杨仁树等：冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

作 者

杨仁树1,2,许 鹏1,3,景晨钟3,范军平4,方士正1,3,张 航3

作者单位

1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；2. 北京科技大学土木与资源工程学院；3. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院；4. 阳泉煤业(集团)有限责任公司 生产技术部

研究背景 层状岩体是地球近地表面最主要的一类岩体,在隧(巷)道掘进、基坑开挖、边坡施工等各类岩土工程施工中被广泛接触。 由于层状岩体是在反复的风化、搬运、沉积等地质作用下形成的,因而具有显著的层理结构。 这些层理弱面与岩石基质体之间的力学性质差异显著,使岩体在力的作用下表现出显著的各向异性,进而引起巷道围岩的非均匀变形[1]和破坏,并可能引发工程灾害[2],严重影响了掘进巷道的安全稳定。

摘 要

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规 律。 加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。

从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。

当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;

当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;

当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。

从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。

随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。

文中图片

试验系统装置

试验测试试件

试件两端的力平衡曲线

加载速率计算方法

无层理砂岩试件最大主应变云图

层理方向与加载方向夹角为0°时层理岩体内部的应变场分布

层理方向与加载方向夹角为90°时层理岩体内部的应变场分布

层理方向与加载方向夹角为45°时层理岩体内部的应变场分布

软弱层理方向与加载轴线之间不同关系下圆盘试件断裂后的结果

不同子弹冲击速度时的拉应力曲线

动态抗拉强度与加载速率关系曲线

无软弱层理岩体中垂直裂纹方向最大主应变曲线

岩体开裂应变随层理夹角的变化曲线

试件加载端处的应力莫尔圆

来源：

杨仁树,许鹏,景晨钟,等. 冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究[J]. 煤炭学报,2019,44(7):2039-2048.

YANG Renshu,XU Peng,JING Chenzhong,et al. Experimental study on the failure and dynamic tensile strength of layered sandstone under impact loads[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(7):2039-2048.

责任编辑：郭晓炜 编辑整理： 郭晓炜

审 核 ： 常琛

End

钱鸣高,许家林：煤炭开采与岩层运动

王家臣：我国放顶煤开采的工程实践与理论进展

袁亮院士视频讲解煤炭精准开采科学构想

谢和平,鞠杨,高明忠,等：煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系

王国法，刘峰，庞义辉，等：煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑

联系我们

联系人：郭晓炜

邮箱：guoxiaowei@chinacs.org.cn

网址：www.mtxb.com.cn

本平台刊登的《煤炭学报》所有稿件均按照国家版权局有关规定支付了相应稿酬，《煤炭学报》享有稿件的信息网络传播权。未经授权，不得匿名转载。本平台所使用的图片属于相关权利人所有，因客观原因，部分作品如存在不当使用的情况，请相关权利人随时与我们联系。

免责声明：以上内容转载自煤炭学报，所发内容不代表本平台立场。全国能源信息平台联系电话 010-65367827，邮箱 hz@people-energy.com.cn