测试方法研究砂岩爆破载荷作用下的动态起始韧性

文摘

在这篇文章中,一个内部中央single-cracked磁盘(ICSCD)标本研究提出了砂岩爆破载荷作用下的动态断裂起始韧性。ICSCD标本有直径400毫米砂岩60毫米长裂纹圆盘。爆破测试是通过使用ICSCD标本进行的。爆破strain-time曲线得到的径向应变仪放置在爆破孔。断裂的起始时间是由圆周应变仪放置在裂纹尖端。应力历史的炮眼砂岩样品当时来自测量应变曲线通过拉普拉斯变换。数值解决方案进一步通过数值反演方法。一个数值模型使用有限元软件ANSYS建立了。砂岩的类型我动态应力强度因子曲线推导出爆破载荷作用下相互交互的集成方法。结果表明,(1)ICSCD标本可以用来测量动态初始化岩石断裂韧性; (2) the stress on the blast hole wall can be obtained by the Laplace numerical inversion method; (3) the dynamic initiation fracture toughness of the ICSCD sandstone specimen can be calculated by the experimental-numerical method with a maximum error of only 7%.

1。介绍

钻探和爆破是最常见的一种,经济、高效的技术,它已广泛应用于岩体开挖和工程建设的应用。然而,使用类似技术在工程实践也产生相当大的工程稳定性和安全问题对世界各地的研究人员1- - - - - -3]。了解岩石的动态破裂行为作为一种异质材料爆破载荷作用下有重要意义对实现更高效的岩石破碎岩体和保存。因此,探索岩石在动态加载条件下的行为引起了特别的关注(4,5]。特别是,岩石爆破载荷作用下,岩石碎片的大小分布和剩余损伤岩体的水平的一些关键问题在许多研究探索。

天然材料,岩石含有大量微裂隙。这些微裂隙会影响爆破和碎片的大小后,在某些情况下,岩石工程中导致不稳定问题。岩石动态断裂韧度是一个重要参数,测量其电阻动态裂纹的初始化和增长,以及其逮捕裂缝的能力。探索岩石样本的动态断裂韧性让研究人员了解裂纹初始化的特点,发展,和逮捕,从而使他们能够预测和控制岩石的破裂行为。总之,测量岩石的动态断裂韧性是调查他们的动态压裂的基础行为,这需要强大的理论背景和先进的实验技术。

椎间盘标本和发展不同的配置加载测试样本重新设计基于霍普金森压杆(6,7]。周et al。8和Zhang et al。9重新设计一个圆盘加载测试标本和发展不同的配置示例基于霍普金森压杆。他进一步实验测量数据加载到商业有限元软件执行广泛的计算,提出了一种结合experimental-numerical方法测试岩石样本的动态断裂韧性。周et al。10)提出了一个NSCB方法测试岩石样本的动态起始断裂韧性利用霍普金森压杆加载平台。他的方法是进一步推荐ISRM作为标准动态岩石测试方法。然而,许多成就了岩石动态研究利用霍普金森压杆加载平台。爆破荷载比影响更复杂的负载。首先,波类型是不同的。冲击造成的应力波在一维波,而blast-induced应力波是一个圆柱形、球形或平面波。第二,加载率是不同的。爆炸一般的加载速率比的影响。爆炸应力波和爆炸性气体钻井和爆破过程影响岩石断裂(11,12]。因此,探索岩石样本爆破载荷作用下的断裂韧性是一个更合适的方法来解决工程爆破问题。

岩石脆性材料有天然裂缝。他们的惯性和大小会影响测试结果13,14]。霍普金森压杆的最大容许直径通常是100毫米左右,这构成严重限制大小的岩石标本。通常是更具挑战性的分析岩石的动态断裂行为样本较小的尺寸。因此,设计的测试平台,允许大型岩石标本的断裂韧性的研究是一项必要的任务,它可以提供有价值的信息在岩石爆破开挖工程和开挖后的岩体稳定性分析。

在这项研究中,我们设计并合理化研究动态断裂韧性的测试配置钻孔和爆破爆破荷载作用下的岩石。又提出了一种新的测试方法获取岩石的初始断裂韧性。使用该方法,我们获得的动态起始断裂韧性爆破加载条件下岩石标本。这种方法有助于测试方法的浓缩评估岩石的动态断裂韧性。实验数值方法的流程图如图1。

2。设计爆破加载和试样配置

2.1。爆破加载装置

高压加载设备的使用是一种受欢迎的方法为研究材料在高应变率的动态性能。随着深入研究材料的动态属性,高压加载技术已经从研究人员获得更多的关注。技术,如锤下降,霍普金森压杆,轻瓦斯枪,炸药爆破(15,16)已被广泛用于研究材料的动态属性。与其他动态加载方法相比,炸药爆破是一种更有利的方法简单,方便,成本低,无大小限制。然而,炸药爆破方法还需要复杂的加载机制,重复性和稳定性较差。因此,许多研究人员已经开发出替代炸药爆破方法如爆炸平面波发生器和爆炸性膨胀圈(17]分析爆破加载条件下材料的动态属性。

在这项研究中,一个爆炸加载装置的结构设计从工程钻探和爆破的角度来看。一个工业导爆索用于生成稳定的和可靠的爆破加载。粉的导爆索充满了12克每米。外直径和导爆索的爆轰速度是5毫米和6690 m / s,分别。为了减少爆炸包rock-pulverizing区内的半径(3 - 7)r应力波,并加强,粉碎区充满了水,这样导爆索和爆破墙被水耦合,使爆炸应力波的传播。为了防止提前释放的爆炸性气体和限制的位移Z方向实现准平面应变条件下,试样上覆盖着一盘由相同的材料在两个顶部和底部表面。爆破孔是由高强度加上plate-covering防爆管减少损害的plate-covering导爆索。装载设备的配置如图2。

根据文献,测试样本可以被认为是在平面应力应变的标本Z方向动态载荷作用下的应变小于1/5X或Y方向(18]。为了验证准平面应力模型,应变仪变形X和Z方向被放置在距离80 mm远离爆破孔的中心,随后进行压力测试。加载配置和测试结果如图3。可以看出,峰值应变Z方向是只有1/6的X方向。因此,治疗的要求满足平面应力下的测试标本。

2.2。设计和标本的合理化配置

早在1955年,ISRM提议使用一个人字形的开槽巴西盘测试岩石的静态断裂韧性。然而,直到2012年,第一个还开发了岩石的动态测试方法。动态拉伸,这些包括动态压缩和岩石的动态压裂19]。岩石的动态测试是一个复杂的过程,几乎所有可用的测试设计开发利用霍普金森压杆加载的方法。这种加载配置只考虑应力波的影响,不同的应力波和爆炸性气体中产生一个实际爆破工程项目(12]。此外,当使用霍普金森压杆作为加载工具,测试样本的大小是有限的最大可用大小的霍普金森压杆。

因此,考虑到钻井的典型特征和爆破加载公共领域的实践,一个大测试标本被选为本研究。测试样本是一个光盘包含与直径44毫米中心大厅。该配置允许爆破冲击波传播的耦合水介质可能增加开裂区域的范围,减少粉碎区。盘的直径是400毫米之间的比例,以确保中心孔的大小和圆盘直径在0.1 - -0.3。这个值也在之前的研究中使用了张,李20.]。图3显示的配置测试标本。四个内部中心的爆破测试进行单一裂纹圆盘(ICSCD)相同的维度,都是由相同的砂岩块,如图4。

最小厚度的样品需要确保一个平面应力条件。这个值可以计算出基于方程(1),收益率d≥10毫米。考虑到方便获得目标样本和大量的动态压裂测试需要在这项研究中,最终被选为20毫米,厚度满足要求的平面应力状态。 在哪里和样品的厚度和屈服强度,分别。自从屈服强度并不适用于岩石类型的材料,我们用这个值与岩石的动态强度(21),收益率 。基于之前的研究杨et al。22)测量了砂岩的断裂韧性利用霍普金森压杆, 。

为了避免反射波的影响,一个小裂纹长度为60毫米和0.5毫米的宽度是手工雕刻的标本,80毫米远离爆破孔的中心。裂纹的尖端罚款处理加工过程以确保裂纹尖端的宽度小于0.1毫米。所需的最小距离反射波到达G2是320毫米。考虑到纵波速度是大约2339 m / s, 136.8μ年代的反射波到达裂纹顶部G2。我们通过实验确定最大裂缝起始时间是86.4μ年代。这个值小于所需的时间反射波到达G2。因此,反射波到达G2的时候,一个初始裂缝已经在裂纹尖端形成。因此,启动断裂韧性测试是免费的从反射波的影响。

3所示。砂岩的动态断裂试验

3.1。砂岩爆破载荷作用下的动态应变试验

爆破测试通常是破坏性测试,测试中心附近的高温高压环境很难执行测量。测试的成本也可以完全禁止在大多数情况下。因此,在我们的测试中,应变仪被用作低成本和高效的工具测量动态应变。在实验过程中,DH5939高速数据采集系统的采样频率最高10 MHz被用来收集测试数据。响应频率的应变放大器直流∼1 MHz。整个应变测试系统如图5。

选择正确的应变仪测试结果有巨大的影响。具体来说,应变计的响应率决定于它门的长度,长度在一个较小的门表明反应率越高。的BA120-1AA薄应变仪是用来测量爆破中心附近的应变响应曲线,而BA120-10AA薄应变仪是用来测量压裂时间远离爆破中心。应变仪的参数表中列出1。

在爆炸产生的爆轰波传播到爆炸包和岩石之间的接口,与极高的峰值压力冲击波会在3 - 7在岩石生成r(7.5 - -17.5毫米,r爆炸包)的半径远离爆破孔的中心。这种冲击波的力量往往超过岩石的动态抗压强度,因此导致塑性变形或粉碎的岩石。大部分的爆炸能量是消耗在这个过程。因此,冲击波衰减为应力波破碎区和表面波振动的参数往往变化缓慢。这个地区,由应力波,可以扩展到120 - 150r(300 - 375毫米)。基于导爆索直径5毫米,面积的最大距离的影响下冲击波影响被发现17.5毫米。因此,应力波测量点设定在40毫米远离爆炸的中心孔,以减轻激波的影响以及爆破期间获得应变曲线的精确测量。仪表4、5和6是用来描述爆炸应变波的衰减,仪表1和7被用作备份仪表4和5的情况下,测量数据丢失,和仪表2和3是用来测量裂缝起始时间。

3.2。砂岩的基本动态力学参数

摇滚是一种非线性弹性材料组成的矿物颗粒等许多不同的内部结构弱面和裂缝。岩石的高度不均匀性是一个主要的困难在动态测试。超声检测是一种普遍的方法获取岩石样本的基本动态参数,已广泛应用于岩石力学领域的(23]。在这项研究中,纵波和横波速度的试样测量使用RSM-SY5 (T)非金属声波探测器,它产生了C_p= 2339 m / sC_年代= 1430 m / s。岩石的密度测定ρ= 2163公斤/米³。动态参数可以计算使用方程(2)- (5)基于弹性波理论24]。最终试样的动态参数 , , ,和 。 在哪里是动态的泊松比,动态弹性模量,动态剪切模量,和动态体积弹性模量。

3.3。砂岩的动态应变测试结果的分析

之间的比例距离爆炸中心的包和炸药的半径被定义为 。最初的时间定义的实例爆破测试应变曲线的斜率是最大化。结束时间定义的时候应变曲线的峰值衰减到20%的最大价值。加载时间被定义为应变峰值时间和压力之间的差异开始时间。卸货时间被定义为应变结束时间之间的差异和应变峰值时间。

爆破加载动态加载的大小变化明显。这种变化随着距离比的增加变得越来越明显。应变的开始时间与纵波的速度成正比。增加的距离比会导致更长的应变波的加载时间。对压力波的卸货时间,它将首先增加,裂纹尖端附近的一个临界值的比率增加距离。随着裂纹断裂在测试期间,内部压力大幅下降,导致卸货时间大幅减少。

的距离比设置为16时,最大应变开始时间之间的差异四个标本只有0.4μ年代显示良好的匹配在不同样本之间的测试系统。当16和32之间的距离比不同,装运时间和卸货时间的爆破压力波介于1.3至4.6之间μ年代和19.1到139.7μ年代,分别。测试时间参数和相应的峰值压力是列在表中2。

在爆破峰值径向应变指数增加的距离比下降 。以更快的速度衰减峰值应变与增加的距离比平均衰减系数为0.78。然而,一旦结束后,峰值应变花了长时间压力大幅降低完全为零。在测试期间典型应变曲线如图6。

动态压裂的裂缝是我们测试的一个重要参数。中使用了两种类型的应变仪测试。第一和第二类型的浇口的长度的应变仪是9.8毫米和1毫米,分别。小的应变仪门大小表现出更高的频率响应和可以用来记录爆破孔附近的弹性应变波。大的门大小的应变计可以用来测量断裂裂纹的起始时间。大应变计是预处理前使用,如图4。一个小三角缺口被切断的基础上使用艺术叶片应变仪。切口延长,接近应变计的敏感门这样的裂缝起始时间可能被记录在实例时,裂纹骨折开始。压裂时间和爆破加载信号收集在同一时间开始。换句话说,压裂信号和爆破加载信号共享相同的初始时间,t= 0。

由于对裂纹尖端应力集中的影响,断裂只发生如果应变能的积累已经达到了一定水平裂纹尖端如图7。由于裂纹尖端的影响,很难确定断裂信号的开始时间在表2。

理想情况下,仪表2、5和7应该共享相同的应变开始以来,他们分布在爆破孔的中心的径向距离。因此,平均启动时间测量从表5和表7是用作衡量起始时间2。断裂时间与表2是通过区分断裂信号测量计2 (25]。爆破后的标本的失败模式呈现在图8。

详细的列在表格3。标本1 - 4的应变开始时间是38.0μ年代,37.5μ年代,39.5μ年代,和38.7μ年代,分别。平均启动时间为38.4μ年代,标本1 - 4的断裂时间为79.9μ年代,84.4μ年代,86.4μ年代,和78.8μ年代,分别。平均断裂时间是82.4μ年代。骨折标本1 - 4积累时间为41.9μ年代,46.9μ年代,47μ40年代,μ年代,分别。平均骨折积累时间是44.0μ年代。最好的一致性四个标本中发现了应变开始时间,最大的区别在哪里只有2μ年代。然而,几微秒的时间差异被发现在骨折和骨折积累时间由于预制裂纹的存在和岩石样品的不均匀性。

4所示。计数器在钻孔径向应力

摘要应变曲线和动态断裂的弹性变形区域的标本是通过动态应变测试。压力之间的关系在墙上钻孔和测量应变曲线进一步推导出利用弹性波理论。动态力学参数的基础上,从声波探测器获得的标本,我们获得一个表达式柜台的压力曲线的爆破孔墙使用拉普拉斯变换和数值反演方法。

4.1。理论推导的压力在墙上钻孔

为了简化问题,砂岩的钻探和爆破过程被认为是相同的圆柱形谐振腔均匀和弹性介质经历突然负荷条件下的径向位移p(t)。这允许我们简化复杂爆破事件线性和弹性轴对称平面应变问题。根据弹性动力学理论,与这些过程相关的波方程给出了由以下方程(26]: 在哪里是势函数,纵波的速度,横波的速度,径向应力,切向应力,爆破孔上的负载,爆破孔的半径。拉普拉斯变换对在方程(6)的收益率 在哪里和在拉普拉斯变换使用的变量。一代解决方程(7)是由

作为趋于无穷时,我们有 。为了满足这个条件,我们必须有 。 和零级贝塞尔函数的拉普拉斯变换后的第一和第二种,分别。基于方程(8)和位移之间的关系和势函数,给出的 ,我们有

在上面的方程中,在方程(由左边的任期6)。的拉普拉斯方程在方程(10),用成果转化为方程(9)的收益率

在爆破孔,必须满足以下条件: 。因此,我们有 在哪里和 。在这里和瘸子是常数,爆破孔的半径,横波的速度,第二类是一阶贝塞尔函数。结合方程(9)和(12)我们有

墙上的岩石的爆破孔可以与数量级的GPa压力下爆破加载。因此,这些岩石将被粉碎成颗粒和变得富有挑战性的直接测量爆破孔的压力。即使我们可以获得的压力在墙上钻孔预测样品准确的压力在其他地方仍然需要爆破孔附近的岩石的应力-应变关系。然而,这种相关性可以非常复杂的离散性高,并能,因此,很难获得准确的直接测量。为了解决这个问题,我们测量了径向strain-time曲线在任意径向位置在弹性区域样本的研究。我们进一步的拉普拉斯变换得到应变曲线替换成方程(13)和(14)。重排后的最终方程,我们得到一个表达式在拉普拉斯域的压力 在哪里是测试点之间的距离和爆破孔的中心。的拉普拉斯逆变换方程(15在方程()收益率pressure-time表达式表示16)。这个方程允许我们backcalculate压力曲线在爆破孔壁应变曲线的测量。

4.2。推导的径向应力爆破孔使用数值反演方法

有许多数值反演方法进行拉普拉斯变换,包括Stehfest算法,这时候和减弱算法,脆的算法。在这项研究中,我们使用了Stehfest算法,由1970年Stehfest进行拉普拉斯变换。我们进行数值反演方程(16)使用MATLAB和获得应力场在爆破孔。因为我们没有测量试样的应力,数值反演方法的准确性验证通过比较应变曲线,从数值反演,获得与实际测量80毫米从爆炸的中心孔,如图9。比较表明,曲线的一般趋势从数值反演获得同意,从实验测量获得,尽管某些数值结果的波动。

5和7应变曲线衡量指标是用来backcalculate压力数据在我们的研究中。这两个应变仪放置在同一径向距离爆炸中心的洞。岩石的动态参数用于backcalculation从声学测量得到。爆破孔壁的backcalculated压力曲线如图10。预制裂纹的存在导致了高水平的差距,后者的压力数据backcalculated应变曲线,由表5所示。相反,数据来源于应变曲线测量的压力计7显示不同样本之间的一致性好。

5。计算砂岩的动态应力强度因子

5.1。使用相互交互集成方法计算应力强度因子

使用的数值方法计算应力强度因子可以分为直接和间接的方法。常用的方法包括直接位移法和应力法。常用的间接方法包括J集成方法和相互交互的集成方法。在计算应力强度因子时使用相互交互的集成方法,在裂纹尖端首先构造一个辅助字段来帮助隔离并获得真正的领域的应力强度因子。辅助字段在裂纹尖端是一个任意的位移场和应力场满足平衡条件,物理方程和几何关系。真正的在裂纹尖端场是实际的位移场,应力场研究中探讨了。

根据断裂力学的基本原理和大米的定义J集成表达方程(17),积分循环 ,如图11任意光滑曲线,从一个点开始在底部的表面裂纹,绕过终点逆时针方向的裂纹,最后结束在一个点在顶部的表面裂纹。共同相互作用积分, ,定义在方程(18)。 , ,和是真正的应力、应变和位移; , ,和是辅助的应力、应变和位移;和裂纹的扩展向量。辅助stress-displacement字段和真正stress-displacement领域介绍了求解过程在计算应力强度因子的相互交互的集成方法。集体积分, ,作为积分之和吗从真正的应力场,积分从辅助应力场,和相互作用积分 ,用方程表示(19)。

忽视了岩石的非线性积分之间的关系 ,能量释放率 ,和应力强度因子, ,在平面应变模型相同的材料,是由 。根据这种相关性,我们可以进一步获得表达方程所示(20.)。分离积分相关的辅助和真正的领域从方程(20.)收益率所示的相互作用积分方程的表达式(21)。

通过分配辅助场强度因子的合理值,也就是说,和 ,我们可以获得 。为和 ;这些情况导致 。因此,和可以通过两个相互交互的集成。

5.2。动态应力强度因子的数值计算

高度浓缩的啮合需要获得准确的结果,在裂纹尖端应力变化由于突然在裂纹尖端应力场的变化。然而,使用大量的网格显著降低了计算效率。因此,我们使用奇异元素在Ansys有限元仿真模型裂纹尖端的应力奇异性。仿真模型如图12。的PLANE183与八节点四边形网格元素被用于仿真。奇异元素的角度,奇异元素的长度和裂纹尖端的集成部分的数量都可以影响的计算应力强度因子(27]。在我们的研究中,奇异的角度元素,奇异元素的长度,在裂纹尖端和集成部分的数量被设置为30°,0.1毫米,分别和8。网格元素的总数是140000。

5.3。砂岩的起始断裂韧性

第一次在Ansys有限元模型如图12。通过应用的相互交互集成方法四个砂岩标本和加载压力曲线的两组数据的爆破孔墙从backcalculations获得,我们可以推导出应力强度曲线,如图13。使用断裂的起始时间以裂纹(位于距离80 mm),我们能够获得砂岩的起始断裂韧性,如表所示4。结果表明,使用压力曲线backcalculated 5和7指标收益率不同的应力强度因子值。启动断裂韧性计算沿垂直方向的裂纹通常小于计算沿方向平行于裂纹。启动断裂韧性的四个砂岩标本为4.95 MPa / m^1/25.48 MPa / m^1/25.15 MPa / m^1/2和4.79 MPa / m^1/2,分别。平均起始断裂韧度为5.09 MPa / m^1/2。

6。结论

加载方法研究岩石的钻探和爆破设计和开发研究。验证测试的基础上,提出加载方法进行四个相同的砂岩标本。表达式导出了压力曲线在爆破孔的使用爆破孔的应变在弹性区域的参数。动态初始化砂岩试样的断裂韧性也通过相互交互的集成方法。以下结论的研究:(1)这项研究提供了一个数值backcalculation方法获取计数器结构应力曲线在墙上钻孔。由于爆炸性气体的存在,卸货时间应变曲线测量的位置与距离16 - 56之间的比率是14到54次加载时间。装运时间范围从1.9到3μ年代和比例略有增加,增加距离。峰值应变随距离的增加而呈指数减小比例。(2)断裂的起始时间不同的标本有细微的差异由于岩石本身的不均匀性。具体来说,四个试样的断裂起始时间为79.9μ年代,84.4μ年代,86.4μ年代,和78.8μ年代,分别。平均断裂起始时间为82.4μ年代,平均断裂积累时间是44.0μ年代。(3)稳定和合理的初始断裂韧性可以通过不使用一个很高的数值模拟网格密度在裂纹尖端的相互交互的集成方法。启动断裂韧性的四个砂岩标本为4.95 MPa / m^1/25.48 MPa / m^1/25.15 MPa / m^1/2和4.79 MPa / m^1/2,分别。平均起始断裂韧性是5.09 MPa / m^1/2。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号。11672194、11702181和11802255)四川安全生产监督管理总局(aj20170515161307),西南科技大学自然科学基金(17 zx7138)和西南科技大学的实验室实验技术研究项目(14 syjs-60)。

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