多因素耦合效应对层状千枚岩动力特性的影响

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.03.009

摘要/Abstract

摘要：

为了研究不同长径比和倾角下应变率对层状千枚岩动力特性的影响，选用4种倾角（ $α$ =0°，30°，60°，90°）两种长度（L=25，50 mm）的层状千枚岩为研究对象，采用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置进行不同冲击气压（p=0.150，0.175，0.200，0.225和0.250 MPa）的动态压缩试验.研究了两种长径比层状千枚岩不同应变率下动力特性的影响，分析了层状千枚岩层理倾角、长径比和应变率之间的耦合效应对层状千枚岩强度特征的影响关系.结果表明：动态压缩下两种不同长径比层状千枚岩动态抗压强度随层理倾角增加呈现先减小后增大趋势，动态峰值强度和峰值应变均随应变率增大而增大，层状千枚岩动态抗压强度与应变率呈幂函数关系；动态峰值强度关于倾角 $α$ 和长径比L/D呈二元函数关系，在 $α$ =60°时，层状千枚岩动态抗压强度的长径比效应最为显著，在L/D=1时，倾角效应最为显著；不同倾角下，峰值应变在0°倾角下长径比效应最为显著，在90°倾角下长径比效应最弱；动态冲击下层状千枚岩动态抗压强度和峰值应变的应变率效应均强于长径比效应.

关键词: 岩石力学, 层状千枚岩, SHPB试验, 动力特性, 多因素耦合

Abstract:

In order to study the effect of strain rate on the dynamic characteristics of phyllite under different length?diameter ratio and dip angle， the samples with four dip angles （ $α$ =0°， 30°， 60° and 90°） and two lengths （L=25， 50 mm） were selected as research objects. The dynamic compression tests under different impact pressures （p=0.150， 0.175， 0.200， 0.225 and 0.250 MPa） were carried out by using the split Hopkinson pressure bar （SHPB） system. The dynamic characteristics of phyllite with two aspect ratios at different strain rates were studied， and the influence of the coupling effect between the bedding dip angle， aspect ratio and strain rate on the strength characteristics of phyllite was analyzed. The results show that under dynamic compression， the dynamic compressive strength of phyllite with two different aspect ratios decreases first and then increases with the increase of bedding angle， and the dynamic peak strength and peak strain increase with the increase of strain rate. The relationship between dynamic compressive strength of phyllite and strain rate follows a power function. The relationship between peak strength and bedding angle α and L/D is binary function. When α=60°， the aspect ratio effect on the dynamic compressive strength of phyllite is the most significant， and when L/D=2， the dip angle effect is the most significant. Under different bedding dip angles， the aspect ratio effect of peak strain is the most significant at 0°dip angle， and the weakest at 90°dip angle. The strain rate effect on dynamic compressive strength and peak strain of phyllite under dynamic impact is stronger than that of aspect ratio effect.

Key words: rock mechanics, layered phyllite, SHPB test, dynamic characteristics, multi?factor coupling

中图分类号:

TU 45

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图/表 15

图1 层状千枚岩定向取芯示意图

Fig.1 Directional coring for layered phyllite

图2 层状千枚岩试样

Fig.2 Layered phyllite samples

表1 4种层理倾角2种不同长度层状千枚岩试样参数

Table 1 Parameters of layered phyllite samples with 4 bedding inclination angles and 2 different lengths

倾角/(°)	试样编号	L/mm	L/D	p/MPa	σ₀/MPa	ε_max×10³	$ε ˙$ /s^-1
0	QJ00-25-01	25	0.52	0.150	125.97	6.04	92
	QJ00-25-02	25	0.52	0.175	136.11	9.85	112
	QJ00-25-03	25	0.52	0.200	142.14	10.78	125
	QJ00-25-04	25	0.52	0.225	148.17	12.37	136
	QJ00-25-05	25	0.52	0.250	154.93	16.30	151
	QJ00-50-01	50	1.01	0.150	92.71	7.86	69
	QJ00-50-02	50	1.01	0.175	120.73	9.57	86
	QJ00-50-03	50	1.02	0.200	150.14	10.81	105
	QJ00-50-04	50	1.01	0.225	170.52	12.63	113
	QJ00-50-05	50	0.99	0.250	184.29	13.42	127
30	QJ30-25-01	25	0.51	0.150	117.68	5.16	92
	QJ30-25-02	25	0.51	0.175	123.96	6.96	112
	QJ30-25-03	25	0.51	0.200	128.01	8.59	125
	QJ30-25-04	25	0.51	0.225	134.98	9.84	136
	QJ30-25-05	25	0.51	0.250	137.79	11.44	151
	QJ30-50-01	50	1.03	0.150	92.71	7.02	69
	QJ30-50-02	50	1.03	0.175	117.39	8.28	86
	QJ30-50-03	50	1.03	0.200	124.11	9.08	105
	QJ30-50-04	50	1.03	0.225	135.98	9.88	113
	QJ30-50-05	50	1.03	0.250	156.54	10.93	127
60	QJ60-25-01	25	0.51	0.150	89.33	5.14	92
	QJ60-25-02	25	0.50	0.175	106.24	6.95	112
	QJ60-25-03	25	0.50	0.200	112.39	9.29	125
	QJ60-25-04	25	0.50	0.225	116.39	9.49	136
	QJ60-25-05	25	0.50	0.250	122.98	10.58	151
	QJ60-50-01	50	1.02	0.150	58.39	5.16	69
	QJ60-50-02	50	1.02	0.175	81.46	6.60	86
	QJ60-50-03	50	1.03	0.200	99.55	8.63	105
	QJ60-50-04	50	1.01	0.225	106.59	9.65	113
	QJ60-50-05	50	1.01	0.250	127.37	10.61	127
90	QJ90-25-01	25	0.52	0.150	125.54	8.10	92
	QJ90-25-02	25	0.52	0.175	131.77	10.95	112
	QJ90-25-03	25	0.52	0.200	138.17	11.56	125
	QJ90-25-04	25	0.53	0.225	142.60	12.73	136
	QJ90-25-05	25	0.53	0.250	150.96	13.09	151

表1 4种层理倾角2种不同长度层状千枚岩试样参数

Table 1 Parameters of layered phyllite samples with 4 bedding inclination angles and 2 different lengths

倾角/(°)	试样编号	L/mm	L/D	p/MPa	σ₀/MPa	ε_max×10³	$ε ˙$ /s^-1
0	QJ00-25-01	25	0.52	0.150	125.97	6.04	92
	QJ00-25-02	25	0.52	0.175	136.11	9.85	112
	QJ00-25-03	25	0.52	0.200	142.14	10.78	125
	QJ00-25-04	25	0.52	0.225	148.17	12.37	136
	QJ00-25-05	25	0.52	0.250	154.93	16.30	151
	QJ00-50-01	50	1.01	0.150	92.71	7.86	69
	QJ00-50-02	50	1.01	0.175	120.73	9.57	86
	QJ00-50-03	50	1.02	0.200	150.14	10.81	105
	QJ00-50-04	50	1.01	0.225	170.52	12.63	113
	QJ00-50-05	50	0.99	0.250	184.29	13.42	127
30	QJ30-25-01	25	0.51	0.150	117.68	5.16	92
	QJ30-25-02	25	0.51	0.175	123.96	6.96	112
	QJ30-25-03	25	0.51	0.200	128.01	8.59	125
	QJ30-25-04	25	0.51	0.225	134.98	9.84	136
	QJ30-25-05	25	0.51	0.250	137.79	11.44	151
	QJ30-50-01	50	1.03	0.150	92.71	7.02	69
	QJ30-50-02	50	1.03	0.175	117.39	8.28	86
	QJ30-50-03	50	1.03	0.200	124.11	9.08	105
	QJ30-50-04	50	1.03	0.225	135.98	9.88	113
	QJ30-50-05	50	1.03	0.250	156.54	10.93	127
60	QJ60-25-01	25	0.51	0.150	89.33	5.14	92
	QJ60-25-02	25	0.50	0.175	106.24	6.95	112
	QJ60-25-03	25	0.50	0.200	112.39	9.29	125
	QJ60-25-04	25	0.50	0.225	116.39	9.49	136
	QJ60-25-05	25	0.50	0.250	122.98	10.58	151
	QJ60-50-01	50	1.02	0.150	58.39	5.16	69
	QJ60-50-02	50	1.02	0.175	81.46	6.60	86
	QJ60-50-03	50	1.03	0.200	99.55	8.63	105
	QJ60-50-04	50	1.01	0.225	106.59	9.65	113
	QJ60-50-05	50	1.01	0.250	127.37	10.61	127
90	QJ90-25-01	25	0.52	0.150	125.54	8.10	92
	QJ90-25-02	25	0.52	0.175	131.77	10.95	112
	QJ90-25-03	25	0.52	0.200	138.17	11.56	125
	QJ90-25-04	25	0.53	0.225	142.60	12.73	136
	QJ90-25-05	25	0.53	0.250	150.96	13.09	151

表2 冲击气压与子弹速度和试样应变率关系

Table 2 Relationship between impact air pressure and bullet velocity and strain rate of sample

冲击气压 p/MPa	子弹速度 v/（m·s^-1）	应变率/s^-1
冲击气压 p/MPa	子弹速度 v/（m·s^-1）	L=25 mm	L=50 mm
0.150	6.8	92	69
0.175	7.4	112	86
0.200	8.5	125	105
0.225	9.2	136	113
0.250	9.3	151	127

图3 冲击气压与应变率关系

Fig.3 Relationship between impact pressure and strain rate

图4 L=25 mm层状千枚岩应力-应变曲线（a）—α=0°；（b）—α=30°；（c）—α=60°；（d）—α=90°.

Fig.4 Stress?strain curves of layered phyllite at L=25 mm

图5 L=50 mm层状千枚岩应力-应变曲线（a）—α=0°；（b）—α=30°；（c）—α=60°；（d）—α=90°.

Fig.5 Stress?strain curves of layered phyllite at L=50 mm

图6 千枚岩倾角与强度关系曲线and strength（a）—L=25 mm；（b）—L=50 mm.

Fig.6 Relationship curves between phyllite dip angle

图6 千枚岩倾角与强度关系曲线and strength（a）—L=25 mm；（b）—L=50 mm.

Fig.6 Relationship curves between phyllite dip angle

图7 4种倾角下层状千枚岩动态抗压强度与应变率关系

Fig.7 Relationship between dynamic compressive strength and strain rate of layered phyllite under four dip angles （a）—α=0°；（b）—α=30°；（c）—α=60°；（d）—α=90°.

图8 层状千枚岩峰值应变-应变率关系rate of layered phyllite（a）—L=25 mm；（b）—L=50 mm.

Fig.8 Relationship between peak strain and strain

图9 参数σmax关于α和L/D的二元函数曲面图

Fig.9 Surface of the parameter σmax as a function of α and L/D

图10 σmax关于L/D和ε˙二元函数曲面图of and L/D（a）—α=0°；（b）—α=30°；（c）—α=60°；（d）—α=90°.

Fig.10 Surface of the parameter σmax as a function

图11 εmax关于α和L/D的二元函数曲面图

Fig.11 Surface of the parameter εmax as a function of α and L/D

图12 εmax关于L/D和ε˙的二元函数曲面图（a）—α=0°；（b）—α=30°；（c）—α=60°；（d）—α=90°.

Fig.12 Surface of the parameter εmax as a function of ε˙ and L/D

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