反復(fù)一維沖擊下鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性SHPB試驗(yàn)研究

戴國(guó)亮， 歐陽(yáng)浩然， 秦 偉， 朱文波， 龔維明， 張程鋒

( 1. 東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189；2. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 211189；3. 溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325027)

鈣質(zhì)砂廣泛分布于N30°～S30°的海洋環(huán)境中，在我國(guó)主要分布在南海領(lǐng)域，其主要成分為CaCO3，主要由珊瑚和其他海洋生物碎屑組成，這些碎屑是在高溫海洋環(huán)境中通過水和風(fēng)的短期輸送沉積而來[1]。鈣質(zhì)砂在熱帶和淺海環(huán)境中的礦產(chǎn)資源開發(fā)中受到了廣泛關(guān)注[2]。鈣質(zhì)砂多為次棱角至棱角狀的多孔顆粒[3]，摩擦角在37°～45°[4]。以往研究表明，多孔鈣質(zhì)砂的力學(xué)行為與實(shí)心石英砂有很大的不同。由于顆粒重排、顆粒間空隙和局部不穩(wěn)定性(凹凸體和空隙的破壞)，鈣質(zhì)砂的蠕變大于具有相同相對(duì)密度的石英砂[5]，膠結(jié)程度、循環(huán)荷載強(qiáng)度、孔隙率都是影響鈣質(zhì)砂動(dòng)力特性的因素。研究反復(fù)沖擊下鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性能夠給鈣質(zhì)砂地層中打樁提供參考。

分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)試驗(yàn)技術(shù)經(jīng)過Kolsky[6]以及Davies[7]的改進(jìn)與發(fā)展，形成了一套完整研究材料動(dòng)力特性的試驗(yàn)方法，作為沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分，可用于多種材料受沖擊后各種工況：壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等的動(dòng)力特性研究[8-11]。Fletcher等[12]早在1967年就使用SHPB采集到土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對(duì)土的特性進(jìn)行了研究。近二十年來，對(duì)SHPB裝置進(jìn)行了改進(jìn)，引入了脈沖整形技術(shù)，以便于在低阻抗材料上建立動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡和恒定應(yīng)變率條件[13]。采用脈沖整形的改良SHPB設(shè)備，對(duì)鋼套管約束的Eglin砂在高應(yīng)變率和約束條件下的力學(xué)行為進(jìn)行了表征[14]。在高達(dá)100 MPa的壓應(yīng)力和1 000 s-1的高應(yīng)變率下，對(duì)粗、細(xì)和級(jí)配石英砂進(jìn)行了研究[15]。通過在改良SHPB上施加主動(dòng)液壓限制，高常輝等進(jìn)行了不同圍壓和不同應(yīng)變率條件下水泥粉質(zhì)黏土的SHPB試驗(yàn)，研究圍壓狀態(tài)下水泥粉質(zhì)黏土的沖擊壓縮特性[16]。然而，上述研究中的砂土多為陸相砂，針對(duì)海相鈣質(zhì)砂的研究目前還不多。

我國(guó)在南海開展的工程建設(shè)如海上風(fēng)電、跨海工程和人工島礁等，都涉及到在鈣質(zhì)砂地層進(jìn)行樁基工程建設(shè)。由于海上作業(yè)的特殊性，常采用易打入、工期短的鋼管樁作為基礎(chǔ)。錘擊沉樁過程中，位于樁端的土體會(huì)遭受反復(fù)沖擊壓縮作用，在這種工況下鈣質(zhì)砂土的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)于樁的可打性以及安裝完成后樁端承載性能有一定影響，因此有必要開展在反復(fù)沖擊下鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究，以探明鈣質(zhì)砂土體在反復(fù)一維沖擊下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，為工程實(shí)際提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參考。本文利用SHPB試驗(yàn)技術(shù)，研究沖擊次數(shù)、含水率和相對(duì)密實(shí)度等因素對(duì)鈣質(zhì)砂土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，并設(shè)置石英砂作對(duì)照組，研究鈣質(zhì)砂土在反復(fù)沖擊荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、一維壓縮特性以及吸能特性。

1 SHPB試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)砂樣

試驗(yàn)采用南海某珊瑚島礁鈣質(zhì)砂和福建標(biāo)準(zhǔn)石英砂，級(jí)配曲線如圖1所示。測(cè)得石英砂顆粒相對(duì)密度為2.59，最大最小干密度為1.69 g·cm-3和1.43 g·cm-3；鈣質(zhì)砂顆粒相對(duì)密度2.73，最大最小干密度為1.28 g·cm-3和1.08 g·cm-3，不均勻系數(shù)Cu=2.13。由于兩種砂樣顆粒形狀和骨架結(jié)構(gòu)不同，其最大、最小孔隙比也不相同，鈣質(zhì)砂樣的最大、最小孔隙比依次為1.37,1.03，石英砂樣的最大、最小孔隙比依次為0.83,0.62。砂樣具體性質(zhì)如表1所示。

圖1 顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution

表1 砂樣性質(zhì)Tab.1 Sand properties

1.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用東南大學(xué)-蒙納士大學(xué)蘇州巖土動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的霍普金森桿測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示。SHPB測(cè)試系統(tǒng)主要由氣槍、子彈、入射桿、試樣固定裝置、透射桿、阻尼器組成。對(duì)于砂試樣的SHPB試驗(yàn)，入射桿和透射桿需要相對(duì)較大直徑，因此采用直徑50 mm，楊氏模量E0=200 GPa，波速c0=5 200 m/s的鋼制桿件，入射桿和透射桿長(zhǎng)度分別為2 500 mm和2 000 mm。子彈可選長(zhǎng)度為200 mm、400 mm。氣槍由高純度氮?dú)怛?qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)子彈以一定速度撞擊入射桿，形成入射波，由于存在較大的波阻抗，應(yīng)力波在入射桿和試樣的交界面形成反射波和透射波。應(yīng)變由安裝在入射桿和透射桿上的壓電薄膜式應(yīng)變片(最大采樣率為250 MS/s)記錄(見圖2)。兩個(gè)應(yīng)變片都固定在試樣和壓桿之間，脈沖由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。

圖2 SHPB試驗(yàn)和裝樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of SHPB tests and sand preparation

本次試驗(yàn)中設(shè)計(jì)4340鋼護(hù)筒作為砂樣夾持器(見圖2)。它的內(nèi)徑為50.05 mm，外徑為60.05 mm。使用兩個(gè)直徑50 mm、厚度30 mm的墊塊固定砂樣。墊塊與鋼套管之間有一個(gè)圓形排水邊界(即0.025 mm的空隙)用于排出空氣壓力。使用入射桿和透射桿材料相同的墊塊，以消除桿和墊塊之間的不連續(xù)性。為了消除端部摩擦以及慣性效應(yīng)，試樣的長(zhǎng)徑比由式(1)確定

(1)

式中，ls，ds和v分別為試樣厚度、直徑和泊松比。本文就25 mm，15 mm，10 mm三種厚度開展預(yù)試驗(yàn)，結(jié)果顯示25 mm厚度試樣透射波微弱且應(yīng)力較難平衡，原因在于砂樣與桿件間存在巨大的阻抗差，入射波在交界面主要進(jìn)行反射導(dǎo)致透射波微弱，10 mm和15 mm厚度的試樣表現(xiàn)良好。為了便于比較，最終本次試驗(yàn)統(tǒng)一試樣厚度為10 mm。

在低阻抗土的SHPB試驗(yàn)中，試樣的動(dòng)應(yīng)力平衡是具有挑戰(zhàn)性的問題。一種方法是增加波的持續(xù)時(shí)間，提供足夠的時(shí)間使波在試件中多次傳播，從而達(dá)到應(yīng)力平衡；另一種方法是通過增加沖擊器的長(zhǎng)度以及使用脈沖整形技術(shù)，增大入射波的振幅和持續(xù)時(shí)間[17]。本文中，使用第二種方法即使用脈沖整形技術(shù)來消除高頻振蕩，以減少波的彌散。根據(jù)Song等對(duì)銅盤、紙和薄橡膠三種脈沖整形器的比較結(jié)果，選用整形效果最佳的薄橡膠作為整形器。

因?yàn)殁}質(zhì)砂易被壓碎，所以每一個(gè)試樣都是從新鮮的貨源中制備的。具體裝樣步驟如圖2所示：①確定試樣的厚度；②從護(hù)筒一側(cè)裝入一塊試樣墊塊，并用螺母固定試樣墊塊，在護(hù)筒內(nèi)壁涂抹凡士林，消除沖擊時(shí)墊塊及壓桿與護(hù)筒的摩擦；③從護(hù)筒另一側(cè)裝入試樣，參考Selig等[18]的方法分三層裝樣，從底層到頂層分別占總質(zhì)量的36.7%、33.3%和30%，將試樣置于護(hù)筒的中心位置；④之后將另一塊試樣墊塊裝入護(hù)筒，并用螺母固定試樣墊塊；⑤將裝好的護(hù)筒置于固定裝置，調(diào)節(jié)護(hù)筒確保護(hù)筒的中心縱向線水平，并與霍普金森桿的中心縱向線在一條線上；⑥將霍普金森桿與護(hù)筒交接套住，在端面涂抹凡士林，確保霍普金森桿端面與試樣墊塊的端面充分接觸；⑦核準(zhǔn)護(hù)筒是否水平，并開展測(cè)試。

共開展了8組SHPB試驗(yàn)其中包含2組標(biāo)定試驗(yàn)、2組單粒徑砂試驗(yàn)和4組級(jí)配砂試驗(yàn)。主要就鈣質(zhì)砂和石英砂兩種砂樣，主要考慮了沖擊次數(shù)的影響，并加入含水率以及相對(duì)密實(shí)度等因素的對(duì)比試驗(yàn)，表2總結(jié)了全部試驗(yàn)工況，對(duì)各試驗(yàn)組均進(jìn)行10次反復(fù)沖擊，10次沖擊后各試樣的軸向壓縮量基本不會(huì)發(fā)生變化，如若不然繼續(xù)沖擊至試樣厚度不再變化時(shí)試驗(yàn)終止。每次試驗(yàn)重復(fù)2～4次。

表2 SHPB試驗(yàn)組安排Tab.2 Test schedule

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 標(biāo)定試驗(yàn)分析

如上所述，在制備砂樣之前，對(duì)傳統(tǒng)的SHPB設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。試驗(yàn)前，對(duì)改進(jìn)后的SHPB設(shè)備進(jìn)行了兩次無砂樣標(biāo)定試驗(yàn)01和試驗(yàn)02，為了判斷護(hù)筒和墊塊是否對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。如圖3所示為標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，兩組試驗(yàn)在空打情況下入射桿和透射桿的波形重合度均較好，表明試驗(yàn)結(jié)果有效。試驗(yàn)01的上升沿時(shí)間約為140 μs，試驗(yàn)02的上升沿時(shí)間約為150 μs，說明橡膠整形器整形效果良好；如圖3(b)所示，增加護(hù)筒和墊塊后，可以發(fā)現(xiàn)護(hù)筒的應(yīng)變變化很小，說明護(hù)筒不影響試驗(yàn)結(jié)果，添加墊塊后入射波的應(yīng)變與透射波和反射波應(yīng)變之和幾乎相同，說明墊塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也沒有影響。在300 μs后，護(hù)筒、入射桿和透射桿發(fā)生了輕微震顫，究其原因?yàn)閺浬⑿?yīng)所致，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可以忽略。

圖3 標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Calibration test results

2.2 動(dòng)應(yīng)力平衡

(2)

(3)

(4)

式中：E0和c0分別為壓桿的彈性模量和彈性波速；A0，As，ls依次為壓桿橫截面積、試樣橫截面積、試樣厚度。試樣的動(dòng)應(yīng)力平衡是衡量SHPB試驗(yàn)有效性的重要手段?；谝痪S波假設(shè)和三波法計(jì)算試樣前后端面應(yīng)力，如圖4所示為試驗(yàn)組07鈣質(zhì)砂、08石英砂前后端面應(yīng)力時(shí)程曲線。由于大多數(shù)入射脈沖被低阻抗砂土試樣反射，僅產(chǎn)生一個(gè)很小的透射脈沖，所以計(jì)算的應(yīng)力在初始加載和最終卸載階段有偏差。但仍可以看到鈣質(zhì)砂樣前后端應(yīng)力時(shí)程幾乎重疊，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

圖4 砂樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡Fig.4 Dynamic stress equilibrium in sand samples

2.3 動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖5是0.25～0.50 mm單粒徑鈣質(zhì)砂樣和石英砂樣受到反復(fù)沖擊作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖5中可知，石英砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線在慣性區(qū)基本呈線性，此時(shí)軸向應(yīng)變來源于單個(gè)顆粒的變形。慣性區(qū)之后是向下的凹形曲線，顆?；瑒?dòng)并滾動(dòng)到空隙中，應(yīng)變由土壤骨架變形引起，導(dǎo)致土壤骨架屈服，然后在剪切變形和壓實(shí)中不斷發(fā)展。隨著軸向荷載的不斷增大，顆粒重新排列，顆粒之間接觸面和摩擦力增大，阻止顆粒進(jìn)一步滑動(dòng)和滾動(dòng)。壓縮砂土的一維動(dòng)力響應(yīng)受粒徑、形狀、級(jí)配、表面結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)等顆粒特性的影響。本文中兩種砂樣粒度和級(jí)配相同，但顆粒形狀和礦物組成不同：石英砂呈次圓形至圓形，鈣質(zhì)砂呈次棱角狀至棱角狀，鈣質(zhì)砂的摩擦角大于石英砂。另外，由于石英砂主要由SiO2組成，鈣質(zhì)砂主要由CaCO3組成，鈣質(zhì)砂比石英砂更容易破碎。因此，兩種砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變行為不同，具體分析如下：

(1)鈣質(zhì)砂在初始加載階段表現(xiàn)出明顯的壓縮響應(yīng)。根據(jù)Charlie的標(biāo)準(zhǔn)[19]，將慣性區(qū)內(nèi)近似線性的斜率定義為動(dòng)態(tài)表觀模量。首次沖擊下石英砂的表觀模量約為1.35 GPa，而鈣質(zhì)砂的表觀模量為0.14 GPa，動(dòng)荷載作用下鈣質(zhì)砂的表觀模量約為石英砂的10 %。

(2)鈣質(zhì)砂的應(yīng)變變化量大于石英砂，說明鈣質(zhì)砂比石英砂具有更大的壓縮性，這可能是因?yàn)殁}質(zhì)砂多孔、易碎且呈棱角狀，其體積變化是由于微凸體和孔隙的破壞造成的，例如初始荷載下孔隙附近的局部不穩(wěn)定和變形。隨著沖擊次數(shù)的增加，局部失穩(wěn)逐漸擴(kuò)展到整體破壞。顆粒中的一些孔隙相互交錯(cuò)，被小顆粒填充。因此，鈣質(zhì)砂土表現(xiàn)出屈服和應(yīng)變硬化的特征，這種屈服和應(yīng)變硬化總是伴隨著顆粒破碎，就像巖石中填充的節(jié)理一樣[20]。

(3)在反復(fù)沖擊多次后，鈣質(zhì)砂試樣的動(dòng)態(tài)表觀模量不斷增長(zhǎng)最終穩(wěn)定到0.18 GPa，石英砂試樣的動(dòng)態(tài)表觀模量在第5次沖擊時(shí)增加到1.58 GPa，第10次沖擊后達(dá)到1.71 GPa，仍為鈣質(zhì)砂試樣的10倍左右；兩種試樣的壓縮量都呈不斷減小的趨勢(shì)。從宏觀角度來看是由于隨著反復(fù)沖擊過程的進(jìn)行，砂樣發(fā)生破碎不斷密實(shí)，其剛度增強(qiáng)，可壓縮性減弱。

圖5 鈣質(zhì)砂樣和石英砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Relationships of stress-strain of calcareous sand and silica sand

圖6為不同含水率級(jí)配砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖6中可知，首次沖擊下35%含水率鈣質(zhì)砂的剛度小于5%和15%含水率砂樣(如圖6中零點(diǎn)處三條直線斜率所示，35%含水率砂樣斜率最小)。這可能是因?yàn)殁}質(zhì)砂顆粒具有豐富的內(nèi)孔隙，含水量較低的鈣質(zhì)砂中的孔隙水主要儲(chǔ)存在顆粒的內(nèi)部孔隙中，因此潤(rùn)滑效果降低，但顆粒本身的剛度變大，當(dāng)含水量為35%時(shí)，孔隙水粘附在顆粒的外表面，從而減少顆粒之間的摩擦，導(dǎo)致含水量較高的鈣質(zhì)砂的剛度明顯小于含水量較低的鈣質(zhì)砂。同樣在首次沖擊下，5%和15%含水率砂樣的應(yīng)變小于35%含水率砂樣，原因在于高含水率試樣，其孔隙水附著于顆粒外表面起到減小顆粒間摩擦力的作用，可壓縮性要強(qiáng)于低含水率試樣。在反復(fù)沖擊10次后，三種含水率的砂樣均表現(xiàn)出剛度增大、可壓縮性減小的現(xiàn)象，原因可以用Stefan效應(yīng)來解釋，多次沖擊后顆粒發(fā)生破碎，大孔隙被破碎生成的小顆粒填充形成更小的孔隙，根據(jù)Stefan效應(yīng)[21]所述孔隙越細(xì)黏結(jié)力越大，表現(xiàn)為剛度增強(qiáng)可壓縮性減小。此外，35%含水率砂樣在沖擊10次時(shí)，應(yīng)變變化量超過0.06后曲線變得陡峭，推測(cè)此時(shí)試樣達(dá)到飽和。

圖6 不同含水率試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Relationships of stress-strain of samples with different moisture content

如圖7所示，是相對(duì)密實(shí)度分別為90%和60%的鈣質(zhì)砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可知，鈣質(zhì)砂的動(dòng)態(tài)表觀模量隨相對(duì)密實(shí)度的增大而增大，應(yīng)變變化量隨相對(duì)密實(shí)度的增加而減小。反復(fù)沖擊10次后，兩組試樣的動(dòng)態(tài)表觀模量以及最終應(yīng)變十分接近，表明反復(fù)沖擊不斷密實(shí)的過程中兩組砂樣的物理特性逐漸趨于一致，即在反復(fù)沖擊下鈣質(zhì)砂土動(dòng)力特性對(duì)相對(duì)密實(shí)度的敏感性減弱。

圖7 不同相對(duì)密實(shí)度試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Relationships of stress-strain of samples with different relative density

2.4 一維壓縮特性

根據(jù)式(5)作孔隙比e與軸向壓力的對(duì)數(shù)(lgp)的關(guān)系曲線，分析兩種砂樣的一維壓縮特性。

ei=e0-εi(1+e0)

(5)

式中:ei和εi分別為i時(shí)刻砂樣的孔隙比和應(yīng)變;e0為初始孔隙比。軸向壓力p即為應(yīng)力σz(t)。得到的曲線如圖8所示，e-lgp曲線出現(xiàn)兩個(gè)線性加載段和一個(gè)卸載段。石英砂的第一加載段與卸荷段幾乎平行，而鈣質(zhì)砂的第一加載段比卸荷段陡。換言之，鈣質(zhì)砂在第一個(gè)加載階段的變形是塑性的。

圖8 不同砂樣的e-lg p曲線Fig.8 e-lg p curves of sand samples

第二個(gè)線性加載段的斜率是壓縮指數(shù)Cc，表征砂的壓縮性。首次沖擊下，鈣質(zhì)砂和硅質(zhì)砂的壓縮指數(shù)分別為0.87和0.41。顯然，鈣質(zhì)砂的壓縮性比硅質(zhì)砂大。一維壓縮土的屈服壓力pc是指引起天然土破壞的有效垂直應(yīng)力，由此可以確定兩線性加載段之間的過渡壓力。首次沖擊下石英砂和鈣質(zhì)砂的屈服壓力分別約為pc-si(1)=9.33 MPa和pc-cal(1)=3.20 MPa。首次沖擊下，石英砂的屈服壓力約為相同相對(duì)密度鈣質(zhì)砂屈服壓力的3倍，意即引起鈣質(zhì)砂顆粒大量破碎、重組的應(yīng)力水平約為石英砂的1/3。

重復(fù)沖擊多次，鈣質(zhì)砂的壓縮指數(shù)減小與前述的反復(fù)沖擊后可壓縮性減弱相對(duì)應(yīng)，在第5次沖擊后穩(wěn)定在0.53左右，其第一加載段的陡峭程度隨沖擊次數(shù)的增加有所平緩，5次沖擊后屈服應(yīng)力不再有明顯變化，穩(wěn)定在pc-cal(5,10)=6.14 MPa左右。石英砂在反復(fù)一維沖擊壓縮下，屈服應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增大而略有增大，壓縮指數(shù)則變化不大。在第10次沖擊后壓縮指數(shù)Cc(10)=0.43，屈服應(yīng)力pc-si(10)=12.54 MPa約為鈣質(zhì)砂的2倍。

2.5 吸能特性

吸能效率EN由Miltz等[22]提出用來評(píng)價(jià)材料吸能特性的重要參數(shù)，其表達(dá)式為

(6)

式中:σz為軸向應(yīng)力;εz為軸向應(yīng)變。圖9為各試樣的吸能效率曲線，EN曲線反映材料自身特性，用于表征材料一維壓縮變形過程中不同應(yīng)力對(duì)應(yīng)的吸能效率。

圖9(a)為鈣質(zhì)砂樣和石英砂樣吸能效率的對(duì)比。首次沖擊下，在達(dá)到平臺(tái)應(yīng)力之前，兩種砂樣的應(yīng)力均快速增加，但吸能效率EN均較小，表明該階段沖擊荷載的輸入功僅有小部分被試樣吸收，吸能效率較低。相比于石英砂，相同應(yīng)力下鈣質(zhì)砂具有更高的吸能效率，且其平臺(tái)應(yīng)力值較低，這是由于鈣質(zhì)砂多孔隙且易破碎，沖擊荷載下易壓縮且多為塑性應(yīng)變。此后維持在平臺(tái)應(yīng)力階段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)兩種砂樣的吸能效率快速上升。反復(fù)多次沖擊后吸能效率隨應(yīng)力增長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。

圖9(b)為含水率對(duì)吸能效率的影響，非飽和鈣質(zhì)砂的吸能效率隨含水率變化不明顯。在反復(fù)沖擊下，不同含水率試樣吸能效率的增長(zhǎng)速度減緩，15%和33%含水率試樣吸能效率變化趨勢(shì)幾乎一致，表明兩種試樣已接近飽和或者已經(jīng)飽和，顆粒的骨架體系承載性能被削弱，吸能效率不再隨沖擊發(fā)生明顯改變。

圖9(c)展示了相對(duì)密實(shí)度對(duì)吸能效率的影響。首次沖擊時(shí)，吸能效率隨著相對(duì)密實(shí)度的增加而減小。隨著多次沖擊，不同密實(shí)度砂樣的吸能效率曲線逐漸接近，表明兩試樣的物理特性在反復(fù)沖擊不斷密實(shí)的過程中趨于接近，表現(xiàn)出相似的能量吸收特性。

圖9 試樣吸能效率Fig.9 Energy absorption efficiency of samples

3 結(jié) 論

本文利用改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)設(shè)備開展了一系列南海鈣質(zhì)砂和福建標(biāo)準(zhǔn)砂的試驗(yàn)研究，研究鈣質(zhì)砂樣和石英砂樣在反復(fù)一維沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)、一維壓縮特性以及吸能特性，分析不同砂樣、沖擊次數(shù)、含水率和相對(duì)密實(shí)度等因素對(duì)上述特性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)相同條件下，鈣質(zhì)砂在首次沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)表觀模量約為石英砂的10%，多次沖擊后兩種砂樣的表觀模量不斷增加，但石英砂的動(dòng)態(tài)表觀模量仍約為鈣質(zhì)砂的10倍。鈣質(zhì)砂比石英砂具有更大的壓縮性，多次沖擊后兩種砂樣不斷密實(shí)，可壓縮性減弱；首次沖擊下，高含水率鈣質(zhì)砂試樣剛度小于低含水率試樣。反復(fù)沖擊后，高含水率試樣達(dá)到飽和，孔隙水作為主要承載，試樣不易壓縮；鈣質(zhì)砂的表觀模量隨相對(duì)密實(shí)度的提高而增大。

(2)不論是第一次沖擊還是反復(fù)沖擊，鈣質(zhì)砂的壓縮指數(shù)Cc都大于石英砂。首次沖擊下的造成大量破壞的應(yīng)力點(diǎn)約為石英砂的1/3，隨著荷載的增加，鈣質(zhì)砂顆粒從局部失穩(wěn)破碎到整體破碎。反復(fù)沖擊后鈣質(zhì)砂的屈服應(yīng)力增為石英砂的一半。

(3)鈣質(zhì)砂和石英砂在首次沖擊荷載下的吸能效率均處于一個(gè)較低的水平，比較來看鈣質(zhì)砂高于石英砂，這是由土的自身特性所致；非飽和鈣質(zhì)砂的吸能效率隨含水率變化不明顯，反復(fù)沖擊后試樣接近飽和表現(xiàn)出相近的吸能效率；相對(duì)密實(shí)度高的試樣在首次沖擊時(shí)吸能效率比相對(duì)密實(shí)度低的試樣小，多次沖擊后兩者差異變小。

(4)SHPB試驗(yàn)是研究材料動(dòng)力特性的重要方法，在夯土和打樁工程中反復(fù)沖擊壓縮土體的情況十分常見，我國(guó)的南海島礁建設(shè)涉及到鈣質(zhì)砂地層問題也是現(xiàn)在的熱點(diǎn)問題，利用SHPB試驗(yàn)技術(shù)探究反復(fù)沖擊壓縮鈣質(zhì)砂土有利于探明土體在循環(huán)沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，為實(shí)際工程建設(shè)提供參考。