夏開文,蔡英鵬,徐?穎,王?帥,潘永慶
靜水壓下熱損傷大理巖動態(tài)拉伸特性研究
夏開文1, 2,蔡英鵬1, 2,徐?穎1, 2,王?帥1, 2,潘永慶3
(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072;2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300350;3. 中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,長春 130021)
處于高溫高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的深部圍巖,可能遭受爆破、地震等動態(tài)荷載影響,在巖石工程開挖區(qū)附近多導(dǎo)致張拉破壞,因此,研究熱損傷巖石在不同地應(yīng)力條件下的動態(tài)拉伸特性,在深部巖石工程中具有重要意義.選取均質(zhì)細(xì)粒房山大理巖,利用自主研發(fā)的多功能分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng),進(jìn)行4種溫度(25℃、250℃、450℃、700℃)損傷梯度下,4種靜水壓環(huán)境(0MPa、5MPa、10MPa和20MPa)下,房山大理巖巴西圓盤試樣動態(tài)加載試驗.研究結(jié)果表明:①隨著溫度的增加,房山大理巖內(nèi)部微裂紋增多,礦物成分由CaMg(CO3)2向CaCO3和MgO轉(zhuǎn)變,密度和波速均隨著損傷溫度的增加而逐漸降低;②靜水壓條件下試樣拉伸應(yīng)力曲線呈現(xiàn)為雙峰特征,這主要是由于側(cè)向圍壓的存在抑制了試樣的劈裂,使試樣拉伸破壞后繼續(xù)承載造成的;③在固定圍壓環(huán)境下,各溫度梯度下熱損傷大理巖的動態(tài)拉伸強度均具有明顯的率相關(guān)性;同時動態(tài)拉伸強度隨著溫度的升高而明顯降低;④在固定溫度下,圍壓的存在明顯提高了房山大理巖動態(tài)拉伸強度,但拉伸強度的增幅隨著圍壓的增加而減弱.此外,當(dāng)試樣的熱處理溫度超過450℃后,動態(tài)拉伸強度的圍壓效應(yīng)小于25℃和250℃熱處理情況.這可能與高溫處理后的巖石在高圍壓狀態(tài)下發(fā)生了脆性向延性轉(zhuǎn)變有關(guān).
深部巖石動力學(xué);熱損傷;動態(tài)拉伸強度;分離式霍普金森壓桿;房山大理巖
巖石是構(gòu)成地球的基本材料,地球上99%的巖石都處于600℃和1GPa以上的高溫高壓狀態(tài)[1].此外,巖石作為一種準(zhǔn)脆性材料,其抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強度,在深部地下巖石工程中,巷道變形失穩(wěn)、巖爆等一些受動力擾動后地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往由巖石的張拉破壞造成.隨著深部巖石開采深度的增加,巖層地應(yīng)力提高,溫度上升,深部巖體表現(xiàn)出與淺部不同的力學(xué)特性[2-3].此外,處于高溫高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的深部巖石工程,在受到爆破、地震等動態(tài)荷載作用后,在開挖區(qū)附近多導(dǎo)致張拉破壞.因此,對高溫高壓狀態(tài)下巖石的動態(tài)拉伸特性展開研究具有重要意義.
目前,研究巖石拉伸特性的方法有兩種:直接拉伸方法和間接拉伸方法.由于直接拉伸相較于巴西圓盤劈裂試驗,存在操作復(fù)雜、費時費力、經(jīng)濟(jì)性差以及試驗過程中容易造成樣品一端應(yīng)力集中和破壞等缺點[4],巴西圓盤劈裂試驗逐漸成為巖石動態(tài)拉伸強度測試標(biāo)準(zhǔn)方法[5-6].鑒于巖石拉伸特性對于地下巖石工程建設(shè)具有重要意義,國內(nèi)外大量學(xué)者不僅高度關(guān)注其靜態(tài)特性,對于巖石的動態(tài)拉伸強度也逐漸引起廣泛重視[5,7-10].在溫度對巖石動態(tài)拉伸特性影響方面,劉石等[11]對高溫?fù)p傷后大理巖進(jìn)行了巴西圓盤劈裂試驗,指出高溫后大理巖的動態(tài)劈裂破壞形式受到?jīng)_擊加載速率和溫度的共同影響;黃彥華等[12]針對高溫后含預(yù)制缺陷巖石的裂紋擴(kuò)展特征進(jìn)行了研究,通過對花崗巖圓盤試樣預(yù)制孔洞并進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗,探討了溫度和孔洞分布對花崗巖的物理、力學(xué)特性及裂紋演化特征的影響;Yin等[13]研究了熱處理對勞倫特花崗巖物理性能和抗拉強度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著加熱溫度升高,試樣密度、縱波波速和靜態(tài)拉伸強度均減小,而動態(tài)拉伸強度先升高后降低,并從礦物成分及微裂紋角度對上述現(xiàn)象做出了相應(yīng)解釋;Yao等[14]開展了考慮溫度和加載率等因素影響的巴西圓盤試驗,建立了關(guān)于龍游砂巖動態(tài)拉伸強度隨溫度、加載率變化的本構(gòu)模型,并進(jìn)一步利用X射線、CT技術(shù)及圖像處理技術(shù),對龍游砂巖溫度損傷程度給予跟蹤描述及量化表征.
深部巖石工程中的圍巖不僅受到溫度的影響,更重要的是受到地應(yīng)力的作用[1,15].夏開文等[3]將深部巖石力學(xué)試驗中試樣的圍壓狀態(tài)分為4種類型:軸向圍壓、側(cè)向圍壓、靜水壓和三軸圍壓狀態(tài).在側(cè)向圍壓對巖石動態(tài)拉伸特性影響方面,袁超[16]、劉世奇[17]進(jìn)行了花崗巖試樣側(cè)向圍壓下動態(tài)直接拉伸試驗,試驗結(jié)果顯示:對于同一側(cè)向壓力,花崗巖的抗拉強度與直接拉伸彈性模量隨應(yīng)變速率增加而呈現(xiàn)增加趨勢;對于同一應(yīng)變速率,其抗拉強度與直接拉伸彈性模量隨側(cè)向壓力增加而呈現(xiàn)遞減趨勢.Wu等[15]對花崗巖巴西圓盤試樣施加靜水壓約束,探討了巖石動態(tài)拉伸強度隨靜水壓(最高20MPa)變化的演化規(guī)律. 夏開文等[18]通過具有預(yù)加載裝置的分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)研究了巖石在不同預(yù)拉伸應(yīng)力下的拉伸強度,結(jié)果表明:動態(tài)拉伸強度和總拉伸強度隨著加載率的增加而增加,同時,在相同加載率下,動態(tài)拉伸強度隨著預(yù)拉伸載荷的增加而減小,而總拉伸應(yīng)力與預(yù)拉伸載荷的大小無關(guān).李夕兵等[2]在國內(nèi)較早開展了溫壓耦合作用下巖石的動態(tài)力學(xué)特性研究,對20~300℃和不同軸向靜壓作用下粉砂巖的動態(tài)壓縮強度進(jìn)行研究,探究了溫壓耦合作用下巖石的動態(tài)強度變化規(guī)律.
綜上所述,眾多學(xué)者對溫度和應(yīng)力作用下巖石的動態(tài)拉伸特性進(jìn)行了大量研究.但是由于受到加載裝置的限制,在模擬地應(yīng)力條件下的動態(tài)拉伸試驗中,僅能實現(xiàn)對樣品的軸向加載[19],而難以實現(xiàn)圍壓加載,因此對于圍壓作用下熱損傷巖石的動態(tài)拉伸特性的研究依然不夠系統(tǒng).而且,當(dāng)前的研究多集中于溫度或軸向應(yīng)力單方面對巖石動態(tài)拉伸特性影響,缺乏綜合考慮二者影響的研究.深部巖石工程中圍巖尤其是處于深部硐室遠(yuǎn)場區(qū)的巖石多處于高溫高地應(yīng)力狀態(tài),因此有必要對圍壓狀態(tài)下熱損傷后巖石的動態(tài)拉伸特性展開系統(tǒng)研究.筆者通過自主研發(fā)的帶圍壓功能的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系統(tǒng),對不同靜水壓條件下熱損傷大理巖的動態(tài)拉伸特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,探討不同溫度損傷、不同地應(yīng)力條件下大理巖動態(tài)拉伸破壞演化規(guī)律,為深入開展深部巖石動力學(xué)的研究提供一定理論依據(jù).
試驗樣品為細(xì)顆粒大理巖,取自北京房山地區(qū),俗稱漢白玉.不僅在深部地下工程如隧道開挖、礦冶爆破中會經(jīng)常遇到大理巖,且由于該種巖石其均質(zhì)性和完整性較好,還廣泛用于建筑物的基礎(chǔ),如歷史建筑和橋梁裝飾.目前,國內(nèi)外學(xué)者對房山大理巖進(jìn)行了大量相關(guān)研究,其主要礦物成分和物理力學(xué)性質(zhì)相對明確[20-22].本試驗選取均勻完整的房山大理巖石塊,參照國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(ISRM)推薦方法[5]以及中國爆破行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《巖石材料巴西圓盤試樣動態(tài)拉伸強度測試方法》(T/CSEB 0001—2018)[6]的相關(guān)要求,將房山大理巖石塊制成48mm×24mm圓盤狀試樣,并對所有試樣端面進(jìn)行剖光.加工后大理巖試樣如圖1所示,試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1[20].巖石樣品的水分來源于吸附空氣中游離的水分子.由于巖石從完整均質(zhì)巖塊上取樣,除溫度處理不同外,其他加工、制備、儲藏條件均一致,故認(rèn)為各級溫度處理試樣初始含水率一致.
圖1?典型大理巖圓盤試樣(450℃)
表1?大理巖基本物理力學(xué)參數(shù)
Tab.1?Basic physical and mechanical parameters of marble
依據(jù)前人對大理巖溫度損傷研究成果及大理巖經(jīng)歷不同溫度損傷的變化情況,選取了4個級別溫度(25℃、250℃、450℃、700℃)對試樣進(jìn)行熱處理.溫度加載試驗在天津大學(xué)巖石力學(xué)實驗室GWL 1200℃高溫電爐中完成.為避免熱沖擊造成的不均勻損傷,將加熱速度控制在2℃/min.當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后,保持恒溫120min,再自然冷卻至室溫.
大理巖在不同溫度處理階段具有不同的熱損傷過程[20].利用天津大學(xué)巖石力學(xué)實驗室自備的電子天平、游標(biāo)卡尺及聲波測速儀,分別測量各級溫度損傷后試樣的質(zhì)量、體積和縱波波速,得到房山大理巖密度和波速隨溫度損傷變化曲線,如圖2所示.可以看出,隨著處理溫度的提高,大理巖密度和波速均呈下降趨勢.試樣經(jīng)過250℃高溫后,密度有微弱下降,幅度為0.148%,主要是因礦物內(nèi)部的結(jié)晶水析出所致;經(jīng)過450℃溫度損傷后,密度進(jìn)一步降低,降低幅度為0.633%,相較于250℃下降幅度有所增加,分析認(rèn)為,大理巖在450℃經(jīng)歷了內(nèi)部各種礦物的不均勻膨脹,導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂紋增加,體積有所增大,密度降低.當(dāng)熱處理溫度為700℃時,密度大幅降低,幅度高達(dá)3.944%.
波速隨著溫度的下降趨勢則與密度相反,250℃時,波速大幅降低,幅度為52.6%;當(dāng)處理溫度超過450℃時,波速降低幅度逐漸減小.各級溫度荷載下的波速相較于常溫狀態(tài),分別下降52.6%、69.8%和79.4%.
由圖2可知,當(dāng)熱損傷溫度小于等于450℃時,巖石的縱波波速下降較密度明顯,分析認(rèn)為上述損傷階段主要為試樣內(nèi)部微孔隙的增加,而縱波波速相較于密度對微孔隙增加反應(yīng)更加敏感,故縱波波速比密度下降更加明顯.而試樣經(jīng)過700℃溫度損傷后,密度急劇降低,而波速降低幅度有限.這是由于試樣內(nèi)部礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),比如CO2的釋放而導(dǎo)致樣品質(zhì)量減小,同時樣品的體積基本保持不變,所以這種改變對密度影響更為顯著.
圖2?不同溫度下大理巖密度與縱波波速曲線
通過XRD物相分析不同溫度下試樣的礦物成分變化.常溫條件下該大理巖試樣的主要礦物成分為白云石(97%),含少量石英(3%),檢測結(jié)果如圖3(a)所示.圖3(b)則展示了不同溫度損傷后的大理巖XRD圖譜,可以看出隨著處理溫度的增加,試樣中主要礦物CaMg(CO3)2發(fā)生分解,含量逐漸降低,說明白云石含量逐漸降低;當(dāng)處理溫度達(dá)到700℃時,試樣內(nèi)部主要礦物白云石的特征峰消失,其主要礦物成分為MgO和CaCO3,這是由于CaMg(CO3)2在700℃時發(fā)生分解產(chǎn)生CO2所致,這也是導(dǎo)致試樣密度明顯降低的原因[23-24].
圖3?大理巖XRD分析結(jié)果
作為國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的巖石動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)測試裝置,分離式霍普金森壓桿(SHPB)已成為測試巖石各種動態(tài)力學(xué)參數(shù)的主要工具[5-6].試驗采用天津大學(xué)巖土工程研究所自主研發(fā)的50mm多功能分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)加載試驗[25],該系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)、桿件系統(tǒng)、圍壓裝置、軸壓裝置及信號記錄系統(tǒng)組成[26],試驗裝置如圖4所示.該系統(tǒng)所有桿件材質(zhì)均為馬氏體鋼,彈性模量211GPa,縱波波速5280m/s.入射桿、透射桿分別長3.0m和1.8m,吸收桿長0.5m,子彈長0.35m.圍壓裝置由圍壓缸、軸壓缸和液壓油泵組成,圍壓缸最大工作壓力60MPa[26].
圖4?SHPB系統(tǒng)示意
在試驗過程中,改變子彈發(fā)射所需的氣壓實現(xiàn)對樣品不同沖擊速度的動態(tài)加載;通過改變軸壓缸和圍壓缸的油壓值,實現(xiàn)對樣品不同靜水壓狀態(tài)的加載.為保證樣品能夠維持在入射桿和透射桿之間,軸壓缸的加載要略高于圍壓缸的加載值.信號記錄系統(tǒng)包括粘貼在透射桿、入射桿以及試樣端面上的應(yīng)變片、應(yīng)變放大器以及可以實時同步記錄儲存信號的示波器.
為避免空氣中的水分和圍壓缸內(nèi)的液壓油滲入試樣孔隙,影響最終測試結(jié)果,動態(tài)試驗前將所有試樣進(jìn)行蠟封處理,然后安放于圍壓缸中入射桿和透射桿之間.
為忽略動態(tài)測試中的慣性效應(yīng),首先要使試樣兩端實現(xiàn)動態(tài)力平衡.采用直徑9.0mm、厚1.5mm的C11000銅片將入射波形狀由矩形波變?yōu)檎也? Frew等[27]對SHPB壓縮試驗中的脈沖整形技術(shù)有過詳細(xì)討論.圖5為典型桿端力平衡曲線,其中圖5(a)為圍壓為0MPa時桿端力平衡曲線,可見試樣兩端力平衡較好,可忽略其慣性效應(yīng).
圖5(b)為圍壓為20MPa時桿端力平衡曲線,與圖5(a)不同的是,入射波與透射波起點均高于0kN.這是由于在對試樣進(jìn)行施加靜水壓時,入射桿和透射桿均處于預(yù)壓狀態(tài),且預(yù)加載力值等于設(shè)定的靜水壓力值對應(yīng)的加載力,例如:20MPa對應(yīng)的桿端預(yù)加載力為39.27kN(圖5(b)中虛線框),當(dāng)采用直流耦合(DC)進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集時,二者的波形起點則為桿中的預(yù)應(yīng)力值[28].
基于一維應(yīng)力波理論,試樣與入射桿接觸面的動態(tài)力1和試樣與透射桿接觸面處的動態(tài)力2為
式中:為桿的彈性模量;為桿截面面積;i()、r()和t()分別為入射波、反射波、透射波的應(yīng)??變[4-6]. Chen 等[28]的理論研究結(jié)果顯示,發(fā)射桿速度和預(yù)加荷載對圍壓狀態(tài)下力平衡的計算公式有影響,在本套試驗裝置條件下,預(yù)加載應(yīng)力小于60MPa時,力平衡條件為
因此上述靜水壓條件下力平衡的條件為1=2.
此外,圖5(b)中圍壓條件下透射桿信號是在DC模式下采集獲得,其起始值為透射桿中預(yù)加靜水壓力值.根據(jù)Wu等[15]對巴西圓盤試樣受力分析可知,靜水壓下巴西圓盤試樣動態(tài)拉伸應(yīng)力與預(yù)加靜水壓無關(guān),即在進(jìn)行動態(tài)拉伸強度取值時,應(yīng)減去預(yù)加載荷.值得一提的是,若使用的是交流耦合(AC),透射波信號則直接從0起跳,無需修正.
因此,當(dāng)試樣兩端達(dá)到力平衡,試樣中慣性效應(yīng)可忽略時,其動態(tài)拉伸應(yīng)力可由靜態(tài)公式求得,即
式中:為時間;()為試樣動態(tài)拉伸應(yīng)力;pre為預(yù)軸向力,其中當(dāng)無圍壓狀態(tài)時,pre=0;為巴西圓盤樣品的直徑;為樣品的厚度.
由上述試驗步驟以及式(1)~(4),可得各溫度及靜水壓條件下試樣的動態(tài)拉伸應(yīng)力隨時間的變化曲線.不同靜水壓下典型拉伸應(yīng)力-時間曲線見圖6.加載率由峰值前線性部分的斜率確定(如圖中紅色虛線所示)[5-6].
圖6?典型拉伸應(yīng)力-時間曲線
在充分考慮地應(yīng)力對應(yīng)的埋深深度以及試驗數(shù)據(jù)有效性,將該試驗中靜水壓的狀態(tài)設(shè)定為4個,分別為0MPa、5MPa、10MPa、20MPa,對應(yīng)的埋深深度約為0m、175m、350m、700m.經(jīng)過溫度預(yù)處理的圓盤試樣,分別進(jìn)行上述4個圍壓條件下的動態(tài)拉伸加載試驗.圖6(a)為無圍壓下動態(tài)拉伸應(yīng)力-時間曲線和破壞試樣.試樣的破壞模式是巖石破壞機理的直觀指標(biāo)[29].該試樣在受軸向動態(tài)沖擊加載后,其圓盤試樣均沿直徑方向劈裂成2個半圓,其劈裂面平行于加載力方向,且無明顯端部壓裂破壞,如圖6(a)所示.同時其動態(tài)拉伸應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出單峰特征,與常規(guī)動態(tài)拉伸應(yīng)力-時間曲線形態(tài)一致[30].該峰值應(yīng)力即為動態(tài)巴西圓盤拉伸強度.
與圖6(a)不同的是,靜水壓條件下動態(tài)拉伸應(yīng)力曲線出現(xiàn)2個峰值.在圍壓狀態(tài)下,當(dāng)試樣受到沿入射桿軸向方向的動態(tài)加載后,試樣內(nèi)部首先產(chǎn)生微裂紋,并沿著桿軸向擴(kuò)張直至破壞,從而形成第1個峰值;由于動態(tài)加載時間極短,試樣周圍的液壓油無法瞬時卸載,對試樣裂紋擴(kuò)張及劈裂存在抑制作??用[15].通過圖6(b)中試樣的破碎形態(tài)可知,試樣除了劈裂成兩部分外,其與桿接觸的兩端有壓裂區(qū)域.這是由于試樣在受拉劈裂后,在靜水壓的作用下繼續(xù)承受荷載,直至發(fā)生壓縮破壞,因此出現(xiàn)第2個波峰.可見,靜水壓條件下第1個峰值對應(yīng)的拉應(yīng)力為動態(tài)拉伸強度.
為合理量化描述圍壓、溫度和加載率對大理巖動態(tài)拉伸強度的影響,客觀分析強度與圍壓、溫度及加載率之間的變化規(guī)律,基于圖7和圖8所示的動態(tài)拉伸強度與圍壓、溫度和加載率之間的關(guān)系,提出了如下公式來擬合試驗結(jié)果,并進(jìn)一步解釋巖石在熱損傷后靜水約束條件下的動態(tài)拉伸行為.
根據(jù)上述方法獲得的各靜水壓條件下房山大理巖的動態(tài)拉伸強度見圖7.由圖7可知,固定靜水壓條件下,各溫度荷載下試樣的動態(tài)拉伸強度均具有明顯的率相關(guān)性,且隨著溫度的增加,拉伸強度整體呈下降趨勢.例如:由圖7(a)中擬合曲線可知,當(dāng)加載率為800GPa/s、圍壓為0MPa時,25℃、250℃、450℃和700℃溫度荷載下的動態(tài)強度分別為30.43MPa、28.44MPa、26.66MPa和24.50MPa,與常溫狀態(tài)下大理巖的動態(tài)拉伸強度相比,250℃、450℃和700℃下的強度分別下降6.54%、12.39%和19.65%.隨著損傷溫度的增加,巖石動態(tài)拉伸強度的降低幅度也逐漸增加.
分析認(rèn)為,在250℃溫度損傷條件下,試樣波速出現(xiàn)大幅降低,但密度僅出現(xiàn)微弱下降,表明造成密度降低的原因是由于試樣中缺陷增加,但是缺陷多表現(xiàn)為沒有體積的微裂紋.微裂紋的出現(xiàn)是由于礦物的不均勻膨脹,使得試樣內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂紋,微裂紋的出現(xiàn)也導(dǎo)致了拉伸強度的降低.
當(dāng)溫度荷載升高到450℃后,大理巖的動態(tài)拉伸強度進(jìn)一步下降,這也是由于巖石的不均勻膨脹造成的.由于試樣微裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展,使得動態(tài)拉伸強度進(jìn)一步弱化.
當(dāng)溫度荷載升至700℃時,試樣內(nèi)部主要礦物成分由單一CaMg(CO3)2向兩種主要礦物CaCO3和活性MgO轉(zhuǎn)變[24].恒溫保存2h后,仍會存有少量未分解的白云石,在3種礦物并存下,礦物顆粒連接相比于450℃時更加弱化,巖石總孔隙增加,促使微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,這由試樣密度明顯下降和波速進(jìn)一步下降可知(圖2).由于礦物成分的改變和巖石內(nèi)部孔隙裂紋的增加,最終導(dǎo)致試樣動態(tài)拉伸強度在700℃時弱化效應(yīng)更為顯著[18,24].
為進(jìn)一步探究靜水壓條件對不同溫度損傷后試樣的動態(tài)拉伸強度影響規(guī)律,將上述試驗結(jié)果整理成固定溫度下,動態(tài)拉伸強度與靜水壓和加載率的關(guān)系,如圖8所示.圖8(a)~(d)對應(yīng)的固定溫度分別是常溫條件下(25℃)、250℃、450℃和700℃.可見固定溫度下,隨著靜水壓的增加,拉伸強度呈整體增加趨勢.例如:由圖8(a)中擬合曲線可知,在常溫條件、加載率為1000GPa/s時,0MPa、5MPa、10MPa和20MPa靜水壓對應(yīng)的動態(tài)拉伸強度分別為33.12MPa、44.99MPa、49.00MPa和53.28MPa.與0MPa相比,5MPa、10MPa和20MPa下的動態(tài)拉伸強度分別提高35.81%、47.92%和60.87%,可知在固定溫度荷載下,靜水壓越高,試樣的動態(tài)拉伸強度越大,說明圍壓的存在對提高巖石拉伸強度作用明顯;圖8(b)、(c)和(d)均有相似的趨勢.這一趨勢與靜水壓下花崗巖試驗動態(tài)拉伸強度一致[15].這是由于圍壓的存在不僅對巖石初始裂隙產(chǎn)生壓實作用,同時在巖石受動態(tài)加載時對裂紋的擴(kuò)展起到抑制作用,從而提升了試樣的拉伸強度.
同時,由圖8(a)可以看出,當(dāng)加載率為1000GPa/s時,常溫試樣在靜水壓由0MPa升至5MPa時,相應(yīng)的動態(tài)拉伸強度增幅最大,為35.81%,當(dāng)靜水壓增至10MPa和20MPa時,相應(yīng)增幅逐漸減小,分別為8.92%和8.73%.可見,隨著圍壓的進(jìn)一步增加,圍壓對試樣拉伸強度的弱化效應(yīng)會逐漸減弱.該現(xiàn)象在靜水壓下花崗巖的動態(tài)拉伸強度中也被發(fā)現(xiàn)[15].
這種高應(yīng)力條件下圍壓效應(yīng)逐漸減弱的現(xiàn)象在高溫處理的大理巖試樣中同樣存在,且較低溫條件下明顯.根據(jù)各溫度下單獨擬合結(jié)果,當(dāng)熱處理溫度為450℃時,靜水壓由5MPa提升到20MPa時,動態(tài)拉伸強度增加幅度(16.8%)小于常溫和250℃熱處理情況(15.7%).這可能是由于高溫處理后的巖石,在高圍壓下巖石材料由脆性逐漸向延性轉(zhuǎn)變造成的[31].由此可以推斷,當(dāng)達(dá)到一定深部時,巖石的拉伸強度不會隨著地應(yīng)力的增加而明顯增加,但仍會受加載率的顯著影響.同時,初始損傷大的巖石,強度受圍壓作用而增強的效應(yīng)會有所減弱.
通過采用改進(jìn)的帶圍壓SHPB裝置對4種溫度(25℃、250℃、450℃、700℃)損傷后的大理巖進(jìn)行了常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)測試、XRD測試及不同靜水壓下動態(tài)拉伸試驗,主要結(jié)論如下.
(1)房山大理巖在經(jīng)歷各級溫度荷載后,其密度在450℃之后急劇下降,縱波波速在250℃下降明顯,250℃之后下降較平緩.700℃后主要礦物成分由原來的碳酸鈣鎂(CaMg(CO3)2)轉(zhuǎn)換成碳酸鈣(CaCO3)和氧化鎂(MgO).
(2)在本試驗條件下,圍壓影響作用下的試樣拉伸應(yīng)力曲線表現(xiàn)出雙峰特征,這主要是由于側(cè)向圍壓的存在抑制了試樣的劈裂,使試樣拉伸破壞后繼續(xù)承載造成的,第1個峰值對應(yīng)的拉伸應(yīng)力為動態(tài)拉伸?強度.
(3)熱損傷房山大理巖動態(tài)拉伸試驗結(jié)果表明,受溫度損傷后的房山大理巖,在不同靜水壓下動態(tài)拉伸強度均具有明顯的率相關(guān)性.溫度對大理巖具有明顯的熱損傷效應(yīng),在同一圍壓和同一加載率情況下,隨著熱處理溫度的增加,動態(tài)拉伸強度出現(xiàn)不同程度的弱化現(xiàn)象,當(dāng)熱處理溫度超過450℃時,拉伸強度弱化現(xiàn)象更為明顯.
(4)在固定溫度下,靜水壓的存在對房山大理巖的動態(tài)拉伸強度有顯著的提升作用.然而,動態(tài)拉伸強度的增幅隨著圍壓的增加而有所減弱,即隨著地下工程埋深的增加,巖石的動態(tài)拉伸強度將不再顯著增加,但仍存在明顯的率相關(guān)性.當(dāng)試樣的熱處理溫度為450℃和700℃時,動態(tài)拉伸強度的圍壓效應(yīng)小于常溫(25℃)和250℃熱處理情況.這可能與高溫處理后的巖石在高圍壓狀態(tài)下發(fā)生了脆性向延性轉(zhuǎn)變有關(guān).
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Experimental Study of Dynamic Tensile Failure of Thermally Damaged Fangshan Marble Subjected to Hydrostatic Confinement
Xia Kaiwen1, 2,Cai Yingpeng1, 2,Xu Ying1, 2,Wang Shuai1, 2,Pan Yongqing3
(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2. School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China;3. China Water Northeastern Investigation,Design and Research Corporation Limited,Changchun 130021,China)
The environment of rocks in deep engineering applications is characterized by high temperatures and high in-situ stresses. During excavation,these rocks are affected by blasting,excavation unloading,earthquakes,and other dynamic loads. Therefore,understanding the dynamic tensile characteristics of thermally damaged rocks under in-situ stress conditions is crucial. In this study,Brazilian disk(BD)specimens made of homogeneous fine-grained Fangshan marble(FM) were heat-treated at various temperatures(25℃,250℃,450℃,and 700℃). Subsequently,a modified split Hopkinson pressure bar(SHPB)system with hydrostatic confinement was utilized to conduct dynamic tests on the BD specimens. Four groups of thermally damaged samples under hydrostatic confinements of 0MPa,5MPa,10MPa,and 20MPa were tested at different loading rates. The results showed the following. ①With an increase in the heat-treatment temperature,the internal microcracks in the marble increased and the mineral composition changed from CaMg(CO3)2to CaCO3and MgO. The density and longitudinal wave velocity values of the specimens decreased owing to increases in the heat-treatment temperature. ②The tensile stress-time curves of tests with confining pressure had two peaks,whereas those of tests without confinement had only one peak. This difference is mainly caused by the existence of lateral confining pressure,which suppresses the occurrence of splitting in the specimens such that the specimens continue to bear load even after tensile fracture. ③Under a given confining pressure,the dynamic tensile strength of the thermally damaged FM specimens increased with the loading rate. Further,the dynamic tensile strength decreased with increases in the treatment temperature at a given hydrostatic confining pressure and loading rate. ④At a given treatment temperature,the dynamic tensile strength increased with the confining pressure. However,the increment of the tensile strength decreased with the hydrostatic confinement. In addition,when the heat-treatment temperature of the sample exceeded 450℃,the confining pressure effect of the dynamic tensile strength was clearly lower than those at 25℃ and 250℃. This may be due to the brittle-to-ductile transition of the rock under high confining pressure after high-temperature treatment. These results indicate the dynamic tensile failure characteristics of thermally damaged rocks under hydrostatic confinement and provide theoretical guidance for ensuring the safety of deep-rock engineering construction and disaster prevention.
deep rock dynamics;thermal damage;dynamic tensile strength;split Hopkinson pressure bar (SHPB);Fangshan marble
TU45
A
0493-2137(2020)11-1136-10
10.11784/tdxbz202001002
2020-01-02;
2020-03-23.
夏開文(1973—??),男,博士,教授,kaiwen@tju.edu.cn.
徐?穎,maggie_xu@tju.edu.cn.
國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51704211);國家自然科學(xué)基金資助項目(51879184).
Supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China(No. 51704211),the National Natural Science Founda-tion of China(No. 51879184).
(責(zé)任編輯:金順愛)