泥巖動態(tài)沖擊力學響應(yīng)及裂紋演化試驗研究

耿 昊 楊江坤 宋彥琦 馬宏發(fā) 鄭俊杰 楊俊濤

(1.國能北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000;2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與土木工程學院,北京 100083)

在礦山開采、爆破施工過程中,工程巖土體會受到?jīng)_擊擾動,其動態(tài)沖擊力學響應(yīng)關(guān)系到工程的穩(wěn)定性和開采的高效性[1]。巖石作為一種非均質(zhì)的天然材料,其內(nèi)部含有微小孔洞、隨機分布的微裂隙等原始缺陷。在爆破載荷作用下,巖石的動態(tài)力學行為較為復(fù)雜,因此對沖擊載荷作用下巖石破裂過程的研究一直是巖土工程領(lǐng)域的熱點問題。

室內(nèi)分離式霍普金森沖擊桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)是研究巖石動態(tài)沖擊性能的主要試驗設(shè)備[2]。許多學者基于霍普金森壓縮試驗對巖石動態(tài)力學行為展開研究,武仁杰等[3]利用SHPB對不同傾角的層狀巖石進行動態(tài)壓縮試驗,分析了其動態(tài)破壞特征和能量演化過程;平琦等[4]對不同溫度作用后的砂巖試件進行沖擊壓縮試驗,分析其動態(tài)力學響應(yīng)和破壞形態(tài);Yao W等[5]利用NSCB試驗與霍普金森壓桿試驗相結(jié)合的手段,分析了巖石的斷裂韌性、斷裂能量等動態(tài)斷裂特性;王登科等[6]利用霍普金森壓桿實驗系統(tǒng)進行不同應(yīng)變率下的煤樣沖擊實驗,分析煤動態(tài)力學響應(yīng)隨應(yīng)變率的變化規(guī)律,并基于分形理論定量描述了其破壞后的自相似性;梁東旭等[7]對泥巖、砂質(zhì)泥巖展開室內(nèi)沖擊試驗,研究了軟弱巖石的動態(tài)力學特性;董英健等[8]基于霍普金森沖擊試驗分析了礦石試件的動態(tài)力學性能及塊度分布特征。

通過常規(guī)的動態(tài)試驗手段只能從宏觀層面分析巖石的動態(tài)力學響應(yīng),而無法從細觀角度對巖石動態(tài)破裂演化過程進行研究。近年來,隨著相關(guān)手段的進步和發(fā)展,越來越多先進的試驗技術(shù)被應(yīng)用于深入地研究巖石動態(tài)破裂過程。潘博等[9]通過對沖擊試驗前后的水泥砂漿試件進行核磁共振成像,監(jiān)測其孔隙度和孔徑分布變化,從而研究其細觀層面的損傷;張明濤等[10]利用帶有應(yīng)變控制環(huán)的SHPB實驗系統(tǒng),對砂巖試樣動態(tài)沖擊實驗,并結(jié)合波速測試實驗和CT掃描實驗分析砂巖試樣的整體破壞過程和裂紋演化規(guī)律;Song Y等[11]通過對褐煤進行不同沖擊速度的壓縮試驗,同時利用高速攝像進行動態(tài)圖像采集,分析了褐煤的動態(tài)破壞過程。

綜上可知,在巖石的動態(tài)沖擊試驗過程中配合相關(guān)試驗技術(shù),在一定程度上可以從細觀層面捕獲其動態(tài)破碎演化過程,有利于深入分析巖石的裂紋擴展過程和破裂機制。但已有成果多數(shù)研究針對于砂巖、花崗巖等巖石,而對于軟弱的泥巖動態(tài)沖擊性能研究相對較少。本文以蒙東某露天礦采取的泥巖為研究對象,開展了不同沖擊速度的霍普金森壓縮試驗,在沖擊過程中利用高速攝像技術(shù)進行圖像采集,研究泥巖的宏觀動態(tài)力學響應(yīng)及細觀裂紋擴展演化,討論了泥巖破裂過程中動態(tài)力學指標和破裂位移量的率相關(guān)性。

1 SHPB巖石動力學試驗

1.1 SHPB試驗裝置與基本原理

本次試驗采用中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院?50 mm的SHPB試驗裝置,如圖1所示。其主要由4大部分組成,分別為驅(qū)動系統(tǒng)、桿件系統(tǒng)、信息收集處理系統(tǒng)和攝像采集系統(tǒng)。

圖1 SHPB試驗裝置示意Fig.1 Diagram of SHPB test device

驅(qū)動系統(tǒng)主要包括高壓氮氣罐、沖頭、氣壓控制裝置等;桿件系統(tǒng)中入射桿和反射桿均為高強度不銹鋼,長度分別為2 m和1.5 m,其彈性模量為210 GPa,密度為7 800 kg/m3,彈性波波速為5 122 m/s;信息收集處理裝置主要為半導(dǎo)體應(yīng)變片、動態(tài)應(yīng)變儀、測速儀及電腦組成;攝像采集系統(tǒng)主要由高速攝像機、閃光燈、控制器及觸發(fā)裝置等組成。

SHPB試驗的有效性基于一維應(yīng)力波假設(shè)和應(yīng)力均勻性假設(shè)[12],利用試驗過程中入射桿和透射桿上應(yīng)變片監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號可以計算出試樣的應(yīng)力σs(t)、應(yīng)變εs(t)和應(yīng)變率(t),其三波法公式為

式中,Eb為壓桿的彈性模量;Ab為壓桿的橫截面積;C0為彈性波的波速;Ls為試樣的初始長度;As為試樣的初始橫截面積;εi(t)入射應(yīng)變;εr(t)反射應(yīng)變;εt(t)透射應(yīng)變。

1.2 試樣制備

試驗所用巖石材料為內(nèi)蒙古錫林浩特市勝利一號露天礦的泥巖。由于泥巖本身質(zhì)地較軟,因此本文對現(xiàn)場泥巖塊體進行室內(nèi)研磨,制成粉狀進行XRD物相分析,結(jié)果如圖2所示。通過衍射圖譜可以發(fā)現(xiàn),泥巖的礦物成分主要為石英和伊利石,占比分別為36.1%和33.9%,兩者之和的占比過半。

圖2 泥巖內(nèi)部礦物成分Fig.2 Internal mineral composition of mudstone

為進一步分析泥巖內(nèi)部的細觀結(jié)構(gòu),隨機選取泥巖塊體,對其進行打磨,保留觀察面,利用SEM電鏡進行掃描分析,結(jié)果如圖3所示。根據(jù)原始泥巖塊體200～10 000倍的掃描結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),泥巖內(nèi)部的原始條狀裂隙及空隙、空洞較為發(fā)育,同時表面較為粗糙,顆粒、晶體分布較多。

圖3 泥巖內(nèi)部原生細觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Primary mesostructure in mudstone

對現(xiàn)場采取的泥巖進行室內(nèi)加工,制成圓柱體試樣,尺寸為50 mm×50 mm(直徑×高度)。試樣總數(shù)目為21個,將其劃分為7組,分別進行7種不同沖擊速度下的沖擊試驗,每組3個平行試件。試驗之前對泥巖試樣進行噴涂散斑預(yù)處理,如圖4所示。在試樣的側(cè)面噴涂白漆和若干個隨機的黑色漆點,以便對拍攝到的圖像利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進行后續(xù)處理。

圖4 泥巖試樣預(yù)處理Fig.4 Mudstone sample pretreatment

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試樣應(yīng)力均勻性校驗

試樣兩端的應(yīng)力均勻性是保證SHPB沖擊試驗的有效性的前提。一般可采用三波法和試樣應(yīng)力平衡系數(shù)[13]兩種方法檢驗試樣的應(yīng)力均勻性。此處采用三波法進行校驗,即通過應(yīng)力波的疊加評估試樣的應(yīng)力均勻性。不同沖擊速度下得到泥巖試樣的電壓幅值信號如圖5所示,可見當入射的沖擊速度越大,所得到的電壓幅值越大。圖6所示給出了泥巖沖擊壓縮過程中的應(yīng)力平衡驗證結(jié)果,由此可知,泥巖在沖擊壓縮試驗過程中是有效的,應(yīng)力均勻性可以得到保證。

圖5 入射桿電壓幅值變化Fig.5 The voltage amplitude of incident rod changes

圖6 三波法驗證應(yīng)力平衡Fig.6 The stress balance was verified by three wave method

2.2 不同沖擊速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線

本次試驗通過設(shè)置不同的沖擊氣壓,從而實現(xiàn)不同的沖擊壓縮速度。沖擊氣壓分別設(shè)置為0.15、0.16、0.17、0.18、0.20、0.21、0.23 MPa 7個梯度,每組選取3個泥巖試樣進行試驗,由于泥巖試樣的離散性,每組試驗結(jié)果選取相近的結(jié)果數(shù)據(jù),具體見表1?？梢?隨著沖擊氣壓的增加,子彈沖頭的沖擊速度、泥巖的動態(tài)峰值應(yīng)力、最大應(yīng)變率都隨之提升。

表1 泥巖的SHPB試驗結(jié)果Table 1 SHPB test results of mudstone

本文選取7個不同沖擊速度泥巖試樣的數(shù)據(jù)進行分析,如圖7所示。沖擊載荷作用下的泥巖應(yīng)變率強化特征顯著,隨著沖擊速度的增加,泥巖試樣的動強度增大,峰值應(yīng)變變大、動態(tài)彈模也隨之增大。同時可以發(fā)現(xiàn),當沖擊速度從2.75 m/s上升到3.19 m/s時,峰后最大應(yīng)變值呈變大趨勢,泥巖峰后塑性增大;當沖擊速度從3.19 m/s上升到4.44 m/s,最大應(yīng)變呈縮小趨勢,泥巖峰后塑性減小;之后隨著沖擊速度增加,泥巖的峰后塑性表現(xiàn)出增強的趨勢。泥巖試樣在動態(tài)載荷作用下的峰后塑性呈先增大后減小再增大的趨勢變化,呈“N”型,如圖8所示。

圖7 不同沖擊速度下泥巖的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Dynamic stress-strain curves of mudstone under different impact velocities

圖8 不同沖擊速度下泥巖最大應(yīng)變Fig.8 Maximum strain of mudstone at different impact velocities

根據(jù)圖9可以明顯發(fā)現(xiàn),隨著沖擊速度增加,最大應(yīng)變率和峰值應(yīng)力呈線性增長。這是因為隨著沖擊速度的增加,撞擊桿所產(chǎn)生入射能隨之提高。一部分能量,用于巖石本身存在的微裂隙擴展,其余大部分能量使得巖石產(chǎn)生更多的裂隙。由于有更多的裂隙吸收能量,參與破壞,巖石破壞的臨界應(yīng)力更高,在宏觀上就表現(xiàn)為巖石動態(tài)峰值應(yīng)力隨沖擊速度的增加而增加。

圖9 不同沖擊速度下最大應(yīng)變率變化Fig.9 Variation of maximum strain rate at different impact velocities

2.3 泥巖沖擊破碎形態(tài)分析

將不同沖擊速度下泥巖的宏觀破壞形態(tài)統(tǒng)計如圖10所示。觀察可以發(fā)現(xiàn),泥巖的斷裂破壞形態(tài)表現(xiàn)為率相關(guān)性。隨著沖擊速度的增加,泥巖試樣的破碎程度呈漸進性發(fā)展,且試樣最小破碎尺寸隨著沖擊速度增大而減小。

圖10 不同沖擊速度下泥巖破壞形態(tài)Fig.10 Failure patterns of mudstone under different impact velocities

當沖擊速度為2.75 m/s時,泥巖試樣在動態(tài)沖擊載荷作用下,近似破裂成兩半,碎塊數(shù)量較少,碎塊尺寸較大且完整,呈“劈裂型”破壞;隨著速度的不斷增加,碎塊數(shù)量越來越多,碎塊尺寸不斷減小,呈“粉脆型”破壞;當速度達到6.61 m/s時,泥巖試樣碎塊尺度較小,呈“粉末型”破壞。

這是因為當沖擊速度較小時,撞擊沖頭所產(chǎn)生的能量較小,巖石吸收的能量也隨之減少,因此在沖擊載荷作用下所形成裂紋大多較為分散,并沒有形成宏觀貫通裂縫,從而呈大塊狀破碎;隨著沖擊速度的增大,撞擊能量隨之提高,巖石吸收的能量也越來越多,沖擊載荷下形成的貫通裂縫越來越多,巖石破碎嚴重,從而出現(xiàn)粉末狀破壞。

2.4 沖擊載荷下泥巖損傷演化

為研究沖擊載荷作用下泥巖損傷過程中裂紋的走勢和演化,在沖擊過程中采用超高速攝像機拍攝其動態(tài)破壞過程。鑒于篇幅限制,以沖擊速度2.75、4.44 m/s和5.48 m/s試樣為例進行對比分析,每種沖擊速度下分別截取4張圖片來描述裂紋擴展的走勢,如圖11所示。通過縱向分析可以發(fā)現(xiàn),在沖擊載荷作用下,裂紋的擴展演化可以分為無損段、起裂段、擴展段和破碎段,具體描述如下。

圖11 不同沖擊速度下泥巖最大應(yīng)變Fig.11 Maximum strain of mudstone at different impact velocities

(1)無損段。當沖頭撞擊入射桿的瞬間,入射波能量還未傳遞到巖石,此時巖石還未受到?jīng)_擊載荷作用,巖石未產(chǎn)生裂紋,泥巖試樣基本保持初始狀態(tài)。

(2)起裂段。隨著入射波的傳遞,此階段巖石受到入射波的作用,泥巖被不斷壓實,內(nèi)部的黏土礦物在應(yīng)力波的反射和透射作用下產(chǎn)生損傷并不斷累積。首先在巖石試樣端部產(chǎn)生微裂紋,并呈現(xiàn)向內(nèi)部擴展的趨勢,但此時裂紋并未貫通,裂紋較小,且不同的微裂紋之間距離也較為分散。

(3)擴展段。此階段一部分入射波作為透射波在巖石內(nèi)部傳遞,起裂階段產(chǎn)生的微裂紋不斷向內(nèi)部擴展,呈現(xiàn)貫通的趨勢,同時巖石內(nèi)部也會產(chǎn)生新的微裂紋?？梢园l(fā)現(xiàn),此階段的巖石損傷發(fā)展較為劇烈,微裂紋的開度不斷增大,但此時巖石的整體并未出現(xiàn)大規(guī)模的破碎,仍然具有一定的承載能力。

(4)破碎段。此階段巖石表面大量擴展裂紋將試樣劃分為不同的劣化帶,造成巖樣破裂失穩(wěn),在軸向沖擊壓縮載荷作用下,不同的碎塊飛濺脫落而最終破壞。

由于泥巖具有軟化性高、結(jié)構(gòu)強度較低的特點,沖擊壓縮作用下產(chǎn)生的豎向拉應(yīng)力大于其本身的抗拉強度,就會導(dǎo)致泥巖豎向裂紋開度不斷增大,從而出現(xiàn)豎向的劈裂破碎。同時縱向?qū)Ρ葓D11,可以發(fā)現(xiàn)不同沖擊速度作用下泥巖裂紋的擴展和演化趨勢,沖擊速度越大,巖石在起裂段微裂紋的微裂紋數(shù)量呈增多的趨勢,端部的破碎也更加明顯,從而將巖石劃分為破碎的劣化區(qū),同時裂紋的開度也隨之增加。表明泥巖的破碎形態(tài)隨著沖擊速度的增大,破裂發(fā)展更加劇烈。

利用基于MATLAB軟件的算法程序?qū)_擊過程中高速攝像所采集的圖片進行數(shù)字圖像處理。圖12為泥巖沖擊過程中的位移場演化過程。

圖12 不同沖擊速度下泥巖位移場演化特征(單位:mm)Fig.12 Evolution characteristics of mudstone displacement field under different impact velocities

通過橫向分析,可以發(fā)現(xiàn),在無損段巖石位移場分布較為均勻,沖擊方向的位移量較小,此時沖擊載荷對巖石內(nèi)部造成的損傷較小;隨著沖擊壓縮波的不斷傳遞,從起裂段發(fā)展到擴展段,泥巖的位移量不斷增大,且在表面裂紋處出現(xiàn)局部的極值區(qū)域,位移場沿著裂紋走向出現(xiàn)不連續(xù)的趨勢;當發(fā)展到破碎段時,位移量達到最大值,裂紋走向?qū)⑽灰茍鰟澐譃椴贿B續(xù)區(qū)域,局部的斷裂碎塊位移量為零,表明此時該區(qū)域已經(jīng)完全破碎與巖石整體斷裂完全。

同時縱向?qū)Ρ葓D12可以發(fā)現(xiàn),隨著沖擊速度的增加,泥巖位移場的最大值隨之增加,表明巖石隨著沖擊速度的增加,塑性增強,且?guī)r石的塑性呈現(xiàn)一定的率相關(guān)性。

2.5 沖擊載荷下泥巖能量演化特征

巖石在外荷載作用下的破壞過程,伴隨著能量吸收、存儲、耗散和釋放。謝和平等[14]假設(shè)巖體系統(tǒng)在受力過程中沒有熱交換,外力功所輸入總能量為U,根據(jù)熱力學第一定律可得:

式中,Ue為可釋放彈性應(yīng)變能;Ud為耗散能。

三維加載條件下巖樣輸入總能量、彈性應(yīng)變能及耗散能計算公式為:

式中,σ1、σ2、σ3為最大、中間及最小主應(yīng)力;ε1、ε2、ε3為最大、中間及最小主應(yīng)變;μ為泊松比;Ei為巖石卸荷模量,計算時可用初始彈性模量E0代替。

本試驗為沖擊壓縮試驗,代入σ2=σ3=0可得:

圖13給出了泥巖在沖擊載荷作用下的能量演化特征,根據(jù)圖13(a)～圖13(c)可以發(fā)現(xiàn)泥巖能量演化特征具有明顯的率相關(guān)性。隨著沖擊速度的增加,輸入能、彈性能及耗散能均隨之提高,且在5.92 m/s至6.61 m/s的提升跨度較大;泥巖的彈性能演化趨勢與應(yīng)力演變趨勢保持一致,且通過數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)沖擊作用下耗散能占比較大,泥巖內(nèi)部存儲的彈性應(yīng)變能較少,大部分沖擊輸入能用于泥巖最終的破碎失穩(wěn)。

圖13 沖擊載荷下泥巖能量演化特征Fig.13 Energy evolution characteristics of mudstone under impact loads

不同沖擊速度下泥巖的能量演化具有一致性,以沖擊速度6.61 m/s為例,如圖13(d),可以發(fā)現(xiàn),泥巖在動載作用初始階段,入射能基本上全部轉(zhuǎn)化為彈性能進行存儲,只有少部分能量耗散用于巖石內(nèi)部原始裂紋缺陷的閉合,整個峰前階段以彈性能存儲為主,彈性能占比較大,峰后階段耗散能急劇增加,輸入能基本上全部用于泥巖破碎過程的能量耗散,同時前期存儲的彈性能也不斷釋放。

3 結(jié) 論

(1)隨著沖擊氣壓的增加,子彈沖頭的沖擊速度、泥巖的動態(tài)峰值應(yīng)力、最大應(yīng)變率都隨之提升,且近似呈線性變化;同時隨著沖擊速度的增加,泥巖試樣在動態(tài)載荷作用下的峰后塑性呈“增大—減小—再增大”的“N”型變化。

(2)泥巖在沖擊載荷作用下破壞形態(tài)呈現(xiàn)明顯的率相關(guān)性。隨著沖擊速度的增加,破碎形態(tài)呈漸進式發(fā)展,依次為“劈裂型”、“粉脆型”和“粉碎型”。在沖擊載荷作用下,泥巖的裂紋擴展演化可以分為無損段、起裂段、擴展段和破碎段。同時隨著沖擊速度的增加,巖石在擴展段的微裂紋貫穿更加錯綜復(fù)雜,從而巖石被劃分為更多的劣化區(qū),破碎更加嚴重。

(3)沖擊過程中泥巖位移場隨著微裂紋的漸進發(fā)展,由連續(xù)發(fā)展為不連續(xù),且不連續(xù)處為裂紋附近。同時隨著沖擊速度的增加,巖石位移場的最大值隨之增加,表明巖石塑性增強。

(4)動載沖擊下泥巖的能量演化特征具有明顯的率相關(guān)性,能量隨著沖擊速度的增加而增加。泥巖在應(yīng)力峰前階段以彈性能存儲為主,峰后階段耗散能急劇增加,彈性能釋放,造成泥巖破碎失穩(wěn)。