Griffith能量準則研究了含裂隙類巖石材料在壓剪作用下的斷裂機理，揭示了裂紋擴展方向和裂隙走向的關系；NAMAT-NASSER等[3]認為裂隙長度是決定類巖石材料破壞模式的重要參數(shù)之一；WONG等[4]給出單軸壓縮下含雁形裂紋類巖石材料中巖橋破壞的3種形式，即拉剪破裂、剪切破裂和翼裂紋拉伸破裂，這與LEE等[5]采用近場動力學軟件模擬的結果一致；BOET等[6]也對含雁形裂紋的石膏材料進行單軸和雙軸壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓增大，裂隙尖端產(chǎn)生的翼裂紋轉向于裂隙中部萌生直至消失；黃明利等[7]對含預制表面雙裂隙的透明有機玻璃(PMMA)材料進行單軸壓縮實驗，分析了裂隙深度和幾何分布對三維表面裂紋擴展和貫通機制的影響。此外，WONG等[8]還研究含3個平行節(jié)理的類巖石材料的破壞模式，發(fā)現(xiàn)最終只有2個節(jié)理產(chǎn)生貫通，破壞模式與節(jié)理排列形式和節(jié)理面的摩擦因數(shù)有關。在類巖石材料的研究基礎上，F(xiàn)UJII等[9]對側向含不同傾角裂隙的塊狀砂巖進行單軸壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)除在裂隙尖端壓應力區(qū)產(chǎn)生豎直向上的剪切主裂紋外，在裂隙尖端拉應力區(qū)還產(chǎn)生一個與主裂紋貫通的微小拉伸裂紋，但沒有得出裂紋起裂應力和裂隙傾角的相關關系；WONG等[10]研究了含預制單節(jié)理Carrara大理巖在單軸壓縮下的破裂特征，并基于裂紋擴展路徑和起裂機理將破壞模式分為7類即3種拉伸斷裂、3種剪切裂紋和1種拉剪混合斷裂；LI等[11]分析了單軸壓縮下含預制裂隙?孔洞缺陷板狀大理巖的裂紋擴展和貫通機制，發(fā)現(xiàn)裂隙尖端存在拉伸翼裂紋和次生剪切裂紋，并根據(jù)聲發(fā)射特征將破裂全過程分為彈性階段、裂紋萌生階段和失穩(wěn)階段。另外，YANG等[12?13]還探討了單軸和常規(guī)三軸壓縮條件下含非共面雙裂隙圓柱形大理巖試樣的力學特性和三維裂紋演化規(guī)律。在靜載荷研究的基礎上，人們還對動載條件下裂隙巖石的力學響應進行了初步探索。袁林等[14]采用RFPA2D模擬沖擊載荷下含單邊雙裂隙脆性板狀材料中II型裂紋的動態(tài)擴展過程，分析了材料屬性、均質度、入射應力脈沖幅值和歷時對裂紋演化機制的影響；岳中文等[15]采用落錘對含裂紋PMMA材料進行三點彎曲沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)隨著裂紋傾角增大，擴展速度隨之增大，破裂類型由I型裂紋變?yōu)镮?II復合型裂紋；宋義敏等[16]基于可調速落錘沖擊試驗機加載裝置，采用數(shù)字散斑相關方法觀察花崗巖I型裂紋的動態(tài)斷裂過程，發(fā)現(xiàn)當裂紋張開角為0.1°時，裂紋擴展速度隨著沖擊速度增大而增大；王衛(wèi)華等[17]對含貫穿單裂隙的水泥砂漿圓柱體進行分離式霍普金森壓桿(SHPB)沖擊實驗，探索裂隙傾角對其動力學特性的影響，發(fā)現(xiàn)動態(tài)抗壓強度隨裂隙傾角增大呈先減小后增大的變化趨勢；LI等[18]也采用SHPB對含單裂隙大理巖進行沖擊實驗，認為裂隙巖體的動態(tài)破壞模式屬于剪切破壞；李地元等[19]同樣采用SHPB研究含不同傾角端部裂隙對大理巖動力學特性及破裂特征的影響，發(fā)現(xiàn)巖石動態(tài)力學參數(shù)隨著裂隙傾角的增大而先減小后增大，破壞模式和裂隙傾角有關。除此之外，還有一些學者采用實驗和數(shù)值模擬手段對含裂隙巴西圓盤試樣的動態(tài)劈裂特性進行研究，探索裂隙傾角對動態(tài)斷裂韌度和斷裂機理的影響[20?22]。礦山中巖體除了受地應力作用外，還受爆破、機械切削沖擊、落礦和礦震的動力強擾動作用，巖體的受力形式屬于動靜組合加載作用[23?24]，因此，僅考慮單一靜載和動載的力學環(huán)境的研究并不能很好地反映工程實際?？紤]到目前關于裂隙巖石在動靜組合加載下力學行為的研究較少，而針對巖石裂隙方向與動靜加載方向平行的情況更是鮮有報道[25]，為此，本文作者利用SHPB實驗裝置對預靜載下含軸向表面裂隙的柱狀砂巖進行沖擊實驗，借助高速攝像儀分析裂隙條數(shù)和深度對巖石動態(tài)力學特性和破裂機制的影響。

1 預靜載下SHPB沖擊試驗

1.1 試樣制備及物理力學參數(shù)

本文以完整性和均質性較好的山東黃砂巖為研究對象，采用專業(yè)切磨機進行加工。按照國際巖石動力學委員會的建議規(guī)范，試樣直徑和高度均為50 mm，兩端面的不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。室內測得砂巖參數(shù)(取平均值)如下：密度為2.24 g/cm3，縱波波速為1 780 m/s，單軸抗壓強度為68 MPa，抗拉強度為4 MPa，彈性模量為8 GPa，泊松比為0.22，內聚力和內摩擦角分別為7.68 MPa和31°。試樣分為完整試樣和表面預制裂隙試樣2類。裂隙從試樣母線開口往徑向方向延展，裂隙寬度為3 mm，深度分別為5，10和15 mm共3種情況，每種深度裂隙巖樣的裂隙數(shù)量又包括1，2，3和4條共4種情況。多裂隙沿試樣軸線對稱分布，2，3和4條裂隙間的水平夾角分別為180°，120°和90°。本次沖擊實驗共設計13組，其中完整試樣1組，裂隙試樣12組，每組實驗重復3次，制備的含表面裂隙的砂巖試樣見圖1。

圖1 含表面裂隙砂巖試樣

1.2 試驗裝置及原理

采用改進的桿徑為50 mm的SHPB裝置進行動靜組合沖擊試驗，該改進裝置中設計的紡錘形沖頭產(chǎn)生的半周期正弦加載波消除了傳統(tǒng)圓柱形沖頭產(chǎn)生的矩形波中的波形畸變和Pochhammer?Chree振蕩，能夠實現(xiàn)近似恒定應變率加載。實驗系統(tǒng)由紡錘形沖頭、入射桿(長度為2.0 m)、透射桿(長度為1.5 m)、緩沖桿(長度為0.5 m)、CS-1D動態(tài)應變儀、DL-750示波器和Fastcam Sa1.1高速攝像儀及軸壓加載裝置等組成。桿件材質為40Cr合金，彈性極限達800 MPa，縱波波速為5 410 m/s，密度為7.81 g/cm3。預加的靜態(tài)軸壓采用手動加壓泵進行加卸載。動靜組合加載實驗系統(tǒng)示意圖見圖2。

試驗中，借助軸壓裝置先手動預加軸壓靜載，然后打開激發(fā)裝置組合開關完成氮氣的充?放過程，高壓氮氣驅動的沖頭撞擊入射桿即產(chǎn)生具有較長上升段脈沖的入射應力波，傳播到試樣2個界面后分別在入射桿和透射桿中產(chǎn)生反射應力波和透射應力波。借助應變片監(jiān)測到各應力波的電壓信號，根據(jù)應力波理論可計算試樣的動態(tài)應力、應變及應變率[26]。

圖2 動靜組合加載實驗系統(tǒng)示意圖

根據(jù)能量守恒定律可以得到桿件的入射能、反射能和透射能間的能量演化關系，其計算公式分別為

1.3 試驗方案及結果

本文主要研究動靜組合加載下表面裂隙深度及數(shù)量對砂巖力學特性和破壞模式的影響，并與完整試樣對比分析。沖擊氣壓統(tǒng)一設為0.6 MPa，保證入射能近似相等；軸壓定為3 MPa，保證試樣夾持完好，以考察裂隙巖樣的動載響應和破裂特征。試樣加載模型示意圖見圖3(其中，s為一維靜載，d為動載，c為組合加載，c=s+d)。高速攝像儀幀頻率設為6.25萬幀，即每16 μs拍攝1次。

以試樣0-0-1為例(其中，數(shù)字0，0和1分別代表試樣裂隙數(shù)量、裂隙深度和試樣序號)，動載下試樣的沖擊波時程曲線見圖4(a)；經(jīng)過信號處理可得應力波時程曲線，見圖4(b)。由圖4(b)可知：透射波和入射波與反射波的疊加波基本重合，尤其是峰前曲線。由此可見：試樣在變形過程中滿足應力平衡條件的假設，改進的SHPB裝置符合一維應力波傳遞特性，可以有效消除波形彌散和慣性效應。

對各組試樣應變電壓信號進行處理，代入式(1)~(8)可得試樣的各項力學參數(shù)和能量演化關系。本文選取其中有代表性的試樣進行分析，裂隙試樣沖擊實驗結果見表1。

圖3 試樣加載模型示意圖

圖4 試樣0-0-1沖擊波及應力波時程曲線

表1 裂隙試樣物理參數(shù)及沖擊實驗結果

2 裂隙巖石動力學特性

2.1 巖石動態(tài)抗壓強度變化規(guī)律

圖5所示為試樣動態(tài)應力?應變曲線。由圖5可知：裂隙對巖石動態(tài)抗壓強度具有顯著的劣化效應，組合加載下完整巖樣(0-0-1)的動態(tài)抗壓強度遠遠大于完整巖石的靜載單軸抗壓強度，動態(tài)強度增長因子(即動態(tài)抗壓強度與靜態(tài)抗壓強度的比值)由完整巖石時的1.49降低到裂隙數(shù)量為4、深度為15 mm時的0.90。作用機制分析如下：當裂隙數(shù)量為1條時，隨著裂隙深度由5 mm增大到15 mm，受單裂隙剝落破壞厚度漸增影響，巖石動態(tài)抗壓強度由62.52 MPa逐漸增大到78.31 MPa；當裂隙數(shù)量為2~4條時，巖石呈現(xiàn)多種破壞類型；隨著裂隙深度增大，巖石動態(tài)抗壓強度先增大后減小；當裂隙深度為10 mm、裂隙數(shù)量為3條時試樣強度最大，達79.71 MPa；當裂隙深度分別為5 mm和10 mm時，隨著裂隙數(shù)量增大，巖石破壞特征由“自由”剝落向“限制性”剝落及裂隙貫通破壞轉變，故試樣動態(tài)抗壓強度基本上呈先增大后減小的拋物線變化趨勢；當裂隙深度為15 mm時，多裂隙試樣破壞主要由裂隙貫通導致的巖橋破壞引起，因此，巖石動態(tài)抗壓強度隨裂隙數(shù)量增大近似呈線性減小，最小為61.10 MPa，此時，裂隙數(shù)量為4條。裂隙對試樣動態(tài)抗壓強度的影響見圖6。含不同裂隙形態(tài)試樣的動態(tài)抗壓強度呈現(xiàn)上述變化規(guī)律與其自身破壞模式有關。

試樣編號：1—0-0-1；2—1-5-3；3—1-10-1；4—1-15-2； 5—2-5-1；6—2-10-2；7—2-15-1；8—3-5-1；9—3-10-1； 10—3-15-3；11—4-5-1；12—4-10-2；13—4-15-2。

裂隙深度/mm：1—5；2—10；3—15。

2.2 巖石動態(tài)變形特性

由圖5中裂隙試樣的動態(tài)應力?應變曲線可知：試樣變形呈現(xiàn)明顯的階段特征，大致分為裂隙壓密閉合階段()、彈性階段()、非線性塑性變形階段()和峰后階段()。試樣的裂隙壓密閉合階段較為明顯，且變形量相對較大，可能與施加的預靜載及試樣端部涂抹較厚的凡士林有關。完整巖石的非線性塑性階段較裂隙巖樣時間短，峰后呈現(xiàn)脆性特征。裂隙巖樣經(jīng)彈性變形階段后進入非線性塑性階段，塑性變形速率先增大后減小，呈現(xiàn)“臺階”特征，峰后表現(xiàn)出塑性特性，主要是因為裂隙巖樣的自由面比完整巖樣的大，提供了瞬態(tài)變形的空間。從圖5還可以看出：部分巖樣如0-0-1和1-5-3等巖樣峰后曲線出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，說明峰后試樣并沒有完全破壞，試樣釋放的彈性能大于入射能，仍具有一定的承載性能。

參照靜態(tài)下切線彈性模量的定義確定動載變形模量。

式中：d為動態(tài)彈性模量；d50和d50分別為試樣50%的峰值應力及其對應的應變。

用動態(tài)變形模量和峰值應變來反映試樣加載階段動載壓縮變形特征，裂隙對試樣動態(tài)變形參數(shù)的影響見圖7。由圖7(a)可知：試樣動態(tài)彈性模量的變化規(guī)律與動態(tài)抗壓強度的變化規(guī)律基本一致，大多數(shù)裂隙巖樣的彈性模量低于完整巖樣的彈性模量，整體趨勢隨裂隙數(shù)量增大而先增大后減小，最大為16.56 GPa，最小為8.18 GPa，但相同裂隙數(shù)量巖樣的動態(tài)彈性模量隨裂隙深度變化規(guī)律不顯著，這可能與巖石試樣自身的離散性有一定關系。從圖7(b)可以看出：裂隙試樣的峰值應變普遍大于完整巖樣的應變(1.51%)，隨著裂隙數(shù)量增大，峰值應變呈增大趨勢。裂隙深度為 10 mm的試樣峰值應變較裂隙深度為5 mm和15 mm時的試樣峰值應變略大，主要是因為10 mm裂隙巖樣不易產(chǎn)生剝落破壞，表現(xiàn)出較強的塑性行為，而裂隙深度為5 mm和15 mm時的裂隙試樣分別以剝落破壞和裂隙貫通破壞為主。

裂隙深度/mm：1—5；2—10；3—15。

3 破壞模式與能量演化

3.1 巖石破壞模式分析

各試樣破壞形態(tài)見表2(其中，0-0-0試樣為靜載下進行單軸抗壓溫度測試的標準試樣，斷面形態(tài)中細線代表裂縫，粗線代表裂紋擴展路徑)。由表2可知：靜載下砂巖試樣發(fā)生剪切破壞，動載下完整巖石破壞模式為軸向劈裂，而裂隙巖石的動態(tài)破壞模式比較復雜，與裂隙形態(tài)有關，主要有張應變剝落破壞、拉剪破壞、剝落貫通破壞和拉伸貫通破壞4種。

單裂隙巖樣均呈剝落破壞，隨著裂隙深度增大，剝落厚度越來越大，沿裂隙剝落越來越困難，因而試樣表現(xiàn)出動態(tài)抗壓強度增高的趨勢。含對稱雙裂隙試樣剝落較單裂隙巖樣剝落方位受限，表現(xiàn)為剝落塊度明顯增大，因而試樣的動態(tài)抗壓強度比單裂隙巖樣的大；裂隙深度分別為5 mm和10 mm的試樣破壞模式為張應變剝落破壞，15 mm裂隙試樣巖橋較窄，裂隙間產(chǎn)生貫通，試樣發(fā)生了拉剪破壞，故動態(tài)抗壓強度較前2種試樣又變低。含對稱分布的3裂隙試樣總體動態(tài)抗壓強度低于雙裂隙試樣動態(tài)抗壓強度，5 mm裂隙試樣、10 mm裂隙試樣和15 mm裂隙試樣破壞模式分別為張應變剝落、剝落貫通和拉伸貫通，動態(tài)抗壓強度先增大后減小。分析其原因，裂隙深度為10 mm試樣的剝落厚度大于裂隙深度為5 mm時試樣的剝落厚度，而裂隙深度為15 mm時，試樣裂隙產(chǎn)生拉伸貫通以致試樣動態(tài)抗壓強度顯著變低。含對稱分布的4裂隙試樣強度隨裂隙深度依然呈先增大后減小的趨勢，其動態(tài)抗壓強度總體比3裂隙試樣強度要低，主要是因為裂隙數(shù)量增大使試樣動態(tài)抗壓強度弱化。裂隙深度較小時試樣易于剝落，隨著裂隙深度增大，破壞模式由剝落破壞向拉伸破壞轉變，且試樣強度隨巖橋寬度減小而減小。

表2 試樣破壞形態(tài)

3.2 巖石能量演化規(guī)律

巖石在變形過程中能量始終發(fā)生變化，巖石發(fā)生變形破壞是能量驅動下的一種狀態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，其實質是能量耗散在一定條件下的突變，因此，從能量角度研究巖石的力學行為可以很好地解釋巖石破壞特性。由式(4)~(8)可得到試樣的能量傳遞規(guī)律，各裂隙試樣能量見表3。其中，試樣入射能為160 J左右，其變化趨勢與應變率的變化趨勢保持一致。試樣能耗密度和能量吸收率隨裂隙數(shù)量的變化見圖8。

在動態(tài)實驗中，能量耗散主要為裂紋萌生、擴展和貫通所需的塑性變形能。能耗密度和能量吸收率越大，表明巖樣內部擴展的裂紋數(shù)量越多，宏觀上表現(xiàn)為試樣的破碎塊度越小，即破碎程度越嚴重。由圖8可知：試樣能耗密度和能量吸收率隨裂隙數(shù)量的變化趨勢保持一致，裂隙深度為5 mm時試樣的能耗密度和能量吸收率相對較大，試樣破碎最劇烈；裂隙深度為15 mm試樣的破碎程度次之；裂隙深度為10 mm試樣能量吸收率和能耗密度最小，表明該類試樣的破碎塊度最大。從裂隙數(shù)量的影響角度分析，裂隙數(shù)量為2時的試樣較其他裂隙數(shù)量試樣的能量吸收率和能耗密度要小，試樣發(fā)生破壞時的定向剝落厚度和裂隙貫通長度相對較大，故該類試樣破壞塊度較大，峰后仍具有一定的承載性能。

表3 裂隙試樣能量

(a) 試樣能耗密度隨裂隙數(shù)量的變化；(b) 試樣能量吸收率隨裂隙數(shù)量的變化

為了更好地描述裂隙巖樣的損傷破壞程度，采用分形幾何理論對試樣破碎程度進行分析，并探討分形維數(shù)和能耗密度和能量吸收率的關系。收集沖擊后的試樣碎塊，分別采用篩徑為5，10，15，20和40 mm的標準篩將破碎巖石分為直徑為[0，5)，[5，10)，[10，15)，[15，20)，[20，40)和[40，50) mm共6個等級。由文獻[27]可知巖石沖擊破碎后的塊度分布表達式如下：

式中：為碎塊粒徑；m為最大粒徑(50 mm)；m為粒徑小于的試樣碎塊累計質量；T為碎塊總質量；為試樣碎塊分形維數(shù)。

表4 試樣碎塊分級質量統(tǒng)計結果

圖9 lg(md/mT)和lg(d/dm)的擬合曲線

對式(10)兩邊取對數(shù)可得3?即lg(m/T)和lg(/d)擬合直線的斜率。試樣碎塊分級質量統(tǒng)計及擬合結果分別見表4和圖9。由表4可知：在相同裂隙深度下，裂隙數(shù)量為2的試樣分形維數(shù)相對較??；隨著裂隙深度逐漸增大，當裂隙數(shù)量為1~3條時，分形維數(shù)逐漸減?。划斄严稊?shù)量為4條時，試樣分形維數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。分形維數(shù)越大，試樣破碎程度越大。由此可見，采用分形維數(shù)表征的試樣破碎塊度和能耗密度與能量吸收率反映的試樣破碎程度基本相吻合。

4 結論

1) 在動靜載荷作用下，當裂隙深度為5和10 mm時，試樣動態(tài)抗壓強度隨著裂隙數(shù)量增大而先增大后減小；當裂隙深度為15 mm時，試樣動態(tài)抗壓強度隨著裂隙數(shù)量增大逐漸減?。划斄严稐l數(shù)為1條時，試樣動態(tài)抗壓強度隨裂隙深度增大逐漸增大；當裂隙數(shù)為2~4條時，試樣動態(tài)抗壓強度隨裂隙深度增大而先增大后減小。動態(tài)彈性模量整體上隨裂隙數(shù)量增大而先增大后減小，與動態(tài)抗壓強度變化規(guī)律基本一致；裂隙試樣的峰值應變普遍大于完整巖樣的峰值應變，隨裂隙數(shù)量的增大，峰值應變呈增大趨勢，裂隙深度為10 mm的試樣峰值應變比裂隙深度為5 mm和15 mm時的要大。裂隙巖樣的變形分為裂隙壓密閉合階段、彈性階段、非線性塑性變形階段和峰后階段。

2) 除裂隙數(shù)量為2、深度為15mm的試樣發(fā)生拉剪破壞外，當裂隙數(shù)量為1和2時不同裂隙深度的試樣均發(fā)生剝落破壞；當裂隙數(shù)量為3和4時，試樣由裂隙深度較小時的單一剝落破壞模式向裂隙深度較大時的拉伸貫通復合模式轉變。

3) 裂隙巖樣破碎塊度越小，能耗密度、能量吸收率和分形維數(shù)越大，三者可以有效表征裂隙試樣的破碎特性并表現(xiàn)出較好的一致性。當裂隙數(shù)量為2時巖石破碎塊度相對較大，隨著裂隙深度的增大，巖石破碎塊度基本上呈先減小后增大的趨勢。

致謝：非常感謝團隊李夕兵老師研發(fā)的改進型霍普金森壓桿實驗平臺，其在巖石動力學領域取得的大量科研成果也為論文的順利撰寫提供了很好的借鑒和參考。

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Dynamic mechanical characteristics and failure modes of sandstone with artificial surface cracks

WU Hao, ZHAO Guoyan, LIANG Weizhang, WANG Enjie

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

To study the effects of axial surface cracks on rock dynamic mechanical properties and failure modes, a series of cylindrical yellow sandstones with a diameter of 50 mm and a height of 50 mm were processed into different types of specimens with cracks of 5, 10 and 15 mm in depth as well as 1, 2, 3 and 4 in quantity. The improved split Hopkinson pressure bar (SHPB) testing system was used to carry out the impact loading test under coupled static-dynamic loads. Crack propagation and the dynamic failure process were also monitored by a high speed camera. The results show that dynamic compressive strength, deformation modulus and peak strain of specimens increase firstly and then decrease with the increase of crack number and crack depth. The deformation process of fractured specimens can be sub-divided into four stages: pore compaction-induced closure, elastic stage, non-linear plastic deformation stage and post-peak stage, showing significant plastic properties. There are four types of failure modes for fractured specimens, namely, spalling failure, tensile-shear failure, spalling coalescence failure and tensile coalescence failure. With the increase of crack depth, the energy absorption rate and energy density of the samples decrease firstly and then increase. The energy absorption rate and energy density of fractured specimens containing 2 cracks are the minimum among all specimens. The indicates that the fragmentation of this kind of sample is larger, which basically agrees with the failure characteristics described by the fractal theory.

rock dynamics; coupled static-dynamic loads; split Hopkinson pressure bar; crack；failure mode; energy dissipation; fractal theory

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.014

TU458

A

1672?7207(2019)02?0350?10

2018?02?23；

2018?05?04

國家自然科學基金資助項目(51774321)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2018zzts215) (Project(51774321) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2018zzts215) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

趙國彥，博士，教授，從事采礦與巖石力學等研究；E-mail：gy.zhao@263.net

(編輯 伍錦花)