刘 博，李海波，李俊如

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

1 引 言

岩石材料在动载荷作用下的力学特性是研究爆破载荷以及地震作用下岩体结构响应的重要参数，也是研究爆破冲击波以及地震波在岩石介质中传播和衰减的基本资料。

从20世纪中期开始，国内外很多学者对不同岩石的动力特性进行了实验研究。国外方面，Brace[1]，Friedman[2]，Janach[3]，Blanton[4]，Grady[5]，Masuda[6]，Swan[7]，Yang[8]等学者对不同加载/应变速率下的岩石力学性质作了大量的研究工作，指出岩石的抗压强度随加载/应变速率的增加而增加，试件的破坏形式也发生变化。

国内方面，吴绵拔[9]、朱瑞赓[10]、鞠庆海[11]、杨仕教[12]、李海波[13]等作过相关工作，指出花岗岩的抗压强度、变形模量随应变速率的增加而增加，泊松比随应变速率的变化不明显。例如文献[9]通过对花岗岩和煌斑岩进行中等应变速率下的力学实验，指出随应变速率的增加，岩样的单轴抗压强度和变形模量均有不同程度的增加，而泊松比基本与应变速率无关。文献[10]通过对花岗岩在加载速率范围为1～104MPa/s的动三轴实验指出，花岗岩的单轴抗压强度随加载速率的提高而明显提高。文献[13－16]对花岗岩材料在动态压应力作用下的力学特性进行了实验和理论研究，提出了基于滑移型裂纹模型的动态扩展模型，初步分析了岩石材料强度特征的应变速率相关机制。文献[17－18]通过对花岗岩、大理岩的冲击破坏实验，研究了岩石单轴冲击破坏的本构关系及时效损伤模型。

本文采用不同风化程度的6种花岗岩岩样，进行了加载速率范围在1～105MPa/s的动三轴压缩实验，分析了岩样的抗压强度、弹性模量、泊松比随加载速率的变化规律，探讨了不同风化程度花岗岩力学特性率相关性的差异，旨在为进一步的理论分析提供实验依据。

2 实验设备与试样制备

2.1 实验设备

实验采用RDT－10000型岩石动三轴实验机，该实验机可以对岩石施加1～105MPa/s量级加载速率的动载荷。实验机主要由气缸、油缸、速泄阀、连接杆、调节阀和加载杆组成（见图1）。

实验中，试件按要求安装完毕后，将A、B气缸的气压调节到设计值，确保加载过程中加载杆上的出力能使岩石试样破坏；然后快速打开速泄阀门，B气缸中的压缩气体逸出，气缸中的压力迅速降为0，此时连接活塞在A气缸压力的驱动下迅速向下移动，推动调节阀上部的液压油快速通过调节阀，从而推动加载杆对岩样施加动载荷。通过改变调节阀的大小(过油面积)来调节油液通过调节阀的速度，从而改变加载杆输出的载荷速率。

图1 仪器原理图Fig.1 Sketch of triaxial dynamic compression equipment

实验中的轴向压力通过标定的测力柱量测，围压通过标定的锰铜应力计量测，试样的纵向、横向变形通过应变片量测。岩石试件尺寸为 Φ30 mm×60 mm。

2.2 试样制备

实验所用的花岗岩岩样取自同一工程岩体，岩性、矿物成份大体一致，但风化程度有一定差别，表现为相对密度、吸水率、孔隙率和声波波速的差异。综合考虑上述参数，将岩样分为A～F 6种不同风化程度(风化程度递减)，如表1所示。

表1 岩样物理特性参数表Table 1 The physical parameters of weathered granite

实验采用的加载速率范围为5～5×104MPa/s，围压均为3 MPa。

针对每种风化程度试样，均进行4种加载速率实验，分别为 5×100、5×101、5×103、5×104MPa/s，每种加载速率3个试样，6种风化程度实验共72个试样。试件照片如图2所示。

图2 实验试件照片Fig.2 Typical rock samples

3 实验结果与分析

3.1 岩石抗压强度随加载速率的变化

不同风化程度花岗岩的三轴抗压强度随加载速率的变化关系见图3。

实验结果表明，不同风化程度花岗岩动三轴抗压强度均随加载速率的增加而增加。与此同时，不同加载速率情况下，随着风化程度的增加，试样的抗压强度有较明显的减小趋势。

图3 抗压强度与加载速率关系Fig.3 The relationships between σf andσ˙

3.2 岩石弹性模量随加载速率的变化

不同风化程度花岗岩弹性模量值随加载速率的变化关系见图4。

图4 弹性模量与加载速率关系Fig.4 The relationships between E andσ˙

实验结果表明，不同风化程度花岗岩的弹性模量值均随加载速率的增加而增加。同时，不同加载速率情况下，随着风化程度的增加，试样的弹性模量有较明显的减小趋势。

3.3 岩石泊松比随加载速率的变化

不同风化程度花岗岩泊松比ν与加载速率σ˙的变化关系见图5。

图5 泊松比与加载速率关系Fig.5 The relationships between ν andσ˙

实验结果表明，不同风化程度花岗岩的泊松比均随加载速率的增加略有降低的趋势。另外，不同加载速率下，随着风化程度的变化，试样的泊松比没有明显的变化规律。

3.4 岩石抗压强度随加载速率的增加幅度特征分析

对每种花岗岩试样，取加载速率为5 MPa/s时的抗压强度为初值抗压强度σ0，对实验结果进行归一化处理，用不同加载速率下的抗压强度增加值与初值抗压强度之比(σf- σ0)σ0来表述抗压强度增加幅度，如图6所示。

可以看出，不同风化程度岩石试样抗压强度增加幅度随加载速率的增加均有较明显的增加趋势。

图6 抗压强度增加幅度与加载速率关系Fig.6 The relationships betweenand

图7 抗压强度增加幅度与初值抗压强度关系Fig.7 The relationships between(σ f -σ 0)/σ 0 and σ 0

进一步分析表明，不同风化程度的花岗岩岩样，加载速率变化引起的抗压强度增加幅度随着初值抗压强度（加载速率为5 MPa/s时的抗压强度值）的增加明显减小，如图7所示。例如，对风化较重的A组花岗岩试样，当加载速率由 5 MPa/s增加到5×104MPa/s时，抗压强度的增加幅度达到58.6%；而对风化较轻的 F组花岗岩试样，当加载速率由5 MPa/s增加到5×104MPa/s时，抗压强度增加幅度为20.4%。

由于初值强度也是风化程度的一种反映，可以认为，岩石试样抗压强度随加载速率的增加幅度随风化程度的增加而增加。

3.5 岩石弹性模量随加载速率的增加幅度特征分析

对每种花岗岩试样，取加载速率为5 MPa/s时的模量为初值模量E0，对实验结果进行归一化处理，用不同加载速率下的弹性模量增加值与初值弹性模量之比(E -E0)E0来表述弹性模量增加幅度，如图8所示。

可以看出，不同风化程度岩石试样的弹性模量增加幅度随加载速率的增加有较明显的增加趋势。

图9为加载速率变化引起的岩石弹性模量增加幅度随着初值模量（加载速率为5 MPa/s时的弹性模量值）的变化规律。可以看出，不同风化程度情况下，试样弹性模量随加载速率的增加幅度相近。例如，对风化较重的A组花岗岩和风化程度较轻的F组花岗岩试样，当加载速率由 5 MPa/s增加到5×104MPa/s时，弹性模量的增加幅度分别为30.0%和 26.1%。由于初值强度也是风化程度的一种的反映，可以认为，岩石试样的弹性模量随加载速率的增加幅度 (E -E0)/E0随风化程度的增加基本不变。

图8 弹性模量增加幅度与加载速率关系Fig.8 The relationship between (E-E0)/ E0 andσ˙

图9 弹性模量增加幅度与初值弹性模量关系Fig.9 The relationships between (E-E0)/ E0 and E0

4 结 论

（1）不同风化程度花岗岩岩样的抗压强度和弹性模量均随加载速率的增加而增加，泊松比随加载速率的增加略有降低的趋势。

（2）不同风化程度花岗岩岩样的抗压强度增加幅度均随加载速率的增加而增加；风化程度越重，岩石试样抗压强度增加幅度越大。

（3）不同风化程度花岗岩岩样的弹性模量增加幅度均随加载速率的增加而增加；不同风化程度情况下增加幅度基本相同。

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