第20卷 第2期
2001年3月
岩石力学与工程学报
ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering
20(2):212～215
March,2001
粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律
尚嘉兰 沈乐天
(中国科学院力学研究所LNM 北京 100080)
赵 坚
( 639798)
摘要 利用轻气炮平板碰撞试验,对新加坡BukitTimah,根据实验数据研究了应力波的传播,,η和不同应力范围的衰减指数α。
关键词 花岗岩,平面应力波,分类号 TU459+ 文章编号 100026915(2001)0320212204
1 引 言
应力波的传播衰减规律是爆破工程、防护工程设计、地球物理勘探及地震研究等多方面的理论分析和工程应用的基本问题,为工程界和力学界共同关切。国内外曾对岩石和岩体中的应力波的传播和衰减作过不少工作。如文[1]曾进行大量岩石冲击试验,讨论应力波传播衰减规律。近年,文[2]在研究岩石冲击压缩之后,又扩展到脆性材料的冲击性能研究。前苏联曾进行了类似的工作,如文[3]给出了峰值压力与传播距离的关系。国内也在该领域作过不少努力,如中国科学院力学研究所郭汉彦、寇绍全、江瑜书等用数值模拟计算强爆炸远区的应力波衰减规律,文[4]进行了吨级爆炸试验,研究了应力峰值的衰减系数。本文为了工程实际和理论研究的需要,对一种粗粒花岗闪长岩进行一维应变动态试验研究。根据实验数据探讨了应力波在该花岗岩中的传播和衰减规律,以及波形振荡的产生和规律、用四次多项式表示应力波峰值随传播距离的衰减规律,给出并讨论了应力波峰值的衰减率η和不同应力范围的衰减指数α。
造花岗闪长岩。其中含量在80%以上的斜长石、钾长石、石英的粒径为3～6mm;含量约10%的黑云母粒径为0.2mm。花岗岩的主要物理力学参数列于表1。
表1 花岗闪长岩的主要物理力学参数
Table1 ThemechanicalandphysicalparametersofBukit
Timahgranite
ρ
/kg・m-3
2670
C
/km・s5.82
-1
ν
0.16
E
σc
/MPa147.5
σt
/MPa16.1
/GPa75.2
实验在中国科学院力学研究所LNM实验室一级轻气炮上进行。试件为一组直径为52mm,厚度分别为2,4,6,8mm的圆片(1～4片)。圆片两面经研磨抛光,以保证其平行度、平整度和光洁度。岩石试样每片前后预埋锰铜压阻应力计(MBP5026BD245),用于记录受到冲击加载时试件中应力计所在位置的应力2时间历程。用与应力传感器和岩石试件阻抗匹配的环氧胶粘贴,胶层厚度≤0.01mm,对应力波的影响可以忽略。每次试验应力波传到最后一个传感器的时间加上波的持续时间均远小于边界稀疏波传到后一个传感器的时间,因而测量结果不会受边界稀疏波的干扰。实验的技术细节参阅文[5,6]。
2 实 验
试样为新加坡的BukitTimah花岗岩,岩石矿物岩相分析表明,岩石为全晶质半自形粒状似斑状构
3 试验结果和初步分析
得到有效记录的试验共25次。其中测到4个应力
1999年8月12日收到初稿,1999年10月20日收到修改稿。
3新加坡南洋理工大学和中国科学院力学研究所所长择优基金资助项目。
作者尚嘉兰简介:女,62岁,1963年毕业于中国科学技术大学近代力学系爆炸力学专业,现任副研究员
,主要从事爆炸力学和材料动态力学性能方面的研究工作。
第20卷 第2期 尚嘉兰等.粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律・213・
表2 BukitTimah花岗岩冲击压缩试验结果一览表
Table2 TheresultsofimpactcompressuretestforBukitTimahgranite
实验编号
No.[***********]73302577
3
撞击速度
V/m・s-1
实测应力峰值
/MPa
应力峰值衰减率Δσ ηij=ΔMPa/mmσ4
η12
23.92.85
实验编号
No.[**************]9
撞击速度
V/m・s-1
实测应力峰值
/MPa
应力峰值衰减率Δσ ηij=ΔMPa/mmσ4
η12
34.9
146.9
39.734.420.6
30.980.455.379.4
137.5
σ1
36.737,976.465.1103.9157.871.692.191.2201.6101.6102.6#
σ2
89.287.[***********]1609811
σ3
88.679.4189353420
η23
0.641.91
3
η34
1.44
σ1
77.9207.20
#
σ2
959
σ3η23η34
[***********][1**********]43
80.8 19.01008
942 23.93.943
9.71
156.[***********]3541573816
[***********]614690
[***********][1**********]255
150 47.515.711113 19.6
6.7211.0
4.3505567.0516.5627.4742.9797.3
335410
46.349.314.832
5662472 150.5122.2
15.1
3
3.413
265.783.43
[**************]6 216.089.
33133.1
137.439.6
270.4
215.7250.4
72.830.63
653
311.7
16.6
77.5
17.3
583 103.3
注:#使用有机玻璃(PMMA)为飞板,其他实验均用2024A1飞板。
33
η12为σ1～σ2的衰减率,η23为σ2～σ3的衰减率,η34为σ3～σ4的衰减率。
波形的13次;测到3个应力波形的2次;测到2个应力波形的10次。实验数据和结果列于表2中。
下面讨论所观测到的应力波在BukitTimah花岗岩中传播的一些物理现象。3.1 应力波波幅的衰减规律
由表2可以看到,每次实验的应力峰值随传播距离的增加而下降。每毫米传播距离的衰减率ηij=Δσ其ij/Δ(MPa/mm),随应力峰值的下降而下降。σ中Δij=σi-σj,Δ为第i,j个应力计之间的距离,即试片厚度。用以下方法将所有测量得到的应力峰值和传播距离的关系绘于图1中。从所测得到的最高应力峰值No.89的σ1=6598MPa为起点,用线性插值计算No.84的σ1=5307MPa所在的位置,它距离起点应为17.06mm。依次类推,得到了所有测点与起点的距离。这样,便得到应力波峰值在该材料中的传播特性和衰减规律。
图1给出了应力波峰值随传播距离增加而衰减的规律,它可用四次多项式表示:
σ
第20卷 第2期
2001年3月
岩石力学与工程学报
ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering
20(2):212～215
March,2001
粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律
尚嘉兰 沈乐天
(中国科学院力学研究所LNM 北京 100080)
赵 坚
( 639798)
摘要 利用轻气炮平板碰撞试验,对新加坡BukitTimah,根据实验数据研究了应力波的传播,,η和不同应力范围的衰减指数α。
关键词 花岗岩,平面应力波,分类号 TU459+ 文章编号 100026915(2001)0320212204
1 引 言
应力波的传播衰减规律是爆破工程、防护工程设计、地球物理勘探及地震研究等多方面的理论分析和工程应用的基本问题,为工程界和力学界共同关切。国内外曾对岩石和岩体中的应力波的传播和衰减作过不少工作。如文[1]曾进行大量岩石冲击试验,讨论应力波传播衰减规律。近年,文[2]在研究岩石冲击压缩之后,又扩展到脆性材料的冲击性能研究。前苏联曾进行了类似的工作,如文[3]给出了峰值压力与传播距离的关系。国内也在该领域作过不少努力,如中国科学院力学研究所郭汉彦、寇绍全、江瑜书等用数值模拟计算强爆炸远区的应力波衰减规律,文[4]进行了吨级爆炸试验,研究了应力峰值的衰减系数。本文为了工程实际和理论研究的需要,对一种粗粒花岗闪长岩进行一维应变动态试验研究。根据实验数据探讨了应力波在该花岗岩中的传播和衰减规律,以及波形振荡的产生和规律、用四次多项式表示应力波峰值随传播距离的衰减规律,给出并讨论了应力波峰值的衰减率η和不同应力范围的衰减指数α。
造花岗闪长岩。其中含量在80%以上的斜长石、钾长石、石英的粒径为3～6mm;含量约10%的黑云母粒径为0.2mm。花岗岩的主要物理力学参数列于表1。
表1 花岗闪长岩的主要物理力学参数
Table1 ThemechanicalandphysicalparametersofBukit
Timahgranite
ρ
/kg・m-3
2670
C
/km・s5.82
-1
ν
0.16
E
σc
/MPa147.5
σt
/MPa16.1
/GPa75.2
实验在中国科学院力学研究所LNM实验室一级轻气炮上进行。试件为一组直径为52mm,厚度分别为2,4,6,8mm的圆片(1～4片)。圆片两面经研磨抛光,以保证其平行度、平整度和光洁度。岩石试样每片前后预埋锰铜压阻应力计(MBP5026BD245),用于记录受到冲击加载时试件中应力计所在位置的应力2时间历程。用与应力传感器和岩石试件阻抗匹配的环氧胶粘贴,胶层厚度≤0.01mm,对应力波的影响可以忽略。每次试验应力波传到最后一个传感器的时间加上波的持续时间均远小于边界稀疏波传到后一个传感器的时间,因而测量结果不会受边界稀疏波的干扰。实验的技术细节参阅文[5,6]。
2 实 验
试样为新加坡的BukitTimah花岗岩,岩石矿物岩相分析表明,岩石为全晶质半自形粒状似斑状构
3 试验结果和初步分析
得到有效记录的试验共25次。其中测到4个应力
1999年8月12日收到初稿,1999年10月20日收到修改稿。
3新加坡南洋理工大学和中国科学院力学研究所所长择优基金资助项目。
作者尚嘉兰简介:女,62岁,1963年毕业于中国科学技术大学近代力学系爆炸力学专业,现任副研究员
,主要从事爆炸力学和材料动态力学性能方面的研究工作。
第20卷 第2期 尚嘉兰等.粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律・213・
表2 BukitTimah花岗岩冲击压缩试验结果一览表
Table2 TheresultsofimpactcompressuretestforBukitTimahgranite
实验编号
No.[***********]73302577
3
撞击速度
V/m・s-1
实测应力峰值
/MPa
应力峰值衰减率Δσ ηij=ΔMPa/mmσ4
η12
23.92.85
实验编号
No.[**************]9
撞击速度
V/m・s-1
实测应力峰值
/MPa
应力峰值衰减率Δσ ηij=ΔMPa/mmσ4
η12
34.9
146.9
39.734.420.6
30.980.455.379.4
137.5
σ1
36.737,976.465.1103.9157.871.692.191.2201.6101.6102.6#
σ2
89.287.[***********]1609811
σ3
88.679.4189353420
η23
0.641.91
3
η34
1.44
σ1
77.9207.20
#
σ2
959
σ3η23η34
[***********][1**********]43
80.8 19.01008
942 23.93.943
9.71
156.[***********]3541573816
[***********]614690
[***********][1**********]255
150 47.515.711113 19.6
6.7211.0
4.3505567.0516.5627.4742.9797.3
335410
46.349.314.832
5662472 150.5122.2
15.1
3
3.413
265.783.43
[**************]6 216.089.
33133.1
137.439.6
270.4
215.7250.4
72.830.63
653
311.7
16.6
77.5
17.3
583 103.3
注:#使用有机玻璃(PMMA)为飞板,其他实验均用2024A1飞板。
33
η12为σ1～σ2的衰减率,η23为σ2～σ3的衰减率,η34为σ3～σ4的衰减率。
波形的13次;测到3个应力波形的2次;测到2个应力波形的10次。实验数据和结果列于表2中。
下面讨论所观测到的应力波在BukitTimah花岗岩中传播的一些物理现象。3.1 应力波波幅的衰减规律
由表2可以看到,每次实验的应力峰值随传播距离的增加而下降。每毫米传播距离的衰减率ηij=Δσ其ij/Δ(MPa/mm),随应力峰值的下降而下降。σ中Δij=σi-σj,Δ为第i,j个应力计之间的距离,即试片厚度。用以下方法将所有测量得到的应力峰值和传播距离的关系绘于图1中。从所测得到的最高应力峰值No.89的σ1=6598MPa为起点,用线性插值计算No.84的σ1=5307MPa所在的位置,它距离起点应为17.06mm。依次类推,得到了所有测点与起点的距离。这样,便得到应力波峰值在该材料中的传播特性和衰减规律。
图1给出了应力波峰值随传播距离增加而衰减的规律,它可用四次多项式表示:
σ