弱風(fēng)化花崗巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究

趙 寧 董 碩 陳熙宇 殷 達(dá) 劉若濤 榮 冠

(1.中交廣州航道局有限公司,廣州 510290;2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)

隨著地下空間開發(fā)、礦產(chǎn)資源開采、海洋能源開發(fā)及航海工程的縱深向發(fā)展,巖石的儲(chǔ)存條件變得更為復(fù)雜.越來越多跨海交通工程的興起,水下硬巖開挖及巖質(zhì)工區(qū)疏浚等需求越來越大[1-3].與常規(guī)靜載條件相比,在水下爆破,機(jī)械采掘等動(dòng)荷載擾動(dòng)下,處于高應(yīng)變率和水化學(xué)腐蝕下的試樣動(dòng)力學(xué)性能發(fā)生很大的變化.

近些年來,隨著地震、巖爆等現(xiàn)象頻繁發(fā)生,對(duì)巖石動(dòng)力學(xué)研究越來越重視,國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了許多相關(guān)研究,取得了一定的研究成果.Attewell等[4-5]用SHPB裝置研究不同加載率的花崗巖動(dòng)力學(xué)特性變化.Hakalehto[6]研究分析花崗巖、砂巖以及大理巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性,結(jié)果表明巖石的屈服強(qiáng)度不具有明顯的相關(guān)性,且?guī)r石的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)均比靜力學(xué)參數(shù)大,其中動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度約為靜態(tài)屈服強(qiáng)度的1.5～2倍.李曉鋒等[7]用SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)白云巖、灰?guī)r和砂巖進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),研究三類巖石高應(yīng)變率下巖石力學(xué)特性及損傷變形特征,研究表明三類巖石的動(dòng)屈服強(qiáng)度有明顯的率相關(guān)性,彈性模量與應(yīng)變率沒有明顯的關(guān)系.Selyutina等[8-10]對(duì)飽水砂巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),表明動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨加載率的增大而提高,飽水對(duì)試樣的抗拉強(qiáng)度有一定的影響.劉永勝等[11]對(duì)化學(xué)腐蝕作用的砂巖開展動(dòng)力學(xué)壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)表明化學(xué)腐蝕后圍巖力學(xué)性能下降,且pH 值越低,效果越明顯.張站群等[12]研究化學(xué)腐蝕后灰?guī)r的動(dòng)態(tài)拉伸性能,得到灰?guī)r動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度及能量耗散等隨腐蝕損傷度的變化規(guī)律.

深部巷道及水下環(huán)境中巖石處于高壓、高腐蝕的環(huán)境中,既經(jīng)常承受爆破掘進(jìn)施工荷載作用,還會(huì)承受水的化學(xué)腐蝕作用,目前,水下及深部巖石存在一定的風(fēng)化作用,故本文以弱風(fēng)化花崗巖為研究對(duì)象,對(duì)試樣進(jìn)行飽水及化學(xué)腐蝕處理,利用霍普金森桿對(duì)不同處理?xiàng)l件的試樣開展動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),分析化學(xué)腐蝕及沖擊荷載耦合作用下花崗巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及其影響機(jī)制.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣描述與制備

選取弱風(fēng)化花崗巖開展試驗(yàn)研究.其中,花崗巖采自廣東某地,灰黃色,質(zhì)地相對(duì)均勻,經(jīng)X 射線衍射分析,測(cè)得花崗巖內(nèi)部各礦物組分含量:石英約為26.58%,長石為60.62%,云母為12.26%,方解石為0.54%.巖石由結(jié)晶礦物組成,為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造.弱風(fēng)化花崗巖的基本物理力學(xué)特性見表1.

表1 弱風(fēng)化花崗巖基本物理力學(xué)特性

根據(jù)試驗(yàn)需求,將巖塊加工成直徑50 mm、高度25 mm 的圓盤試樣,試樣的加工制備過程嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)的建議方法[13]進(jìn)行.試樣的直徑和高度誤差控制在0.3 mm 以內(nèi),兩端面的不平行度不超過0.05 mm.加工完成的巖石試樣如圖1所示.為了減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性,將縱波波速度明顯偏離平均值的試樣剔除.

圖1 弱風(fēng)化花崗巖標(biāo)準(zhǔn)試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

將弱風(fēng)化花崗巖分為5組,即天然狀態(tài)、飽水狀態(tài)及3種不同酸性條件.飽水試樣通過將試樣置于真空飽水裝置中120 h,使其完全飽水得到.用蒸餾水和稀硝酸配制pH 值為6.0、4.0和2.0的不同酸性溶液,將制備好的花崗巖試樣放入溶液中浸泡處理,每隔12 h重新測(cè)得溶液pH 值變化,并用膠頭滴管滴加硝酸的方法保證溶液始終維持在設(shè)定的恒定值,浸泡期為30 d,如圖2所示.

圖2 試件處理過程

圓盤試樣Gs1-n為天然狀態(tài)下試樣,Gs2-n為飽水狀態(tài)下試樣,Gs3-n為p H=2溶液浸泡下的試樣,Gs4-n為p H=4溶液浸泡下的試樣,Gs5-n為p H=6溶液浸泡下的試樣.

基于超聲脈沖技術(shù),采用RSM-SY5(T)聲波測(cè)試儀對(duì)處理前后試樣的縱波波速進(jìn)行測(cè)定.每種條件下測(cè)量3個(gè)試樣的縱波波速,取平均值作為最終結(jié)果.

動(dòng)態(tài)壓縮及拉伸試驗(yàn)在LWKJ-HPKS-Y100 型霍普金森桿(SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)上開展,如圖3所示.該系統(tǒng)壓桿直徑為100 mm,入射桿4000 mm,透射桿長5 000 mm,彈性模量為210 GPa,密度7 850 kg/m3,彈性縱波波速為5 172 m/s.該系統(tǒng)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(氮?dú)夂蛷椞?、壓桿系統(tǒng)(撞擊桿、入射桿、透射桿、吸收桿)、數(shù)據(jù)接收及采集系統(tǒng)(激光測(cè)速儀、應(yīng)變片及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀)組成[5].

圖3 SHPB系統(tǒng)示意圖及實(shí)物

為消除波在傳播中的橫向彌散效應(yīng),采用直徑10 mm、厚1 mm 的橡膠片為波形整形器,使得實(shí)驗(yàn)中波形為半正弦波,降低波形震蕩.動(dòng)態(tài)壓縮及拉伸試驗(yàn)典型波形如圖4所示.

圖4 壓縮試驗(yàn)應(yīng)力平衡曲線典型波形圖

觀察圖4可以看出達(dá)到了良好的整形效果,入射波與反射波疊加后的應(yīng)力曲線與透射波應(yīng)力曲線基本重合,保證了應(yīng)力均勻性假設(shè)及試驗(yàn)結(jié)果的可信性.基于一維應(yīng)力假設(shè)及應(yīng)力均勻假設(shè),可以采用三波法計(jì)算應(yīng)力σs(t),應(yīng)變?chǔ)舠(t)和應(yīng)變率˙ε(t).

本次試驗(yàn)設(shè)定的沖擊氣壓范圍為0.25～1 MPa,沖擊速度變化范圍為2～9 m/s.試驗(yàn)系統(tǒng)沖擊氣壓與沖擊速度沒有嚴(yán)格的線性相關(guān)性,故而沖擊氣壓相同時(shí)可能沖擊速度存在差異性,進(jìn)而應(yīng)變率也有所不同,為減少試驗(yàn)偶然性,對(duì)每個(gè)等級(jí)氣壓下沖擊試驗(yàn)重復(fù)3次.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 縱波波速

縱波波速對(duì)巖石內(nèi)部微觀缺陷的發(fā)育非常敏感,因此可以作為評(píng)價(jià)巖石微觀結(jié)構(gòu)損傷的有效指標(biāo).采用RSM-SY5(T)聲波測(cè)試儀對(duì)天然、飽水及酸性溶液下的花崗巖試樣進(jìn)行縱波波速測(cè)定,測(cè)得結(jié)果見表2.

根據(jù)表2可知,天然狀態(tài)下弱風(fēng)化花崗巖試樣縱波波速均值為3 229 m/s,飽水狀態(tài)下弱風(fēng)化花崗巖縱波波速均值是3 338 m/s;p H=2試樣縱波波速均值為2 943 m/s;p H=4及p H=6試樣縱波波速均值分別為3 061、3 185 m/s.通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),飽水后弱風(fēng)化花崗巖試樣的縱波波速有所增大,而酸性溶液浸泡后其縱波波速呈現(xiàn)下降趨勢(shì),溶液酸性越強(qiáng),下降幅度越大.巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育情況、孔隙及含水情況都會(huì)影響超聲波的傳播速度.當(dāng)波在試樣內(nèi)部傳播遇到孔隙時(shí),遇到不同填充物波速會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)填充物是空氣時(shí)波會(huì)繞過孔隙繼續(xù)傳播,而當(dāng)孔隙內(nèi)填充水時(shí),波會(huì)通過巖石骨架和水的耦合面進(jìn)行傳播,故而飽水狀態(tài)下試樣縱波波速比天然狀態(tài)高[14].而酸性溶液會(huì)對(duì)巖樣產(chǎn)生化學(xué)腐蝕效應(yīng),會(huì)與試樣內(nèi)部活性礦物發(fā)生反應(yīng)造成礦物顆粒遷移、溶解,增大試樣內(nèi)部孔隙,使其物理特性劣化,從而縱波波速降低.且pH 越小,酸性越強(qiáng),H+濃度越高進(jìn)而對(duì)巖樣腐蝕作用更強(qiáng).

2.2 靜單軸壓縮試驗(yàn)

巖石單軸壓縮是指巖石在單軸壓縮條件下的強(qiáng)度、變形和破壞特征,計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比,分析巖石單軸壓縮過程的變形特征.圖5為天然狀態(tài)、飽水狀態(tài)及3種pH 值溶液下的弱風(fēng)化花崗巖試樣單軸壓縮下應(yīng)力-應(yīng)變曲線.不同條件下單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2～3.

圖5 不同處理?xiàng)l件下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 不同處理?xiàng)l件下試樣縱波波速

表3 弱風(fēng)化花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

觀察圖5可知,在巖石壓縮過程中,巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃分為裂紋閉合、彈性變形、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展、裂紋加速擴(kuò)展及峰后變形5個(gè)漸進(jìn)破壞階段.在巖樣初始裂隙壓密階段,酸性溶液作用后,試樣在該段有明顯的下凹,且p H=2的酸性溶液作用效果更為明顯.且在經(jīng)過飽水及酸性溶液浸泡后,試樣彈性階段的斜率發(fā)生不同程度的變化,這是由于溶液對(duì)巖石有軟化作用,導(dǎo)致其強(qiáng)度及彈性模量降低.酸性溶液作用后,巖樣在峰值點(diǎn)后仍有較大的變形,表明酸性溶液作用下試樣也呈現(xiàn)脆性-延性轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)[15].

飽水及酸性溶液浸泡后對(duì)弱風(fēng)化花崗巖試樣的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響.單軸試驗(yàn)下天然狀態(tài)弱風(fēng)化花崗巖試樣平均抗壓強(qiáng)度值為115.78 MPa;飽水試樣平均抗壓強(qiáng)度值為89.44 MPa;p H=6、4、2試樣平均抗壓強(qiáng)度分別為84.38、78.94、69.34 MPa.較于天然狀態(tài),飽水狀態(tài)、p H=6、4、2弱風(fēng)化花崗巖試樣抗壓強(qiáng)度分別下降了22.75%、27.12%、31.82%、40.11%.飽水試樣峰值強(qiáng)度有所下降,而酸性溶液下試樣峰值強(qiáng)度降幅更大,pH 越小酸性越強(qiáng),試樣的峰值強(qiáng)度越小[16-17].

2.3 動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)

2.3.1 最大應(yīng)變率與沖擊速度關(guān)系

SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)通過氣壓來控制子彈沖擊速度,進(jìn)而控制應(yīng)變率.為了便于在試驗(yàn)過程中更容易控制應(yīng)變率范圍,分析最大應(yīng)變率與沖擊速度的關(guān)系.圖6表征沖擊速度與最大應(yīng)變率的關(guān)系.由圖可知,最大應(yīng)變率與沖擊速度呈正相關(guān)的趨勢(shì),即最大應(yīng)變率隨沖擊速度的增大而增大.試驗(yàn)過程中沖擊速度與應(yīng)變率的數(shù)值見表4.

圖6 最大應(yīng)變率隨沖擊速度變化曲線

表4 試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊速度及應(yīng)變率結(jié)果

2.3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

巖石的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)巖石破壞這一過程的描述具有重要作用,它不僅反映了巖石的基本力學(xué)參數(shù),也反映出巖石變形特性的變化規(guī)律,是研究巖石力學(xué)特性,確定其本構(gòu)關(guān)系的物理基礎(chǔ).

圖7為不同應(yīng)變率下弱風(fēng)化花崗巖的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線.當(dāng)沖擊氣壓較大、應(yīng)變率較高時(shí),試樣內(nèi)部微裂隙來不及壓密直接進(jìn)入彈性階段.應(yīng)變率對(duì)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有顯著的影響,主要表現(xiàn)在力學(xué)參數(shù)上面,包括峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量等.觀察圖7得,隨著應(yīng)變率的增大,曲線峰值應(yīng)力變大,即試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度變大.天然狀態(tài)下,應(yīng)變率為288 s-1時(shí),花崗巖峰值強(qiáng)度為287.89 MPa,約是靜抗壓強(qiáng)度的2.5倍;飽水狀態(tài)下應(yīng)變率為278 s-1時(shí),試樣抗壓強(qiáng)度為251.42 MPa,是其靜抗壓強(qiáng)度的2.8倍;3種酸性條件下(p H=2、4、6)應(yīng)變率分別為233、262、238 s-1時(shí),其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度約是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的2.48、2.6、2.5倍.由此可見,應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)是非常顯著的.

圖7 不同應(yīng)變率下弱風(fēng)化花崗巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)變率增大,試樣峰值應(yīng)變變大,這是因?yàn)檩^高的應(yīng)變率時(shí),試樣內(nèi)部產(chǎn)生更多的新裂紋,原有的裂紋擴(kuò)展速度更快,有更多的裂紋導(dǎo)致試樣產(chǎn)生變形,所以軟化效應(yīng)更加明顯,峰值應(yīng)變更大.除此之外,隨著應(yīng)變率的增大,曲線彈性階段的斜率增大,表明動(dòng)態(tài)彈性模量增大,試樣抵抗變形的能力增強(qiáng).

分析對(duì)比圖7中各曲線也可以發(fā)現(xiàn),除了應(yīng)變率之外,飽水以及不同pH 酸性溶液也會(huì)對(duì)弱風(fēng)化花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生影響.為了分析飽水及酸性溶液對(duì)曲線的影響規(guī)律,選取相近應(yīng)變率下的試樣為研究對(duì)象,研究試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化特征.通過觀察得,不同條件下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化過程基本一致,但是相對(duì)于天然狀態(tài),試樣飽水及在酸性溶液浸泡后會(huì)對(duì)試樣的力學(xué)特征參量產(chǎn)生影響.飽水狀態(tài)下試樣曲線的峰值點(diǎn)降低,即動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低.不同pH 值(p H=2、4、6)下試樣的曲線峰值點(diǎn)更低,且pH 值越小,曲線的峰值點(diǎn)越低.飽水、p H=2、4、6試樣曲線的彈性階段斜率也有所減小,pH 值越小,酸性越強(qiáng),曲線線性階段斜率越小,即試樣的彈性模量越小.后面動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及彈性模量特性中會(huì)重點(diǎn)講述.

2.3.3 抗壓強(qiáng)度特性

同靜態(tài)壓縮一樣,在沖擊荷載作用下,試樣壓縮破壞時(shí)的峰值應(yīng)力叫做動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度,表示試樣的承載能力.由上述研究可知,試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度不僅與應(yīng)變率有關(guān),也受飽水及酸性溶液作用的影響.

圖8為不同條件下試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化規(guī)律.觀察圖8可知,天然、飽水、酸性溶液下試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變率的增大呈現(xiàn)變大的趨勢(shì);其中,天然狀態(tài)下,應(yīng)變率為288 s-1時(shí),花崗巖峰值強(qiáng)度為287.89 MPa,約是靜抗壓強(qiáng)度的2.5倍;飽水狀態(tài)下應(yīng)變率為278 s-1時(shí),試樣抗壓強(qiáng)度為251.42 MPa,是其靜抗壓強(qiáng)度的2.8倍;3種酸性條件下(p H=2、4、6)應(yīng)變率分別為233、262、238 s-1時(shí),其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度約是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的2.48、2.6、2.5倍.由此可見,應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)是比較顯著的.這是由于沖擊荷載作用下使得試樣不能充分變形,就像施加了一個(gè)約束力限制試樣的橫向變形.并且應(yīng)變率越大,施加的橫向約束越大,所以試樣的抗壓強(qiáng)度越大.但是試樣有一定的極限承載能力,當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到某一臨界值后,試樣抗壓強(qiáng)度對(duì)其敏感性會(huì)降低,所以剛開始隨著應(yīng)變率變大,抗壓強(qiáng)度變化較大.應(yīng)變率超過一定值后,抗壓強(qiáng)度變化幅度減緩.

圖8 弱風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)得到的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化情況,對(duì)不同條件下二者關(guān)系曲線進(jìn)行擬合.擬合函數(shù)如式(1)所示.不同條件下的擬合結(jié)果見表5.

表5 弱風(fēng)化花崗巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變率擬合結(jié)果

為了分析飽水及酸性溶液對(duì)試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,選取相近應(yīng)變率下的試樣為研究對(duì)象,圖9為弱風(fēng)化花崗巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨不同處理?xiàng)l件的變化曲線.

圖9 弱風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度隨飽水及酸性溶液處理的變化關(guān)系

觀察圖9可知,飽水狀態(tài)及酸性溶液(p H=2、4、6)均會(huì)使試樣的抗壓強(qiáng)度降低,相對(duì)來說酸性溶液下試樣的抗壓強(qiáng)度最低,pH 值越小,酸性越強(qiáng),動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度越低.比如當(dāng)應(yīng)變率為110 s-1時(shí),天然狀態(tài)下試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度為160.42 MPa,飽水狀態(tài)下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度為150.56 MPa,降幅為6.14%,pH 分別為6、4、2時(shí),相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為135.48、119.84、98.37 MPa,降幅分別為15.55%、25.29%、38.68%.由于弱風(fēng)化花崗巖試樣本身存在微裂隙及孔洞,在水及酸性溶液浸泡時(shí)溶液會(huì)通過這些孔隙進(jìn)入巖樣內(nèi)部,影響試樣內(nèi)部礦物之間膠結(jié)作用及其礦物組成,進(jìn)而影響試樣力學(xué)性質(zhì).水溶液滲入試樣內(nèi)部孔隙,對(duì)試樣產(chǎn)生軟化作用,使試樣抗壓強(qiáng)度降低.而酸性溶液中存在H+,溶液滲入試樣內(nèi)部對(duì)礦物產(chǎn)生蝕變作用,酸性越強(qiáng),參與作用的H+越多,H+會(huì)與更多礦物顆粒及晶體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致巖樣內(nèi)部礦物之間膠結(jié)程度變?nèi)?并伴隨著新裂紋發(fā)育擴(kuò)展,巖樣變得更加“松軟”,因此試樣抗壓強(qiáng)度降幅更大.

2.3.4 彈性模量特性

彈性模量是研究巖樣力學(xué)特性的重要參數(shù)之一,它不僅可以在宏觀上表征試樣抵抗變形的能力,也可反映巖石內(nèi)部礦物顆粒膠結(jié)程度.彈性模量的值反映為沖擊荷載作用下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段的斜率,不同應(yīng)變率計(jì)算得出的彈性模量值見表6.由表中數(shù)據(jù)可以看出,沖擊荷載作用下試樣動(dòng)彈性模量要比靜彈性模量大(各條件下試樣靜彈性模量見表3),應(yīng)變率及試樣處理?xiàng)l件均會(huì)對(duì)彈性模量產(chǎn)生影響.

表6 弱風(fēng)化花崗巖不同應(yīng)變率下的彈性模量

圖10是弱風(fēng)化花崗巖試樣動(dòng)彈性模量隨應(yīng)變率的變化規(guī)律.可以看出,在沖擊荷載的作用下,隨著應(yīng)變率的增大,動(dòng)彈性模量逐漸增大.這是由于巖樣自身微裂紋及孔隙在沖擊荷載作用下壓密閉合,應(yīng)變率越大,巖樣結(jié)構(gòu)更為致密,彈性模量更大,抵抗變形的能力越強(qiáng).當(dāng)應(yīng)變率由52.47 s-1增加到229.42 s-1時(shí),對(duì)于天然狀態(tài)下巖樣來說,其動(dòng)態(tài)彈性模量由31.03 GPa變?yōu)?4.38 GPa,增幅為40.02%;飽水狀態(tài)下巖樣彈性模量由30.24 GPa增至40.98 GPa,增幅為35.52%;p H=6、4、2試樣動(dòng)彈性模量增幅分別為39.82%、38.89%、52.28%.應(yīng)變率效應(yīng)是比較明顯的.

圖10 花崗巖彈性模量隨應(yīng)變率變化規(guī)律

除了受應(yīng)變率影響之外,巖樣飽水及酸性溶液浸泡也影響著其值的變化,進(jìn)而影響著試樣的動(dòng)力學(xué)特性.為了研究水及酸性溶液對(duì)彈性模量的影響規(guī)律,選取應(yīng)變率為73、110、229 s-1,探討應(yīng)變率對(duì)彈性模量pH 值敏感性的影響.繪制3種應(yīng)變率下彈性模量隨各處理?xiàng)l件變化曲線,如圖11所示.

圖11 不同應(yīng)變率下花崗巖動(dòng)彈性模量隨飽水及酸性溶液處理的變化關(guān)系

由圖11可知,巖樣彈性模量變化情況與抗壓強(qiáng)度是相似的,相對(duì)于天然狀態(tài),飽水狀態(tài)試樣彈性模量變小,酸性溶液試樣彈性模量繼續(xù)變小,且pH 值越小,彈性模量越小,說明弱風(fēng)化花崗巖動(dòng)態(tài)彈性模量也存在明顯的pH 劣化效應(yīng).比如當(dāng)應(yīng)變率為110 s-1時(shí),天然狀態(tài)試樣動(dòng)彈性模量為35.54 GPa,飽水狀態(tài)試樣彈性模量為33.18 GPa,降幅為6.64%;p H=6、4、2試樣彈性模量分別為30.15、29.33、26.42 GPa,降幅分別為15.17%、17.47%、25.66%;比較可知經(jīng)過水及酸性溶液浸泡后試樣動(dòng)彈性模量均變小,且酸性溶液與巖樣內(nèi)部細(xì)觀顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng),腐蝕礦物成分,導(dǎo)致其彈性模量降幅更大,對(duì)試樣的損傷更明顯.

3 破壞特征

為進(jìn)一步研究應(yīng)變率及水化學(xué)溶液對(duì)弱風(fēng)化花崗巖試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響,通過觀察試驗(yàn)中試樣裂紋擴(kuò)展及破壞形態(tài)來比較不同情況下巖樣的破壞規(guī)律.巖樣的破壞形式與施加的荷載形式是密切相關(guān)的.在單軸壓縮情況下,巖樣呈現(xiàn)拉伸破壞;沖擊荷載作用與靜荷載有較大的差異,它可以在短時(shí)間內(nèi)在巖樣內(nèi)部積聚較高的能量,裂紋擴(kuò)展的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加載速度,這就促使巖樣的裂隙在沖擊荷載作用下有沿多個(gè)方向擴(kuò)展的可能性.

圖12列出了不同應(yīng)變率下花崗巖巖樣的動(dòng)態(tài)壓縮破壞形態(tài).可以看出,不同應(yīng)變率下試樣均發(fā)生破碎,應(yīng)變率越大,破碎程度越大,碎塊的尺寸越小.觀察圖12(a)、(b)可以看到,當(dāng)應(yīng)變率較小時(shí),試樣破壞呈軸向劈裂破壞.試樣破壞后呈柱狀塊體,塊體尺寸較大.隨著應(yīng)變率進(jìn)一步增大,觀察圖12(c)、(d)知試樣破壞后產(chǎn)生錐形體碎塊,且碎塊數(shù)量隨應(yīng)變率增大而增多,這主要是由剪切作用形成的,此時(shí)試樣破壞由剪切破壞和張拉破壞共同作用.當(dāng)應(yīng)變率特別大時(shí),試樣呈粉末狀破碎,呈現(xiàn)壓碎破壞形式,生成無數(shù)的碎屑.可見弱風(fēng)化花崗巖試樣的應(yīng)變率效應(yīng)是比較顯著的.試樣在沖擊荷載壓縮下,受力是比較單一的,其側(cè)面為自由面,壓縮作用下的應(yīng)力波經(jīng)過反射后形成拉伸應(yīng)力波,而對(duì)于巖樣來說,它的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,所以當(dāng)應(yīng)變率低時(shí),在拉伸波作用下會(huì)在巖樣側(cè)面出現(xiàn)少許裂紋,所以試樣破壞后尺寸較大.隨著應(yīng)變率增大,在試樣內(nèi)部積聚大量能量,導(dǎo)致更多的裂紋發(fā)育及擴(kuò)展,最終形成通面,造成試樣破碎尺寸更小,塊體數(shù)量更多.

圖12 不同應(yīng)變率下弱風(fēng)化花崗巖動(dòng)態(tài)壓縮破壞形態(tài)

除了應(yīng)變率會(huì)對(duì)試樣破壞形態(tài)產(chǎn)生影響外,試樣的處理?xiàng)l件也存在一定的影響.選取應(yīng)變率170 s-1左右的試樣為研究對(duì)象,分析飽水狀態(tài)、不同pH 值對(duì)巖樣破壞的影響規(guī)律.圖13列出飽水狀態(tài)、p H=2、4、6花崗巖巖樣的破碎形態(tài).

圖13 不同條件下弱風(fēng)化花崗巖動(dòng)態(tài)壓縮破壞形態(tài)

在相近的應(yīng)變率下,較于飽水試樣,酸性溶液試樣的破碎程度更大,破碎尺寸更小,而且溶液pH 值越小,酸性越強(qiáng),破碎程度越大.飽水試樣由于水的潤滑、軟化作用,會(huì)使得礦物顆粒之間膠結(jié)作用變?nèi)?對(duì)試樣造成損傷,而酸性溶液中存在H+,會(huì)與試樣內(nèi)部礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改變礦物成分并使試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使得試樣力學(xué)性能劣化.pH 值越小,酸性越強(qiáng),對(duì)試樣性能劣化越嚴(yán)重,故沖擊后破碎程度越大.

4 結(jié)論

本文采用SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)天然、飽水、p H=2、4、6弱風(fēng)化花崗巖試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),分析了試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線、動(dòng)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、破壞特征隨應(yīng)變率的變化規(guī)律,并且研究不同處理?xiàng)l件對(duì)試樣力學(xué)性能的影響,主要結(jié)論如下:

1)在沖擊荷載作用下,試樣壓縮過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化過程與靜態(tài)壓縮基本相同,可劃分為4個(gè)階段:壓密階段、彈性階段、應(yīng)力屈服階段及卸載階段.不同的是沖擊過程是一個(gè)瞬間,在應(yīng)變率較大的情況下,有些試樣內(nèi)部裂紋來不及閉合直接進(jìn)入彈性階段,應(yīng)變率越大,試樣壓密階段越短.

2)在沖擊荷載作用下,弱風(fēng)化花崗巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量均隨著應(yīng)變率的增大而增大,增大幅度由快變緩,表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng),且大于靜抗壓強(qiáng)度及彈性模量.這是因?yàn)闆_擊荷載作用下試樣橫向變形受到限制,進(jìn)而提高了力學(xué)性能.

3)水及酸性溶液會(huì)對(duì)試樣的物理力學(xué)特性產(chǎn)生影響.飽水后弱風(fēng)化花崗巖試樣的縱波波速有所增大,而酸性溶液浸泡后其縱波波速呈現(xiàn)下降趨勢(shì);而且水及酸性溶液均會(huì)對(duì)試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量產(chǎn)生影響,劣化巖石力學(xué)性能.當(dāng)應(yīng)變率一定時(shí),飽水、p H=2、4、6試樣動(dòng)抗壓強(qiáng)度、彈性模量均下降,pH 值越小,其下降幅度越大.

4)試樣破碎特征與應(yīng)變率和處理?xiàng)l件均有關(guān)系.不同的應(yīng)變率下花崗巖試樣均破碎,應(yīng)變率越大,破碎程度越大,碎塊的尺寸越小.當(dāng)應(yīng)變率較小時(shí),試樣主要發(fā)生軸向劈裂破壞,主要是拉伸作用,隨著應(yīng)變率增大,試樣破壞由拉伸及剪切共同作用,最后逐漸呈現(xiàn)壓碎破壞.在相同應(yīng)變率下,由于酸性溶液H+會(huì)與礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),對(duì)試樣產(chǎn)生軟化作用,試樣壓縮后破壞程度越大,尺寸越小.