循環(huán)荷載作用下泥巖動力特性

龍 慧,劉書文,莊 軻,梁海安

(1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會需求，越來越多的大型工程正在或?qū)⒁d建，這些建(構(gòu))筑物在使用過程中很可能受到地震作用、沖擊荷載等動力荷載的作用。在實際工程中，泥巖是一種較為常見的地基土體，與一般土質(zhì)地基相比，泥巖質(zhì)地基承載力相對較高，但泥巖屬于軟巖，其力學(xué)性質(zhì)較為特殊，為了更好的研究泥巖在地震作用、沖擊荷載等動力荷載下的動力性能，保證工程的安全性，需對循環(huán)荷載作用下泥巖的動力特性進(jìn)行深入研究。

段東等[1]利用CT圖像和聲發(fā)射技術(shù)，較好地反映出不同加載階段試件中微裂紋閉合、擴(kuò)展、分叉等細(xì)觀損傷活動及巖樣內(nèi)部微破裂、微裂紋的演化過程；王傳洋、段東[2-3]等對泥巖進(jìn)行了單軸壓縮下的同步CT 掃描試驗，描述了不同荷載水平下，泥巖細(xì)觀下裂紋演化與宏觀的變形特性；王春等[4]基于高軸壓與圍壓的試驗條件，分析了圍壓對巖石動應(yīng)力-應(yīng)變曲線及巖石破壞加載次數(shù)的影響。

范秋雁等[5]通過單軸壓縮無側(cè)限蠕變試驗和有側(cè)限蠕變試驗并配合掃描電鏡來分析泥巖的蠕變特性，實驗結(jié)果表明巖石的蠕變是巖石損傷效應(yīng)與硬化效應(yīng)共同作用的結(jié)果;劉海壯、吳仲衡等[6-7]分別通過試驗與數(shù)值模擬，分析了泥質(zhì)砂巖在不同圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及巖石的破壞形式，吳仲衡指出隨著圍壓的提高，巖石變形從脆性破裂向脆-塑變形(共軛裂縫)轉(zhuǎn)化。李福林等[8]通過對泥巖在 4 種不同加載速率(0.005、0.05、0.5 和 3 mm/min)下進(jìn)行的系列性單軸壓縮試驗，表明泥巖具有明顯的加載速率變化效應(yīng)且表現(xiàn)為等速黏性特性。

蔡國軍[9]等使用MTS815巖石力學(xué)試驗機(jī)在頻率為1 Hz的條件下對泥巖進(jìn)行7級循環(huán)加卸載試驗，發(fā)現(xiàn)泥巖動彈性模量隨著循環(huán)級數(shù)的增加逐漸減小，阻尼比則反之; 王金鵬等[10]同樣使用MTS815巖石力學(xué)試驗機(jī)研究了單軸循環(huán)荷載作用下泥巖與頁巖滯回面積、動彈性模量及阻尼比與循環(huán)加卸載次數(shù)間的變化關(guān)系；鄧華峰等[11]則通過巖石的單軸加卸載循環(huán)試驗，探究了在加卸載過程中能量及損傷演化規(guī)律，并提出了在殘余應(yīng)變及滯回效應(yīng)的影響下，各能量參數(shù)在循環(huán)加卸載過程中的修正方法；潘旦光、陳釩等[12-13]對飽和泥巖進(jìn)行了變幅分級循環(huán)荷載試驗，在變幅分級循環(huán)加載階段，阻尼比與動彈性模量都隨動應(yīng)力幅值的增加而增加;王軻等[14]在MTS815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)上對飽和泥巖與飽和砂巖進(jìn)行變幅分級循環(huán)荷載試驗，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅值不變時，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，阻尼比趨向于穩(wěn)定，應(yīng)力幅值越大，阻尼比越大;何明明等[15]研究了動彈性模量與應(yīng)力幅值間的響應(yīng)，建立了耗散能演化模型來描述循環(huán)荷載下能量耗散行為并提出阻尼參數(shù)的計算方法;劉建峰[16]等利用 MTS815 Flex Test GT 巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，對細(xì)砂巖和粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行單軸壓縮循環(huán)荷載下的試驗研究，發(fā)現(xiàn)巖石的加卸載循環(huán)塑性變形、滯回環(huán)面積、阻尼比、阻尼系數(shù)與巖石密度間的相關(guān)性。

已有對巖石動力特性的研究更多專注于高圍壓下巖石的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，或高頻激勵下巖石的率效應(yīng)，而多數(shù)情況下建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的埋深不大(如核電站)，巖體多處于低圍壓狀態(tài)。因而本文選取0.5 MPa和1 MPa作為巖樣施加的圍壓，同時湖南省內(nèi)及周邊無活躍近斷層，所受地震風(fēng)險以低頻成分較多的遠(yuǎn)場地震動為主，所以取0.2 Hz～2 Hz為巖石的加載頻率。在低圍壓狀態(tài)下對其施加循環(huán)荷載，研究泥巖在低圍壓低頻循環(huán)荷載作用下的巖石的破壞形式特性、動強(qiáng)度(模量)及滯回曲線面積特性。相關(guān)研究可為淺埋基巖建構(gòu)物的選址及抗震設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 實驗概述1.1 巖樣制備

試驗巖樣采自于湖南瀏陽市，巖樣為褐色塊狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中-強(qiáng)風(fēng)化。巖石樣品為標(biāo)準(zhǔn)巖樣即Φ50 mm×100 mm進(jìn)行加工，巖石樣品高度與直徑誤差分別小于2 mm和0.3 mm，且?guī)r石端面偏離軸向角度小于0.25°。樣品誤差滿足《工程巖體實驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50266—2013)》對巖體樣品的要求。為減少對試樣的擾動以保證試驗質(zhì)量，巖樣全程由保鮮膜包裹以減少水分蒸發(fā)對巖樣抗壓強(qiáng)度的影響。

1.2 試驗設(shè)備及步驟

如圖1所示，試驗儀器采用東華理工大學(xué)的微機(jī)伺服巖石三軸試驗機(jī)TAW-2000，該儀器最大試驗力：2000 kN；有效測量范圍：在最大試驗力的2%～100%范圍內(nèi)，測力精度≤±1%示值；圍壓系統(tǒng)：最大圍壓100 MPa，測力精度≤±2%示值；軸向變形范圍：0～5 mm，徑向變形范圍：0～3 mm，測量精度≤±1%示值。試驗設(shè)備能夠較好地滿足該實驗的實驗要求，保證試驗的順利進(jìn)行。

試驗過程中需要對巖樣進(jìn)行編號處理。以編號為M-A1巖樣為例，用泥巖單詞的首字母“M”表示泥巖，“-A1”為編號，具體見表1。加載過程中，振幅從0 kN開始進(jìn)行循環(huán)加載，每級振幅增加2，循環(huán)5次，每個循環(huán)結(jié)束回到0 kN；軸壓通過控制位移的方法實現(xiàn)加載；加載圍壓主要通過圍壓室液壓油施加圍壓，頻率為余弦函數(shù)形式，通過微機(jī)控制，當(dāng)巖樣壓壞時，停止試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 巖石破壞特征

如圖2所示，當(dāng)圍壓為0.5 MPa時，巖石破壞形式隨頻率的變化較大，隨著頻率的提高，由剪切破壞向劈裂破壞過渡。這是由于此時圍壓較低，當(dāng)加載頻率提高后，巖石上端加載面產(chǎn)生了較大的動力變形，在端部摩擦力的約束下(即端部效應(yīng)影響)，應(yīng)力在局部集中形成類似剛性楔(圖2(a)中上端三角形)，并向下劈裂。因此，當(dāng)建筑在使用過程中可能受到較大的沖擊荷載(如大型設(shè)備振動)作用時需要防止淺埋泥巖地基出現(xiàn)這種破壞。當(dāng)圍壓為1 MPa時，則以水平向的剪切破壞為主。

圖2 巖石受壓破壞照片F(xiàn)ig.2 Photos of rock failure under compression

如圖3所示，泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為四個階段。OA段為微裂隙壓密階段，在荷載加載初期，巖石內(nèi)部微裂隙、裂縫等缺陷被壓縮擠密，曲線下凹，形成早期非線性變形；AB段為彈性變形階段，巖樣中原有裂隙繼續(xù)被壓密，與之前相比，巖石內(nèi)部缺陷減少，使材料更為理想，此階段內(nèi)認(rèn)為巖石的應(yīng)力與應(yīng)變同步增長，故在軸力的作用下，曲線接近一條直線；BC段為裂隙的發(fā)生、擴(kuò)展直至破壞階段，在荷載的持續(xù)加載過程中，形成新的微裂縫，加載方向裂隙不斷發(fā)展，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，裂隙擴(kuò)展交接形成滑動面，導(dǎo)致巖石試件完全破壞；CD段為不穩(wěn)定階段，巖樣通過峰值強(qiáng)度后，結(jié)構(gòu)遭到破壞，試件基本保持整體形狀，此后巖石變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，其承載力降低較快，但并不降為零，說明巖石破壞后仍有一定的承載力。

圖3 泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ3=0.5 MPa，f=0.5 Hz)Fig.3 Stress strain curve of mudstone (σ3=0.5 MPa，f=0.5 Hz)

2.2 巖石動抗壓強(qiáng)度

如表1所示，泥巖的動抗壓強(qiáng)度，在0.2 Hz～1 Hz范圍內(nèi)，主要呈現(xiàn)減小趨勢，主要是由于泥巖強(qiáng)度較低，在較低的加載頻率下，其動力響應(yīng)較為顯著，巖石變形較大，導(dǎo)致泥巖動抗壓強(qiáng)度略低于靜抗壓強(qiáng)度；當(dāng)頻率達(dá)到2 Hz時，泥巖的率效應(yīng)較為顯著，且隨著圍壓的提高，動抗壓強(qiáng)度均有較大提高。

表1 泥巖基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of mudstone

由實驗結(jié)果可知，巖樣M-B1和M-C2抗壓強(qiáng)度明顯低于巖石其他巖石抗壓強(qiáng)度，可能是其內(nèi)部存在節(jié)理造成的，故巖石抗壓強(qiáng)度較低，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，并未考慮這兩個巖樣。如表1所示，巖樣(M-B1)的抗壓強(qiáng)度明顯較小，主要是巖石是一種不連續(xù)非均質(zhì)多空材料，其內(nèi)部可能存在缺陷，導(dǎo)致其力學(xué)實驗結(jié)與其它巖樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的離散性，故在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，并未考慮巖樣(M-B1)的影響。巖的單軸抗壓強(qiáng)度為8.18 MPa；當(dāng)σ3=0.5 MPa,f=0.5 Hz、1 Hz、2 Hz時，與泥巖靜抗壓強(qiáng)度對比，在0.5 Hz、1 Hz范圍內(nèi)，動抗壓強(qiáng)度分別降低了8.2%和3.1%，在2 Hz時，動抗壓強(qiáng)度提高了53.5%；當(dāng)σ3=1 MPa,f=0.2 Hz、1 Hz、2 Hz時，在0.2 Hz、1 Hz范圍內(nèi)，與泥巖靜抗壓強(qiáng)度對比，動抗壓強(qiáng)度分別降低了0.005%和12.1%，在2 Hz時，動抗壓強(qiáng)度提高了68.9%?？梢娫? Hz范圍內(nèi)，加載頻率對泥巖抗壓強(qiáng)度總體影響不大，而在加載頻率達(dá)到2 Hz時，巖石動強(qiáng)度有明顯提高。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線

以圍壓為0.5 MPa、加載頻率為0.5 Hz的巖樣為例，如圖4所示。在循環(huán)荷載作用下，隨著荷載的增加，滯回曲線面積明顯增加，并向應(yīng)變增大方向移動。同一級加載水平下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回曲線向應(yīng)變增大方向平移，說明在同一級加載水平下，每次加卸載作用下，泥巖均產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形。

圖4 循環(huán)荷載作用下巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress strain curve of rock under cyclic loading

如圖5(a)所示，在圍壓相同的條件下，隨頻率的增加，滯回曲線面積與頻率間并無明顯的相關(guān)性；在0.5 MPa～1 MPa的圍壓下，滯回曲線面積與圍壓間并無明顯的相關(guān)性。

如圖5(b)所示，泥巖在同一級加載幅值下，隨循環(huán)次數(shù)的增加，滯回曲線面積逐漸減小，且第一次循環(huán)下，滯回曲線面積均明顯大于第2～4次循環(huán)時的面積。同樣，第一次循環(huán)下，滯回曲線的殘余應(yīng)變均也明顯大于第2～4次循環(huán)時的殘余應(yīng)變，第一次循環(huán)作用下滯回環(huán)殘余應(yīng)變較大的現(xiàn)象與張媛[17]實驗具有一致性。滯回曲線面積的大小與巖石耗能和內(nèi)部疲勞損傷的大小有著正相關(guān)性。由此可知，泥巖隨著加載幅值的增加，泥巖的能量耗散與損傷不斷加劇。在同一級加載幅值作用下，能量的耗散與損傷隨循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢，在加載階段面積隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，卸載階段面積隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大并趨于穩(wěn)定，故滯回環(huán)面積隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小[17]。

圖5 循環(huán)荷載及頻率作用下巖石滯回曲線面積Fig.5 Hysteretic curve area of rock under cyclic load and frequency

2.4 動彈性模量Ed

動彈性模量與阻尼比的計算公式[18]如下：

A：圖6中ABCDA面積，反應(yīng)了巖石在加、卸載作用下，能量損耗大??；AS:△AFE面積，代表峰值所對應(yīng)的彈性能。

圖6 循環(huán)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress strain curve under cyclic loading

在加載初期，泥巖動彈性模量波動較大，故部分巖樣未取加載初期動彈性模量。如圖7所示，在0.5MPa～1MPa的圍壓下，加載頻率為0.2Hz～2Hz的條件下，泥巖的動彈性模量均隨加載幅值的增加逐漸減小,與蔡國軍[9]實驗結(jié)果具有一致性。同一圍壓作用下,Ed隨頻率的增加，無明顯改變。在加載初期，隨著圍壓的增加，Ed普遍高于低圍壓下的巖樣；隨著加載幅值的增加，0.5MPa與1MPa下的巖樣Ed并無明顯差別；隨著加載幅值的增加，Ed先減小后趨于3 600MPa至3 800MPa區(qū)間內(nèi)(σ3=1MPa,f=2Hz的泥巖除外)，直至破壞。

圖7 循環(huán)荷載作用下Ed-加載幅值曲線Fig.7 Curve of dynamic elastic modulus and loading amplitude under cyclic loading

3 結(jié) 論

1)在0.2Hz～2Hz循環(huán)荷載及不同圍壓作用下，巖石破壞形式有所不同；當(dāng)圍壓為0.5MPa時，巖石破壞形式隨頻率的變化較大，隨著頻率的提高，由剪切破壞向劈裂破壞過渡；當(dāng)圍壓為1MPa時，巖石以剪切破壞為主。

2)在0.5MPa～1MPa的圍壓和0.2Hz～1Hz的加載頻率下，泥巖動抗壓強(qiáng)度峰值主要呈現(xiàn)減小趨勢。當(dāng)加載頻率為2Hz時，隨著圍壓的提高，泥巖動抗壓強(qiáng)度均有較大提高。

3)圍壓由0.5MPa～1MPa的變化過程中，同一幅值作用下，滯回曲線面積隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)減小趨勢；Ed先減小后趨于3 600MPa至3 800MPa區(qū)間內(nèi)，直至破壞；滯回曲線面積和Ed在0.5MPa～1MPa圍壓下，其變化規(guī)律與加載頻率無明顯相關(guān)性。