河南濟(jì)新高速富水灰?guī)r動態(tài)力學(xué)特性研究

摘要：洛陽地區(qū)廣泛發(fā)育寒武系白云質(zhì)灰?guī)r，巖體裂隙發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)較低。針對洛陽典型的裂隙發(fā)育巖體，文章通過現(xiàn)場勘察取樣對該巖體開展動態(tài)力學(xué)特性試驗，通過測試不同含水狀態(tài)下灰?guī)r的動態(tài)強(qiáng)度、動態(tài)彈性模量和破壞形態(tài)，分析了灰?guī)r的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明，灰?guī)r試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度與破碎耗能密度呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性關(guān)系，試件吸收能量主要耗散于巖石的損傷演化與變形破壞。隨著試件中吸收能量的不斷增加，試件出現(xiàn)了變形滯后現(xiàn)象，從而使灰?guī)r試件動態(tài)強(qiáng)度得到較大提高。

關(guān)鍵詞：富水灰?guī)r；動態(tài)力學(xué)試驗；動態(tài)力學(xué)特性

中圖分類號：TU235.1" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著高速公路、鐵路的飛快發(fā)展，許多工程建設(shè)的難題也不斷出現(xiàn)。洛陽屬于構(gòu)造侵蝕剝蝕低山地貌，斜坡陡坎地形，地表基巖大面積出露，僅局部覆蓋第四系殘坡積碎石土，出露的地層巖性主要為寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r。白云質(zhì)灰?guī)r山體受到巖體結(jié)構(gòu)、不利的地形、工程建設(shè)和降雨的影響易崩塌［1］。通過對白云質(zhì)灰?guī)r特性進(jìn)行深入調(diào)查和研究，從而降低安全事故發(fā)生。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對灰?guī)r的特性進(jìn)行了深入研究，取得了豐富的研究成果。鄭坤等［2］研究了珊瑚礁體內(nèi)部的整體性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)珊瑚礁灰?guī)r的彈性縱波速度隨著回彈值或干密度的增大而增大，而隨孔隙度增大而減小。鄧濤等［3］通過進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)化模擬試驗研究了不同程度風(fēng)化對灰?guī)r抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)灰?guī)r的風(fēng)化程度越高，其殘余抗剪強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度減小，且殘余抗剪強(qiáng)度的劣化速度更快。李兵磊等［4］利用霍普金森壓桿實驗設(shè)備，研究灰?guī)r在受到不同沖擊方法作用下的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了沖擊速度、軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的聯(lián)系。趙恕軻等［5］通過對不同含水率的灰?guī)r試樣開展單軸壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)含水率高的灰?guī)r強(qiáng)度越低，并且通過對比實驗曲線和損傷本構(gòu)模型，證明了損傷本構(gòu)模型的可靠性。

眾多學(xué)者通過實驗和理論研究對灰?guī)r的力學(xué)特性進(jìn)行了探討，但目前對于不同含水率灰?guī)r動態(tài)力學(xué)特性的研究較少涉及。為此，本文基于對不同含水率的節(jié)理灰?guī)r進(jìn)行SHPB動載試驗，分析了富水灰?guī)r的動態(tài)力學(xué)特性，可為含水豐富的隧道巖體工程中水-巖損傷問題的研究提供參考。

1工程概況

1.1工程簡介

河南濟(jì)新高速公路位于河南省西北部，為洛陽都市圈聯(lián)動路線之一。峽里隧道是濟(jì)源至新安高速公路的一座分離式隧道。隧道長1 036 m，為長隧道，隧道最大埋深約177 m，洞軸線方位角約158°。

隧址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌，為陡傾斜坡地形。根據(jù)勘察資料，隧址區(qū)地表基巖大面積出露，僅局部覆蓋第四系殘坡積碎石土，出露的巖性大部分是白云質(zhì)灰?guī)r。地層巖性分布及特征分述如下：

（1）碎石土。淺灰色為主，碎石成分為白云質(zhì)灰?guī)r，隙間黏性土充填，多呈稍密狀，于山體緩坡處發(fā)育廣泛，但整體發(fā)育較薄。

（2）白云質(zhì)灰?guī)r。青灰色為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈柱狀，少量碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾薄層泥灰?guī)r，部分溶蝕的裂隙較為發(fā)育，裂隙覆蓋黏性土，工程地質(zhì)條件較好，廣泛分布于隧址區(qū)，屬于Ⅵ級堅石。

1.2試驗取樣與加工

為方便后續(xù)更好地開展研究工作，從研究區(qū)現(xiàn)場取代表性巖樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗。因為隧洞內(nèi)作業(yè)條件有限，不能像常規(guī)工程勘察一樣用工勘鉆機(jī)取樣，故在圍巖開挖后取較完整的巖塊運(yùn)回實驗室，在室內(nèi)進(jìn)行加工制樣。

2富水灰?guī)r力學(xué)特性試驗

2.1灰?guī)r試驗組制備

在峽里隧道現(xiàn)場采集灰?guī)r巖樣，加工成直徑50 mm、長度25 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)式樣，對試樣進(jìn)行打磨拋光，使其端面粗糙度低于0.02 mm。開展SHPB動載試驗，通過測試不同含水狀態(tài)下節(jié)理灰?guī)r的動態(tài)強(qiáng)度、動態(tài)彈性模量和破壞形態(tài)，來分析灰?guī)r的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)?；?guī)r巖樣共計3組，分為干燥、天然和飽水狀態(tài)巖樣，每組共2個試樣，巖樣及試驗組設(shè)置如表1所示。

2.2SHPB動載試驗

2.2.1試驗方案

試驗儀器采用SHPB試驗裝置，由高壓氮?dú)馄考罢{(diào)氣閥組成動力系統(tǒng)，如圖1所示。在輸入桿和輸出桿之間粘貼應(yīng)變片以測量樣品材料在相同動態(tài)條件下的沖擊載荷。將應(yīng)變片連接到超高速應(yīng)變計和示波器上，并按照0.4 MPa的沖擊氣壓進(jìn)行試驗，以確保每個試件受到相似的沖擊能量，從而保證實驗不受其他變量的影響。

2.2.2應(yīng)力平衡

將測試的試樣在霍普金森桿試驗裝置上進(jìn)行靜壓加載，調(diào)節(jié)氣壓將彈頭高速碰撞輸入桿，在輸入桿這端產(chǎn)生的應(yīng)力脈沖向試樣方向傳播，試件在應(yīng)力脈沖作用下產(chǎn)生快速形變，同時，產(chǎn)生反射脈沖進(jìn)入輸入桿端，投射脈沖進(jìn)入輸出桿端。通過應(yīng)變片可測得入射波、反射波及透射波曲線圖（見圖2）。應(yīng)力脈沖在試樣中經(jīng)過多次透射與反射后，試樣的兩端應(yīng)力趨于平衡，如圖3所示。

2.2.3力學(xué)參數(shù)計算

基于霍普金森桿試驗技術(shù)的基本假定，在一維應(yīng)力假設(shè)與應(yīng)力均勻假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)力波波形，確定巖石試樣平均應(yīng)變率ε·、平均應(yīng)變ε-和試樣兩端應(yīng)力平均值σ等動態(tài)力學(xué)參數(shù)［6-7］。

σ-（t）=E0A0πLD［εI（t）+εR（t）+εT（t）］

ε-（t）=C0D∫t0［εI（t）-εR（t）-εT（t）］dt

ε·（t）=C0D［εI（t）-εR（t）-εT（t）］（1）

式（1）中：E0為沖擊壓桿的彈性模量；A0為壓桿橫截面積；C0為桿內(nèi)應(yīng)力波彈性波速；L為巖石試樣厚度；D為巖石試樣直徑；εR（t），εI（t），εT（t）分別為反射應(yīng)變信號、入射應(yīng)變信號以及透射應(yīng)變信號。

2.3試驗結(jié)果分析

2.3.1不同含水率下灰?guī)r的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變特征

SHPB試驗獲得干燥、天然和飽和狀態(tài)下灰?guī)r動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4所示。

由圖4可知，灰?guī)r在干燥狀態(tài)的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度最大，在飽水狀態(tài)的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度最小，結(jié)果表明，隨著灰?guī)r含水率的增加，巖體的動態(tài)強(qiáng)度不斷降低。

2.3.2動態(tài)抗壓強(qiáng)度與破碎耗能密度關(guān)系

巖石動態(tài)強(qiáng)度是材料力學(xué)中重要的動態(tài)力學(xué)參數(shù)，動態(tài)抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變率的依賴性已得到廣泛認(rèn)同。由于巖石變形與能量變化密切相關(guān)，它代表了能量耗散和釋放的綜合效果，因此，可以使用破碎耗能密度來描述巖石材料的動態(tài)強(qiáng)度。在灰?guī)r試件的SHPB試驗中，試件的動態(tài)抗壓強(qiáng)度與破碎耗能密度之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可知，灰?guī)r試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著破碎耗能密度的增加而增大，呈較強(qiáng)的線性關(guān)系。試件吸收的能量主要用于巖石的損傷和形變過程。隨著試件中吸收能量的不斷增加，試件會出現(xiàn)變形滯后現(xiàn)象，從而使灰?guī)r試件動態(tài)強(qiáng)度得到較大提高。因此，采用試件破碎耗能密度能夠較好反映灰?guī)r試件在外載荷作用下的強(qiáng)度特征。

3結(jié)論

通過對灰?guī)r開展SHPB動載試驗，研究分析了灰?guī)r在不同含水率下的動態(tài)力學(xué)特性，共總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）灰?guī)r在干燥狀態(tài)的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度最大，在飽水狀態(tài)的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度最小，結(jié)果表明，隨著灰?guī)r含水率的增加，巖體的動態(tài)強(qiáng)度不斷降低。

（2）試件的破碎耗能密度可以很好地反映灰?guī)r在外載荷作用下的強(qiáng)度特征，因為灰?guī)r在沖擊試驗中的動態(tài)抗拉強(qiáng)度隨著耗能密度的增加呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性增長趨勢。

參考文獻(xiàn)

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（編輯編輯姚鑫）

Research on dynamic mechanical properties of rich limestone in"Jixin expressway of Henan province

Tong" Le1， Wang" Chuwei1， Xiong" Jianrong1， Liu" Ze2， Peng" Yaxiong2*

（1.Zhejiang Jiaogong Group Co.， Ltd.， Hangzhou 310051， China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of"Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring， Hunan University of Science and"Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract：" The Cambrian dolomite limestone is widely developed in Luoyang area， with developed rock fractures and low mechanical properties. In response to the typical fractured rock mass in Luoyang， the article conducted dynamic mechanical properties tests on the rock mass through on-site investigation and sampling. By testing the dynamic strength， dynamic elastic modulus， and failure mode of limestone under different water content states， the dynamic mechanical properties of limestone were analyzed. The research results indicate that there is a strong linear relationship between the dynamic compressive strength of limestone specimens and the energy consumption density during crushing， and the energy absorbed by the specimens is mainly dissipated through the damage evolution and deformation failure of the rock. With the continuous increase of absorbed energy in the specimen， the deformation hysteresis phenomenon occurs， which greatly improves the dynamic strength of the limestone specimen.

Key words： water rich limestone; dynamic mechanical test; dynamic mechanical property