不同傾角裂隙混凝土試件動(dòng)態(tài)力學(xué)破壞特性試驗(yàn)研究

武 旭, 方 慧, 潘繼良, 席 迅, 孫景來(lái), 張英才

(1.北京市市政工程研究院,北京 100037;2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;3.北京住總基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 101200)

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)年限的增加,列車(chē)荷載的長(zhǎng)期反復(fù)作用下,列車(chē)誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)效應(yīng)不斷增大,給周?chē)Y(jié)構(gòu)和環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患[1-3]。受開(kāi)挖施工和外力作用的影響,隧道襯砌已經(jīng)形成了大量的既有裂縫[4-5],以北京地鐵為例,多條地鐵線(xiàn)路運(yùn)行已超過(guò)10年,結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果顯示,襯砌裂縫占總病害比例高達(dá)90%,已經(jīng)成為地鐵隧道安全的最主要隱患[6-8]。隧道襯砌既有裂縫在外荷載的作用下極易引起裂紋的起裂、擴(kuò)展和貫通,嚴(yán)重影響隧道空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[9]。地鐵運(yùn)行引發(fā)的周期性振動(dòng)載荷能夠?qū)е录扔辛芽p開(kāi)裂并持續(xù)擴(kuò)展,進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此,襯砌既有裂縫的振動(dòng)開(kāi)裂及其誘發(fā)的次生病害是影響地鐵安全運(yùn)行的主要原因[10-12]。

為了研究巖體節(jié)理參數(shù)(節(jié)理間距和節(jié)理傾角等)對(duì)巖石破壞效果的影響,劉婷婷等[13]研究了縱波以任一角度入射一組非線(xiàn)性平行節(jié)理的能量傳遞規(guī)律;鄒飛等[14]在模擬材料中預(yù)置不同角度的節(jié)理,利用單軸壓縮試驗(yàn)探究了節(jié)理類(lèi)巖石的力學(xué)特性;劉紅巖等[15-16]采用相似材料模型試驗(yàn)方法,借助分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置對(duì)不同節(jié)理工況下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和破壞模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究;此外,王建國(guó)等[17-20]分別通過(guò)SHPB沖擊試驗(yàn)分析了節(jié)理傾角、節(jié)理厚度、節(jié)理填充材料及加載應(yīng)變率對(duì)水泥砂漿模擬的巖石材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

不同產(chǎn)狀的既有裂縫在荷載作用下使得隧道襯砌的物理力學(xué)性質(zhì)劣化,破壞模式也變得更加復(fù)雜。尤其是當(dāng)既有地鐵隧道沿線(xiàn)存在爆破施工時(shí),振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波更容易誘發(fā)含既有裂縫隧道襯砌的破壞,帶來(lái)更高的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文利用SHPB裝置對(duì)不同裂縫長(zhǎng)度和寬度的混凝土試件進(jìn)行加載試驗(yàn),借助高速攝像系統(tǒng)同步采集加載過(guò)程中的裂縫起裂-擴(kuò)展特征,對(duì)入射波、透射波和反射波的強(qiáng)度和波形特征進(jìn)行了分析,以此揭示裂隙傾角與破壞模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 巴西圓盤(pán)動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)

1.1 試樣加工

分析檢測(cè)區(qū)段地鐵隧道襯砌的材料構(gòu)成、配比與力學(xué)性質(zhì),選擇相同材料及配比進(jìn)行試件制備。裂縫檢測(cè)結(jié)果表明,襯砌裂縫以橫向分布為主。設(shè)計(jì)并澆筑直徑為50 mm,高為25 mm的圓柱體混凝土試件(見(jiàn)圖1),養(yǎng)護(hù)28d后在試件中部切割預(yù)制裂隙,設(shè)置裂縫長(zhǎng)度為10 mm和20 mm;裂縫寬度為0.3 mm和0.5 mm。為了滿(mǎn)足SHPB試驗(yàn)均勻性假定同時(shí)減小摩擦效應(yīng)的影響,使用打磨機(jī)對(duì)試件兩個(gè)端面和四周進(jìn)行打磨,控制試件直徑和厚度誤差均小于1 mm,試件端面不平行度和不垂直度均在±0.02 mm以?xún)?nèi)。為了進(jìn)一步討論振動(dòng)載荷方向的影響,本次沖擊試驗(yàn)取試件的預(yù)制裂隙與加載方向夾角分別為0°、30°、45°、60°和90°共5種情況。

圖1 預(yù)制裂隙分布位置

為了消除混凝土試件在制備過(guò)程中產(chǎn)生的誤差,以及預(yù)防在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的意外情況,為每種類(lèi)型預(yù)制裂隙制作2個(gè)試件,然后對(duì)試件進(jìn)行編號(hào),命名規(guī)則為裂縫長(zhǎng)度-裂縫寬度-加載角度-試件序號(hào),例如10-0.3-60-1代表預(yù)制裂縫長(zhǎng)度為10 mm,裂縫寬度為0.3 mm,加載角度為60°,試件序號(hào)為1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

對(duì)不同預(yù)制裂隙的巴西圓盤(pán)試件在壓桿直徑為50 mm的分離式霍普金森壓桿(splitting Hopkinson pressure bar,SHPB)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行徑向沖擊加載。SHPB試驗(yàn)裝置主要由主體設(shè)備、能源系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)三大部分組成。主體設(shè)備包括:發(fā)射裝置、發(fā)射炮管、射彈、吸能裝置、桿件及其調(diào)整支架、操縱臺(tái)等;能源系統(tǒng)包括:空氣壓縮機(jī)、高壓容器及管道;測(cè)試系統(tǒng)包括:彈速測(cè)試系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。壓桿材料為高強(qiáng)度合金,入射桿長(zhǎng)4 500 mm,透射桿長(zhǎng)2 500 mm,打擊桿長(zhǎng)500 mm,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.25～0.3,縱波速度為5 400 m/s,密度為7 850 kg/m3。利用空氣加壓給打擊桿加速并使用激光測(cè)速儀測(cè)量打擊桿撞擊的速度。此外,采用紫銅與橡膠片組合的方法對(duì)波形整形,消除壓桿上的波頭振蕩和波形彌散現(xiàn)象。通過(guò)高速攝像機(jī)來(lái)拍攝巴西圓盤(pán)試件在沖擊過(guò)程中的表面變化和破裂過(guò)程,試件安置好后綜合考慮相片分辨率、拍攝頻率,調(diào)整相機(jī)位置。配置高速攝像機(jī)的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)前,在巴西圓盤(pán)試件和桿件的兩個(gè)接觸面分別均勻涂抹一薄層凡士林,以減小端面摩擦效應(yīng)的影響,然后將試件置于入射桿和透射桿之間。入射桿和透射桿上各粘貼有高靈敏度的半導(dǎo)體應(yīng)變片,壓桿和試件上應(yīng)變片監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)通過(guò)超動(dòng)態(tài)儀傳輸?shù)诫娔X終端,以實(shí)時(shí)記錄桿上的變形狀況。根據(jù)一維應(yīng)力波理論,子彈撞擊入射桿,將在入射桿撞擊端形成一維壓縮應(yīng)力波并在入射桿傳播,當(dāng)入射波傳播至入射桿—試件界面處,部分入射波將反射回入射桿形成反射波,剩下的將沿試件傳播至透射桿形成透射波。入射波、反射波和透射波分別由粘貼在桿件中部的一對(duì)應(yīng)變片連接超動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證

巴西圓盤(pán)試件沖擊試驗(yàn)加載示意圖如圖3所示。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會(huì)ISRM建議的測(cè)試方法,采用波形整形技術(shù)能夠提高加載波上升沿時(shí)間,有利于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中試件兩端的受力平衡,并且能夠消除波形振蕩、減小彌散效應(yīng)的影響。試驗(yàn)選用紫銅片和橡膠片進(jìn)行波形整形,試驗(yàn)過(guò)程中,將整形器置于入射桿前端,子彈撞擊整形器在入射桿產(chǎn)生半正弦加載波。試件兩端的力P1,P2可以根據(jù)下式計(jì)算得到

圖3 巴西圓盤(pán)試件沖擊試驗(yàn)加載示意圖

(1)

式中,A和E分別為桿件的橫截面積和彈性模量。

圖4為不同類(lèi)型試樣的典型動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡圖,從圖中可見(jiàn),透射波和入射波+反射波疊加曲線(xiàn)基本重疊,表明試樣在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中特別是試樣達(dá)到峰值應(yīng)力之前基本處于應(yīng)力平衡狀態(tài),試件滿(mǎn)足平衡加載要求。該方法可用于檢測(cè)本次試驗(yàn)所測(cè)試樣加載過(guò)程中是否滿(mǎn)足應(yīng)力平衡。

圖4 典型預(yù)制裂隙試件動(dòng)態(tài)受力平衡驗(yàn)證

2.2 不同傾角裂隙試件的波動(dòng)特性

SHPB系統(tǒng)是通過(guò)應(yīng)力波在彈性桿內(nèi)傳遞,使得入射桿和透射桿兩端最終達(dá)到力的平衡,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件加載。SHPB試驗(yàn)通過(guò)入射桿和透射桿所貼應(yīng)變片以電壓-時(shí)間曲線(xiàn)形式輸出結(jié)果,本次試驗(yàn)所測(cè)不同傾角預(yù)制裂隙試件試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示,圖5、圖6中為濾波處理后的電壓信號(hào)值。將所測(cè)電壓值換算成力,通過(guò)三波法即可計(jì)算得到各桿端所受的力。

圖5 不同傾角預(yù)制裂隙試件入射波與反射波曲線(xiàn)

圖6 不同傾角預(yù)制裂隙試件透射波曲線(xiàn)

由于目前的試驗(yàn)裝置無(wú)法精確設(shè)定每次的撞擊速度,故無(wú)法保證每次的入射波幅完全相等。因此,選擇波幅近似相等的應(yīng)力波入射預(yù)制裂隙試件,預(yù)制裂隙角度為0°,30°,45°,60°和90°,入射波和反射波電壓值隨時(shí)間t的變化關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,在近似入射波幅條件下,不同裂隙傾角圓盤(pán)試件的反射波存在較大差異。對(duì)于10 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為90°>30°>0°>45°>60°;對(duì)于10 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>45°>90°>60°>0°;對(duì)于20 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>90°>60°>45°>0°;對(duì)于20 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>45°>0°>60°>90°?？傮w而言,傾角為30°試件的反射波波幅相對(duì)最大,傾角為0°試件的反射波波幅相對(duì)較小。原因在于,應(yīng)力波傳播特性與混凝土材料的波阻抗(即密度和縱波波速的乘積)密切相關(guān),裂隙傾角的變化導(dǎo)致試件的縱波波速存在差異。桿件的波阻抗相較于混凝土材料更大,當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí),裂隙與加載方向平行,更有利于應(yīng)力波的傳播,且此時(shí)試件的縱波波速更高,波阻抗更大,試件與桿件的波阻抗匹配效果更優(yōu),因此產(chǎn)生的反射波更小。當(dāng)裂隙傾角為30°時(shí),應(yīng)力波會(huì)在裂隙尖端產(chǎn)生反射與散射,在裂隙表面發(fā)生擦射和斜入射,且縱波波速更低,波阻抗更小,因此反射波波幅相對(duì)最大。

不同傾角預(yù)制裂隙試件透射波曲線(xiàn)如圖6所示。在沖擊荷載作用下,一維彈性應(yīng)力波通過(guò)圓盤(pán)試件中不同角度的預(yù)制裂隙將發(fā)生不同程度的衰減。對(duì)于10 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為45°>30°>0°>90°>60°;對(duì)于10 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>90°>30°>45°>60°;對(duì)于20 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>30°>90°>45°>60°;對(duì)于20 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>45°>30°>90°>60°。對(duì)于不同裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度的預(yù)制裂隙圓盤(pán)試件,傾角為0°試件的透射波波幅相對(duì)最大,而傾角為60°試件的透射波波幅相對(duì)最小。原因在于,當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為0°時(shí),預(yù)制裂隙面與應(yīng)力波傳播方向一致,沖擊波耗散較少,因此透射波波幅較大;當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為60°時(shí),沖擊波耗散較多,說(shuō)明當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與預(yù)制裂隙夾角為60°時(shí)試件最容易發(fā)生破壞。

2.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

SHPB試驗(yàn)的基本原理是基于彈性桿中彈性應(yīng)力波的傳播理論,該理論建立在兩個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上,即一維假定和應(yīng)力均勻假定。一維假定認(rèn)為應(yīng)力波在彈性桿中傳播時(shí),彈性桿中的每個(gè)橫截面始終保持平面狀態(tài);應(yīng)力均勻假定認(rèn)為應(yīng)力波在試樣中反復(fù)2～3個(gè)來(lái)回,試樣中的應(yīng)力處處相等。根據(jù)應(yīng)力均勻假定,采用三波法,可得到材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

(2)

式中:E,c,A分別為壓桿的彈性模量、彈性波波速和橫截面積;As,ls分別為試樣的初始橫截面積和初始長(zhǎng)度;εi,εr,εt分別為桿中的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變、透射應(yīng)變。

不同傾角預(yù)制裂隙試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7所示,不同傾角裂隙試件峰值應(yīng)力隨加載角度的變化如圖8所示?？梢钥闯?不同預(yù)制裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)受加載角度影響較大。對(duì)于10 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為30°>45°>0°>90°>60°;對(duì)于10 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為0°>90°>45°>30°>60°;對(duì)于20 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為0°>30°>90°>45°>60°;對(duì)于20 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為0°>45°>30°>60°>90°?？梢钥闯?峰值應(yīng)力的變化規(guī)律基本與透射波幅值變化規(guī)律相一致。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的總體變化規(guī)律,對(duì)于不同裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度的預(yù)制裂隙圓盤(pán)試件,傾角為0°試件的峰值應(yīng)力相對(duì)最大,而傾角為60°試件的峰值應(yīng)力相對(duì)最小。進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與預(yù)制裂隙夾角為60°時(shí)試件最容易發(fā)生破壞,在相對(duì)較小的應(yīng)力作用下,試件發(fā)生破壞風(fēng)險(xiǎn)最大。

圖7 不同傾角預(yù)制裂隙試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖8 不同傾角裂隙試件峰值應(yīng)力變化曲線(xiàn)

2.4 破壞過(guò)程及破壞形式分析

通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)圓盤(pán)試件SHPB沖擊破壞試驗(yàn)的全過(guò)程進(jìn)行拍攝,獲取試件在沖擊作用下的破壞過(guò)程。圖9～圖12為不同裂隙傾角試件在相似沖擊速度作用下初步出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)的破壞形態(tài)圖?？梢钥闯?試樣都已完全破壞,新形成的裂紋整體上均沿著預(yù)制裂隙尖端起裂、擴(kuò)展和貫通,破壞模式主要為壓應(yīng)力作用下的張拉破壞。當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí),裂紋起裂時(shí)形成的宏觀裂紋數(shù)量相對(duì)較少,且以微裂紋為主;當(dāng)裂隙傾角為60°時(shí),裂紋起裂時(shí)形成的宏觀裂紋數(shù)量相對(duì)最多,試件更易發(fā)生突發(fā)性的劇烈破壞。在0°～60°傾角范圍內(nèi),新裂紋的形成主要沿預(yù)制裂隙尖端起裂,而90°預(yù)制裂隙試件的開(kāi)裂主要以垂直預(yù)制裂隙方向?yàn)橹?即沿主應(yīng)力方向發(fā)生破壞。

圖9 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

圖10 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

圖11 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

圖12 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

此外,由圖9～圖12可知,圓盤(pán)試件在沖擊荷載的破壞形式與預(yù)制裂隙長(zhǎng)度密切相關(guān)。在相同預(yù)制裂隙寬度下,長(zhǎng)度為20 mm預(yù)制裂隙的破壞形式要比10 mm長(zhǎng)度預(yù)制裂隙試件更加簡(jiǎn)單,形成新裂紋的數(shù)量相對(duì)較少,且更容易沿預(yù)制裂紋尖端方向向外起裂。在試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的預(yù)制裂隙寬度內(nèi),0.3 mm和0.5 mm寬度預(yù)制裂隙試件的破壞模式差別不明顯。

不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)如圖13～圖16所示。由圖13～圖16可知,預(yù)制裂隙長(zhǎng)度對(duì)試件沖擊破壞的最終形態(tài)影響較大。20 mm長(zhǎng)度預(yù)制裂隙試件破壞后形成的碎塊更為完整,以較大尺寸的塊狀為主;10 mm長(zhǎng)度預(yù)制裂隙試件破壞形態(tài)更加復(fù)雜,試件整體破碎嚴(yán)重,小塊體增多,破壞后形成較多的小尺寸碎塊。也就是說(shuō),在相同動(dòng)荷載作用下,預(yù)制裂隙長(zhǎng)度顯著影響混凝土襯砌試件的破碎塊度大小。然而,在試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的預(yù)制裂隙寬度內(nèi),0.3 mm和0.5 mm寬度預(yù)制裂隙試件的最終破壞形態(tài)差別不明顯。

圖13 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

圖14 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

圖15 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

圖16 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為0°時(shí),預(yù)制裂隙面與應(yīng)力波傳播方向一致,沖擊波耗散較少,透射波波幅較大;當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為60°時(shí),沖擊波耗散較多,即當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與預(yù)制裂隙夾角為60°時(shí)試件最容易發(fā)生破壞。

(2)根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的總體變化規(guī)律,對(duì)于不同裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度的預(yù)制裂隙圓盤(pán)試件,傾角為0°試件的峰值應(yīng)力相對(duì)最大,而傾角為60°試件的峰值應(yīng)力相對(duì)最小。

(3)沖擊荷載下新形成的裂紋整體上均沿著預(yù)制裂隙尖端起裂、擴(kuò)展和貫通,破壞模式主要為壓應(yīng)力作用下的張拉破壞,且巴西圓盤(pán)試件在沖擊荷載的破壞形式與預(yù)制裂隙長(zhǎng)度密切相關(guān),與裂隙寬度關(guān)聯(lián)性較弱。

(4)在相同預(yù)制裂隙寬度下,長(zhǎng)度為20 mm預(yù)制裂隙的破壞形式比10 mm長(zhǎng)度預(yù)制裂隙試件更加簡(jiǎn)單,形成新裂紋的數(shù)量相對(duì)較少,且更容易沿預(yù)制裂紋尖端方向向外起裂。