一維動靜組合加載下石灰?guī)r力學(xué)特性試驗研究

方兆惠，平 琦，張 號

(1.安徽理工大學(xué)省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國深部資源開采和城市地下工程的日益增多、難度日益增大[1]。給巖石力學(xué)的發(fā)展帶來機(jī)遇，同時也提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。巖石是一種自然界存在的天然材料，其物理力學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜。很多學(xué)者對靜載或準(zhǔn)靜載作用下的巖石力學(xué)性質(zhì)開展了大量的試驗研究，并取得了豐碩成果[2-3]。相對而言，對動載作用下的巖石力學(xué)特性還需深入研究。如今，沖擊荷載作用下巖石的動態(tài)力學(xué)特性已引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對不同應(yīng)變率下巖石的破壞形式開展許多卓有成效的研究[4-10]。文獻(xiàn)[11]采用SHPB試驗裝置對砂巖進(jìn)行了高應(yīng)變率動態(tài)拉伸試驗，分析了砂巖試件的應(yīng)變率效應(yīng)；文獻(xiàn)[12]通過分離式SHPB試驗裝置對巖石在不同高溫下的研究，探索了溫度對巖石性能的影響；文獻(xiàn)[13]利用SHPB試驗裝置對巖石在不同長徑比下的研究，探明了長徑比對試件兩端的應(yīng)力平衡狀態(tài)有顯著影響。這些SHPB試驗研究并未考慮軸壓對巖石力學(xué)性能的影響。如今，動靜組合狀態(tài)下巖石的破壞已經(jīng)廣泛的存在各種工程事件中，越來越引起人們的重視。文獻(xiàn)[14]利用改進(jìn)的SHPB試驗裝置對巖石在動靜組合加載下的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行一系列研究，已經(jīng)取得了一些有價值的研究成果。

本文以石灰?guī)r為研究對象，利用改進(jìn)的SHPB試驗裝置進(jìn)行動靜組合下的沖擊壓縮試驗，探索石灰?guī)r在動靜組合下的破壞機(jī)理，為巖體施工的穩(wěn)定性提供一定的理論依據(jù)。

1 SHPB試驗

1.1 試件制備

本文試驗所用的巖樣采自安徽淮南舜耕山的石灰?guī)r，選取完整性和均質(zhì)性較好的巖樣作為研究對象。所有試件統(tǒng)一加工成圓柱體，根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦使用的試驗方法[15]，靜載和動載試驗的試件尺寸分別選取φ50mm×100mm，φ50mm×25mm。對巖樣進(jìn)行取芯、切割、打磨，使其符合規(guī)范要求[16]。采用RMT-150試驗裝置對石灰?guī)r試件進(jìn)行靜載力學(xué)性能試驗，有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 石灰?guī)r靜載力學(xué)基本參數(shù)

1.2 加載試驗裝置

本文采用安徽理工大學(xué)省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室引進(jìn)的SHPB試驗裝置為試驗的加載系統(tǒng)。該裝置的撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿均采用40Cr合金鋼制成，泊松比為0.28，縱波波速為5 410m/s。入射桿和透射桿長度分別為2 000mm和1 500mm，直徑為50mm。撞擊桿采用紡錘型，利用其產(chǎn)生的半正弦應(yīng)力波以實現(xiàn)恒應(yīng)變率加載[17]。數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備為SDY2107A超動態(tài)應(yīng)變儀和DL850E示波器。

1.3 試驗數(shù)據(jù)

采用改進(jìn)的SHPB試驗裝置對石灰?guī)r試件進(jìn)行動靜組合加載試驗時，選取其靜態(tài)強(qiáng)度的40%為軸壓對石灰?guī)r試件進(jìn)行預(yù)加載[18]，即軸壓為24MPa。試驗結(jié)果如表2所示。

應(yīng)變率為10～200s-1范圍內(nèi)，無軸壓時，試件動態(tài)強(qiáng)度從77.03MPa增加到171.9MPa，相對于靜態(tài)強(qiáng)度增加13%到286%；有軸壓時，試件動態(tài)強(qiáng)度從71.21MPa增加到206.59MPa，相對于靜態(tài)強(qiáng)度增加12%到343%?？梢姂?yīng)變率大于10s-1時，石灰?guī)r試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度受應(yīng)變率的影響均較大。

表2 石灰?guī)rSHPB試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

2.1 動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

無軸壓時，石灰?guī)r試件在不同應(yīng)變率下的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

圖1 無軸壓時石灰?guī)r試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1可以看出，應(yīng)變率較低時，石灰?guī)r試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)變發(fā)生小幅度的減小。這是因為應(yīng)變率較低，試件沒有達(dá)到完全破壞的程度，仍然有一定的承載能力。當(dāng)其內(nèi)部儲存的彈性能大于加載的動能時，內(nèi)部的彈性能釋放出來，試件變形發(fā)生小幅度的回彈，應(yīng)變隨之減小。當(dāng)應(yīng)變率為98s-1時，試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰后階段應(yīng)力跌落很快，應(yīng)變變化很小。應(yīng)變率為(120～130s-1左右)時，試件承受外界的動能遠(yuǎn)大于內(nèi)部儲存的彈性能。在達(dá)到試件峰值應(yīng)力后會繼續(xù)吸收能量，試件殘余強(qiáng)度會不斷降低，應(yīng)變持續(xù)增大，因此試件會受到嚴(yán)重的破壞。

有軸壓時，石灰?guī)r試件在不同應(yīng)變率下的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2 有軸壓時(24MPa)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，有軸壓時石灰?guī)r試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與無軸壓時明顯不同，區(qū)別最大的是有軸壓時試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有屈服階段。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因為軸壓抑制了試件裂紋的開展，因此應(yīng)力增長較小時不會引起應(yīng)變的快速增加。通過對比有無軸壓時試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)相同軸壓時，試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本相似；不同軸壓時，試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)有所不同，是因為軸壓不同造成的。

2.2 動態(tài)強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率關(guān)系

定義動態(tài)強(qiáng)度增長因子(Dynamic Increase Factor，DIF)為試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度和靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值。即

(1)

式中：σd為試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度，σc為試件靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。

從表2可以看出，無軸壓時，當(dāng)石灰?guī)r試件應(yīng)變率從56s-1增加至144s-1時，動態(tài)強(qiáng)度增長因子從1.19增加至2.55，增幅達(dá)114%。其擬合關(guān)系如式(2)所示

(2)

有軸壓時，當(dāng)石灰?guī)r試件應(yīng)變率從27s-1增加至112s-1時，動態(tài)強(qiáng)度増長因子從1.18增加至3.43，増幅為191%。其擬合關(guān)系如式(3)所示

(3)

通過式(2)、式(3)可知，有無軸壓時試件動態(tài)強(qiáng)度增長因子均與應(yīng)變率呈線性增加，相關(guān)性很強(qiáng)。

石灰?guī)r試件動態(tài)強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 DIF與應(yīng)變率的關(guān)系圖

從圖3可以看出，若應(yīng)變率相同，有軸壓時試件動態(tài)強(qiáng)度增長因子比無軸壓時大。是因為軸壓抑制了試件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，其承載能力有一個突躍增加。在軸壓作用下試件內(nèi)部的裂縫壓縮閉合，應(yīng)力波可以在試件內(nèi)部直接傳播，減少了應(yīng)力波在裂縫中來回反射產(chǎn)生的拉應(yīng)力破壞。無軸壓時，試件內(nèi)部有眾多裂縫，應(yīng)力波在裂縫中來回反射，產(chǎn)生的拉應(yīng)力造成試件多次破壞。因此，軸壓作用下試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度明顯提高。

2.3 能量規(guī)律分析

石灰?guī)r試件透射能與入射能的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 透射能與入射能關(guān)系圖

從圖4可以看出，透射能隨著入射能的增加而增加。當(dāng)入射能較小時，透射能與入射能近似線性增加；當(dāng)入射能較大時，透射能的增量隨入射能的增加而減小。當(dāng)入射能較小時，試件發(fā)生輕微的破壞，此時入射能跟透射能近似相等，呈線性關(guān)系；當(dāng)入射能較大時，試件發(fā)生嚴(yán)重的破壞，此時透射能相對趨于穩(wěn)定，入射能的增量主要被試件破壞所吸收。

石灰?guī)r試件單位體積吸收能與入射能的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 單位體積吸收能與入射能關(guān)系圖

從圖5可以看出，有軸壓時，當(dāng)入射能較小，試件單位體積吸收能為負(fù)值。因為在軸壓作用下試件處于彈性階段，其內(nèi)部儲存了大量的彈性能，此時試件仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)試件受到較小的沖擊作用時，試件內(nèi)部的彈性能會突然釋放出來，形成巖爆。由于釋放的彈性能超過加載的動能時會釋放出能量，因此單位體積吸收能表現(xiàn)為負(fù)值，此時試件整體不會失穩(wěn)。因為試件內(nèi)部能量的釋放，卸載后應(yīng)變會發(fā)生部分減少。當(dāng)入射能較大時，此時試件內(nèi)部釋放的彈性能小于加載的動能，這時試件會被破壞。試件單位體積吸收的能量越多破碎的越嚴(yán)重。無軸壓時，因為沒有軸壓的作用，試件內(nèi)部彈性能遠(yuǎn)小于加載的動能，因此在較小的入射能下，試件就會被破壞。通過對比分析，有無軸壓作用時，石灰?guī)r試件單位體積吸收能均隨入射能增加而增大；入射能相同，有軸壓時試件單位體積吸收能比無軸壓時??；隨入射能增大，透射能相對趨于穩(wěn)定，此時試件單位體積吸收能迅速增加。

2.4 試件破壞形態(tài)

石灰?guī)r試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)，如圖6所示。

圖6 不同應(yīng)變率石灰?guī)r試件動態(tài)破壞形態(tài)

從圖6(a)可以看出，無軸壓時，在沖擊荷載作用下，試件碎塊大多呈規(guī)則長條形，破裂面平行于軸向方向，因此試件在軸向沖擊荷載作用下發(fā)生劈裂破壞。當(dāng)應(yīng)變率為56s-1時，收集的石灰?guī)r是幾個大的碎塊。當(dāng)應(yīng)變率為98s-1時，收集的石灰?guī)r是眾多較大的碎塊。在應(yīng)變率為(130s-1左右)時，收集的石灰?guī)r出現(xiàn)更多小碎塊和部分碎屑。產(chǎn)生這種差異的原因，是試件在不同的應(yīng)變率作用下，能夠在極短的時間內(nèi)積聚不同的能量，促使巖石本身固有和新生成的裂隙向不同的方向發(fā)展。因此在其他條件相同時，應(yīng)變率越大，試件破壞的越嚴(yán)重。通過觀察石灰?guī)r試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)可以確定無軸壓時試件為劈裂破壞。

從圖6(b)可以看出，有軸壓時，石灰?guī)r試件受端部效應(yīng)作用發(fā)生應(yīng)力集中，同時試件內(nèi)部微裂紋在軸壓的作用下擴(kuò)展，形成潛在的剪切破壞面。當(dāng)應(yīng)變率為27s-1時，收集的石灰?guī)r沒有明顯的破壞。當(dāng)應(yīng)變率為59s-1時，試件側(cè)面發(fā)生了巖屑剝落彈射，發(fā)生巖爆現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變率為90s-1時試件表面存在明顯傾斜狀裂縫，這是因為試件破壞釋放了內(nèi)部存儲的彈性能，但其仍然有一定的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)變率為113s-1時，試件出現(xiàn)整體破碎，碎塊呈不規(guī)則形狀。通過觀察石灰?guī)r試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)可以確定有軸壓時試件為壓剪破壞。

3 結(jié)論

(1)石灰?guī)r試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線受軸壓影響較大，軸壓不同時曲線形態(tài)有所不同，軸壓相同時曲線形態(tài)基本相似。臨界破壞時，當(dāng)試件內(nèi)部儲存的彈性能大于加載的動能時，內(nèi)部的彈性能得以釋放出來，試件側(cè)面巖屑剝落彈射。試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為無軸壓時劈裂破壞，有軸壓時壓剪破壞。

(2)有無軸壓作用時，石灰?guī)r試件動態(tài)強(qiáng)度增長因子均與應(yīng)變率呈線性增加。應(yīng)變率相同，有軸壓時試件動態(tài)強(qiáng)度增長因子比無軸壓時大。這是因為軸壓抑制了試件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，使其承載能力有一個突躍增加。

(3)有無軸壓作用時，石灰?guī)r試件單位體積吸收能均隨入射能增加而增大；入射能相同，有軸壓時試件單位體積吸收能比無軸壓時?。浑S入射能增大，透射能相對趨于穩(wěn)定，此時試件單位體積吸收能迅速增加。