鄂西炭質(zhì)頁巖動態(tài)拉伸力學(xué)特性試驗(yàn)研究*

張湘平

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222;2.天津大學(xué),天津 300192)

自然界中沉積巖在地表分布甚廣,約占我國陸地面積的70%左右,代表有頁巖、板巖、片巖等,由于其具有明顯的層理結(jié)構(gòu),其宏觀力學(xué)特性受到層理結(jié)構(gòu)面的控制,具有較強(qiáng)的各向異性力學(xué)特征[1,2]。現(xiàn)階段,關(guān)于層狀巖石壓縮力學(xué)特性的各向異性的研究開展的較為充分[3-5],而對于巖石介質(zhì)這種典型的脆性材料而言,其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度。在層狀巖石地層爆破開挖過程中,爆破開挖輪廓面的成型質(zhì)量主要受周邊孔(光爆孔或預(yù)裂孔)之間爆生裂紋貫通效果的控制,而周邊孔之間動態(tài)裂紋擴(kuò)展規(guī)律與層狀巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度密切相關(guān),因此開展其動態(tài)拉伸力學(xué)特性的研究對于層狀巖石地層周邊孔爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[6]。

目前,針對層狀巖石靜態(tài)拉伸力學(xué)特性,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了大量的研究工作。Vervoort等和Cho等研究了片巖、片麻巖、頁巖、板巖等多種層狀巖石的拉伸強(qiáng)度和破壞形態(tài)隨層理角度的變化規(guī)律[7,8]。葉海旺等以貴州銅仁層理板巖為對象[9],對不同夾角板巖開展了微觀結(jié)構(gòu)觀測和靜態(tài)巴西劈裂試驗(yàn),研究了層理對板巖的強(qiáng)度特性和破壞模式的影響特征。侯鵬等以重慶龍馬溪組黑色頁巖為試樣[10],對其進(jìn)行了不同層理角度的巴西劈裂試驗(yàn),研究了頁巖抗拉強(qiáng)度和破壞形態(tài)的各向異性特征,分析了其變形破壞過程中的吸收能變化規(guī)律。王輝等開展了層狀頁巖巴西劈裂試驗(yàn)[11],結(jié)合高速照相機(jī)和聲發(fā)射監(jiān)測裝置研究了頁巖試樣破斷機(jī)理以及破斷強(qiáng)度的影響因素。楊志鵬等對7組不同傾角下的頁巖試樣進(jìn)行了巴西劈裂和聲發(fā)射測試[12],研究了頁巖橫觀各向同性性質(zhì)對劈裂強(qiáng)度及破壞模式的影響。張樹文等通過巴西劈裂試驗(yàn)、聲發(fā)射測試以及3DEC 數(shù)值模擬[13],對不同層理角度龍馬溪組頁巖拉伸破壞模式進(jìn)行了對比分析。杜夢萍等采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)[14],開展了不同層理傾角條件下頁巖的巴西圓盤劈裂載荷下的破壞過程試驗(yàn),研究不同層理方向炭質(zhì)頁巖微裂縫起裂時(shí)間、空間位置和擴(kuò)展規(guī)律及其破裂機(jī)制。班宇鑫等通過對黑色頁巖試件進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)[15],同時(shí)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)和聲發(fā)射技術(shù)(AE),建立聲發(fā)射功率譜頻帶特征與頁巖試件微損傷機(jī)制的對應(yīng)關(guān)系,并對裂縫形態(tài)進(jìn)行定量評價(jià)。

相對于靜態(tài)拉伸力學(xué)特性,關(guān)于層狀巖石動態(tài)拉伸力學(xué)特性的研究尚不夠深入,現(xiàn)有的研究大多集中于較為均質(zhì)材料的動態(tài)拉伸力學(xué)特性,未考慮各向異性的影響[16,17]。李地元等基于分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)平臺[18],開展了5種不同層理面傾角層狀砂巖試樣沖擊壓縮和沖擊劈裂拉伸試驗(yàn),研究了層理面傾角對層狀砂巖動態(tài)抗壓和抗拉強(qiáng)度、破壞模式及能量吸收特性的影響規(guī)律。劉運(yùn)思等基于SHPB 系統(tǒng)和RMT-150C巖石壓力機(jī)[19],分析了層狀板巖拉伸強(qiáng)度和破壞模式隨加載率和層理面與加載方向不同夾角變化的規(guī)律研究,研究了層狀板巖動靜拉伸力學(xué)特性。

基于此,針對鄭萬高鐵湖北段蘇家?guī)r隧道炭質(zhì)頁巖段圍巖,利用分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB),借助高速攝像及數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC),開展0°、30°、45°、60°和90°五種不同沖擊角度β(沖擊加載方向與試樣層理面夾角)下炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn),每個(gè)沖擊角度工況采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3種沖擊氣壓進(jìn)行動態(tài)加載來達(dá)到不同沖擊速率,以研究沖擊角度和沖擊速度對炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度及動態(tài)拉伸破壞模式的影響規(guī)律。

1 炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)方案

1.1 巖石動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)原理

現(xiàn)階段,巖石類材料抗拉強(qiáng)度主要采用間接法測試,其中以巴西劈裂試驗(yàn)為主。同時(shí),動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)與靜態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)原理類似,一般采用SHPB等動力加載裝置開展,基于SHPB裝置的炭質(zhì)頁巖巴西劈裂試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1中SHPB裝置入射桿和透射桿直徑為D、橫截面積為Ae、彈性模量為E、彈性波速為c0,試樣的直徑和高度為DS和L。試驗(yàn)過程中入射桿測得的入射應(yīng)變波和反射應(yīng)變波分別為εi(t)和εr(t),透射桿測得透射應(yīng)變波為εr(t)。結(jié)合靜力加載巴西劈裂試驗(yàn)原理,假設(shè)動力加載過程中試樣承受最大荷載為Pmax(t),得到基于SHPB裝置的炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度為[20]

(1)

若入射桿和透射桿直徑與試樣直徑相等,則上式簡化如下

(2)

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方案

通過對鄭萬高鐵湖北段蘇家?guī)r隧道大塊炭質(zhì)頁巖巖樣進(jìn)行鉆芯取樣,同時(shí)控制鉆取角度,保證鉆取方向與層理面平行,并通過切割、打磨制備出層理角度為90°頁巖試樣。加工后的試樣長度L為25 mm,直徑DS為50 mm,兩端不平整度小于0.05 mm,端面垂直度小于0.25°,以滿足《巖石動力特性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試樣精度需求[21]。

將制備好的頁巖試樣放置于入射桿及透射桿之間,動力加載過程中試樣的受力示意圖如圖2(a)所示,其中平面B為荷載施加平面,與入射桿和透射桿軸線平行。通過沿著軸線旋轉(zhuǎn)試樣不同角度,使得試樣層理面與動力荷載P所在平面B的夾角分別為0°、30°、45°、60°和90°,為便于后續(xù)分析,定義該夾角為沖擊角度β,其中沖擊角度β=0°時(shí)炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)圖如圖2(b)所示。

圖2 不同沖擊角度炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)Fig. 2 Dynamic Brazilian splitting test of carbonaceous shale with different impact angles

具體試驗(yàn)步驟如下:首先,將頁巖巖樣放置于入射桿及透射桿之間,并涂抹少量凡士林于試件和桿端面接觸處,再稍用力夾緊入射桿和透射桿之間的試件,保證試件徑向軸線與兩桿軸線在同一條直線上;其次,每個(gè)沖擊角度工況采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3種沖擊氣壓進(jìn)行加載,以實(shí)現(xiàn)不同加載速率,且每個(gè)沖擊氣壓重復(fù)3次,其中1次對頁巖試樣表面進(jìn)行噴斑處理,散斑大小、密度以及不規(guī)則度等均應(yīng)滿足數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)計(jì)算要求。同時(shí)在試驗(yàn)過程中均采用Phantom v 1612型高速攝像機(jī)記錄頁巖試樣動態(tài)拉伸破壞過程,采集幀率為100 000 fps;最后,基于入射桿及透射桿上所黏貼的應(yīng)變片,采用動態(tài)應(yīng)變儀采集入射應(yīng)變波及透射應(yīng)變波時(shí)程曲線,同時(shí)通過高速攝像機(jī)記錄炭質(zhì)頁巖試樣動態(tài)破壞過程,以分析頁巖動態(tài)拉伸破壞力學(xué)特征。

2 炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度特征

2.1 動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)應(yīng)力平衡分析

為驗(yàn)證動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)過程中頁巖試樣兩端所承受的動態(tài)載荷是否達(dá)到平衡,以滿足霍普金森壓桿試驗(yàn)基本假設(shè)。選取典型沖擊氣壓下頁巖試樣兩端入射桿以及透射桿所采集的應(yīng)變電壓信號波形,如下圖3所示。由圖3可見,經(jīng)過紫銅片整形后,入射波形狀類似正弦波,波形上升沿平緩光滑,使得試樣內(nèi)部有充足時(shí)間達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài),同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)入射波和反射波疊加后與透射波的波形基本一致,表明試驗(yàn)在動態(tài)劈裂過程中試樣內(nèi)應(yīng)力已達(dá)到了平衡。

圖3 典型炭質(zhì)頁巖試樣動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)應(yīng)力平衡驗(yàn)證Fig. 3 Verification of dynamic stress balance of typical carbonaceous shale specimen in dynamic Brazil splitting test

2.2 炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度分析

基于炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)中所采集的入射波、反射波及透射波時(shí)程曲線,結(jié)合式(2),計(jì)算出5種沖擊角度β以及3種沖擊氣壓下炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度平均值,列于表1所示。

表1 炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Dynamic Brazilian splitting test results of carbonaceous shale

由表1可知,相同沖擊氣壓下,壓桿子彈的沖擊速度較為接近,沖擊氣壓分別為0.1 MPa、0.2 MPa和0.3 MPa時(shí),沖擊速度平均值對應(yīng)為5.89 m/s、8.13 m/s和10.57 m/s。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在相同沖擊氣壓下,當(dāng)沖擊角度為90°時(shí),炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度整體最大,當(dāng)沖擊角度為0°、45°、60°次之,而當(dāng)沖擊角度為30°時(shí)最小。為直觀分析炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律,整理出不同沖擊速度和沖擊角度下頁巖動態(tài)強(qiáng)度,如圖4所示。

圖4 不同沖擊角度炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律Fig. 4 Variation of dynamic tensile strength of carbonaceous shale with different impact angles

由圖4可見,不同沖擊速度下,隨著沖擊角度增加炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,沖擊角度為30°時(shí)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度最小,沖擊角度為90°時(shí)動態(tài)抗拉強(qiáng)度最大。當(dāng)沖擊角度從0°增加至30°時(shí),頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度緩慢減小,沖擊角度繼續(xù)增加至45°時(shí)動態(tài)抗拉強(qiáng)度略微提升,而當(dāng)沖擊角度從45°增加至90°時(shí),頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度急劇增加。同時(shí)基于圖4可以發(fā)現(xiàn)隨著沖擊速度增加,不同沖擊角度炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度均相應(yīng)增大。為定量研究沖擊速度與頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系,將沖擊角度分別為0°、30°、45°、60°和90°時(shí),不同沖擊速度下炭質(zhì)動態(tài)抗拉強(qiáng)度整理如圖5所示,同時(shí)在圖中標(biāo)注了不同沖擊角度炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度與沖擊速度之間的線性擬合方程和相關(guān)系數(shù)。

圖5 炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度與沖擊速度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between dynamic tensile strength and impact velocity of carbonaceous shale

由圖5中不同沖擊角度下炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度與沖擊速度的擬合曲線可知,在本文所包含的沖擊速度范圍內(nèi),頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度與沖擊速度具有顯著的線性關(guān)系。當(dāng)沖擊角度為0°、30°、45°和60°時(shí),擬合曲線斜率較小,表明頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度對沖擊速度敏感度較低,隨著沖擊速度增加動態(tài)抗拉強(qiáng)度的提升不明顯。而當(dāng)沖擊角度為90°時(shí),頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度對沖擊速度敏感度較高,且動態(tài)抗拉強(qiáng)度隨沖擊速度增加有明顯的上升。結(jié)合圖4和圖5可知,炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度不僅隨著沖擊速度的增大而增加,而且具有顯著的各向異性特征。為定量分析炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性程度,定義頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性系數(shù)N為某個(gè)平均沖擊速度下不同沖擊角度頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度最大值與最小值的比值,基于此將不同平均沖擊速度下炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性系數(shù)繪制如圖6。

圖6 炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性系數(shù)Fig. 6 Anisotropy coefficient of dynamic tensile strength of carbonaceous shale

由圖6可知,不同平均沖擊速度下炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性系數(shù)在1.88至2.04范圍內(nèi),參照文獻(xiàn)[22]內(nèi)頁巖各向異性程度分級表,本文所研究炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出中低程度的各向異性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),隨著沖擊速度增加頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性系數(shù)降低,表明其各向異性程度也隨之降低。

3 炭質(zhì)頁巖動態(tài)拉伸破壞模式

相比于傳統(tǒng)基于電測法只能測試物體的局部應(yīng)變信息,光學(xué)全場測量的方法能夠彌補(bǔ)其不足,能獲取試件表面整體的變形信息,進(jìn)行更為直觀的力學(xué)分析。其中數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)作為非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)技術(shù),用于物體表面全場位移、應(yīng)變的測量和分析,并得到待測物表面應(yīng)變場數(shù)據(jù)測量結(jié)果。基于此,將DIC技術(shù)運(yùn)用于炭質(zhì)頁巖動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)中,以直觀觀測頁巖試件表面動應(yīng)變的分布情況,來研究炭質(zhì)頁巖動態(tài)拉伸破壞模式。

試驗(yàn)中頁巖試樣動態(tài)拉伸破壞都在加載后500 μs內(nèi)結(jié)束,基于表面散斑處理后的炭質(zhì)頁巖試樣動態(tài)劈裂破壞高速攝像視頻,通過DIC分析軟件得到試樣表面動態(tài)應(yīng)變場的演化過程。由于DIC分析軟件計(jì)算精度受到的影響因素較多,例如高速攝像視頻清晰度、試樣表面散斑處理均勻程度等等,因此試樣表面動態(tài)應(yīng)變場數(shù)據(jù)具體的數(shù)值僅做參考,但其分布規(guī)律仍可以作為研究炭質(zhì)頁巖動態(tài)拉伸破壞機(jī)理的依據(jù)。整理出不同沖擊角度?和平均沖擊速度下,表面散斑處理后的炭質(zhì)頁巖試樣動態(tài)拉伸破壞裂紋貫通時(shí)刻的實(shí)物圖和DIC處理后試樣圖像,列于表2所示。

由表2可見,沖擊角度和沖擊速度對于炭質(zhì)頁巖動態(tài)拉伸破壞模式有較大的影響。其中,沖擊角度為0°時(shí)頁巖試樣中部出現(xiàn)多條與加載方向平行的動態(tài)拉伸裂紋,形成一條明顯的拉伸破碎帶,同時(shí)結(jié)合DIC圖像可知,隨著沖擊速度增加,頁巖動應(yīng)變集中部位由入射端過渡到透射端,最后沿著入射端至透射端連線近似均勻分布,該沖擊角度下炭質(zhì)頁巖呈現(xiàn)出沿層理面拉伸破壞特征。

當(dāng)沖擊角度為30°時(shí),頁巖試樣均表現(xiàn)為沿著層理面的拉伸和剪切綜合破壞,沖擊速度較小時(shí),試樣僅上部出現(xiàn)沿層理面單條動態(tài)拉剪裂紋,而隨著沖擊速度增大試樣上部和下部均出現(xiàn)沿層理面動態(tài)拉剪裂紋,當(dāng)沖擊速度較大時(shí)試樣中部出現(xiàn)沿層理面方向的拉剪破碎帶。

沖擊角度為45°時(shí),炭質(zhì)頁巖動態(tài)破壞模式與沖擊角度為30°時(shí)較為接近,區(qū)別在于隨著沖擊速度增加,試樣中部未出現(xiàn)拉剪破碎帶,且下端還出現(xiàn)沿層理面和頁巖基質(zhì)內(nèi)的拉剪裂紋;當(dāng)沖擊角度為60°時(shí),在較小的沖擊速度下炭質(zhì)頁巖試樣沿著層理面發(fā)生拉剪破壞,隨著沖擊速度增加頁巖試樣發(fā)生沿層理面和頁巖基質(zhì)內(nèi)的拉剪破壞,而當(dāng)沖擊速度持續(xù)增加,頁巖基質(zhì)內(nèi)發(fā)生的拉伸破壞則占據(jù)了主導(dǎo),同時(shí)破裂面也不再沿層理面延伸; 角度為90°時(shí),沖擊速度同樣對炭質(zhì)頁巖試樣動態(tài)拉伸破壞特征具有較大的影響,在較小沖擊速度下試樣局部發(fā)生沿層理面和頁巖基質(zhì)內(nèi)的拉剪破壞,而隨著沖擊速度增加,試樣主要發(fā)生頁巖基質(zhì)內(nèi)沿著加載方向的拉伸破壞。

4 結(jié)論

基于SHPB裝置對炭質(zhì)頁巖試樣開展了不同沖擊角度的動態(tài)巴西劈裂試驗(yàn),結(jié)合高速攝影及DIC分析,研究了沖擊角度和沖擊速度對炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度及動態(tài)拉伸破壞模式的影響機(jī)制,得到的結(jié)果如下:

(1)不同沖擊速度下,隨著沖擊角度增加炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,沖擊角度為30°時(shí)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度最小,沖擊角度為90°時(shí)動態(tài)抗拉強(qiáng)度最大,表明炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度具有顯著的各向異性特征,且體現(xiàn)出中低程度的各向異性。

(2)隨著沖擊速度增加,炭質(zhì)頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度均相應(yīng)增大,動態(tài)抗拉強(qiáng)度與沖擊速度具有顯著的線性關(guān)系,且隨著沖擊速度增加頁巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度各向異性程度也隨之降低。

(3)沖擊角度和沖擊速度對于炭質(zhì)頁巖動態(tài)拉伸破壞模式有較大的影響,當(dāng)時(shí)沖擊角度和沖擊速度發(fā)生改變時(shí),頁巖動態(tài)拉伸破壞模式同樣呈現(xiàn)出各向異性特征。