初始应力状态对侧限条件黏土动态压缩过程和力学性能的影响

摘要

随着中国能源资源开采逐步向深部转移，采用浅部参数研究深部问题、采用静态参数研究动态问题会造成工程设计时的科学依据不足。由于黏土的初始应力状态对其动力学性质有显著影响，本文采用长时、分级、高压固结方式模拟黏土的原始应力赋存环境；采用分离式霍普金森杆（SHPB）试验装置对侧限条件下的高压固结黏土进行峰值应变率范围为200～800 s^–1的冲击压缩试验，分析了黏土应力记忆效应、应变率效应和动态压缩过程。结果表明：黏土的应力历史影响了其动态压缩过程，试样依次经历压实段、线弹性加载段、线性卸载段；在动载下，黏土压实段与线弹性加载段应力拐点的均值为3.8 MPa，与先期固结应力4.2 MPa具有相关性，且压实段应变均值约为试样破坏应变的33%。采用200和300 mm的短子弹进行冲击加载时，黏土试样未发生稳定的塑性变形；分析应力–应变率曲线发现，黏土的压实过程吸收了一部分动载能量，使其无法持续进行动态压缩行为，但进入动态压缩阶段后黏土受子弹长度影响较小；黏土试样动态加卸载段模量随应变率同步增加，但加卸载模量的比值稳定在0.45左右，表明更高的冲击速度没有造成试样进一步损伤，这与冲击后的宏观破坏现象及塑性变形分析相互印证。针对软弱、松散颗粒体材料，高压固结方式为研究其动力学性质提供了一种思路。

关键词

土动力学 / SHPB / 动态力学性能 / 侧限条件 / 深部地应力 / 初始应力状态

基金资助

国家自然科学基金项目（51934001;51774287）; 国家重点研发计划项目（2016YFC0600903）; 矿山灾害预防控制教育部重点实验室开放基金（JMDPC202103）