花崗巖殘積土沖擊損傷與損傷演化特性試驗研究

胡 華 ，蔡 亮，梁健業(yè)，程 劍 ，李祥華

（1.廈門大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005；2.廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105；3.廈門大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳 518057）

1 引 言

土體損傷理論研究土體從細觀裂紋形成宏觀裂紋直至損傷演化變形破壞的力學(xué)全過程，通過建立土體損傷本構(gòu)模型和損傷演化方程，評價土體的損傷程度，進而評估其穩(wěn)定性[1]。土體損傷力學(xué)的研究難點是如何恰當(dāng)?shù)亟o出損傷的定義和定量描述，既要便于測量，又要有利于土體損傷演化規(guī)律的研究。目前有關(guān)這方面的試驗研究大致可分為兩類：一類是對樣品進行細觀觀測，通過對細觀結(jié)構(gòu)變化物理過程的研究，了解土體結(jié)構(gòu)破壞的本質(zhì)和規(guī)律[2]，另一類是從宏觀的角度出發(fā)，引入標(biāo)量或矢量形式的損傷變量來表征土體的損傷程度，如利用彈性常數(shù)、超聲波速、聲波衰減等反映土體的損傷，考察損傷對土體結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響[3－4]。

宏觀研究方法是目前評價巖土類材料損傷特征的發(fā)展方向。史瑾瑾等[5]利用一級輕氣炮對巖石試件進行沖擊損傷試驗，表明巖石超聲波速的變化可以很好地反映巖石的損傷程度。林大能等[6]通過對大理石試件在壓力試驗機上的模擬沖擊加載，測試受沖擊后試件軸向超聲波波速變化量描述了試件的損傷度。方崇等[7]對土樣進行不同應(yīng)力條件下剪切波速的測試，得到剪切波速與土體的密度的相關(guān)性。樊秀峰[8]對砂巖在循環(huán)荷載作用下的疲勞損傷特性進行實時超聲波速的跟蹤研究。尤明慶等[9]研究認為損傷大理巖試樣的縱波速度和單軸強度、楊氏模量之間具有相關(guān)性。薛晶晶等[10]研究了干濕交替中砂巖強度與波速關(guān)系。胡華等[11]研究了動態(tài)荷載不同幅值作用下軟土流變特性。筆者在國家自然科學(xué)基金項目的資助下[11－14]系統(tǒng)地開展了動態(tài)荷載作用下軟弱巖土流變損傷力學(xué)特性、損傷評估與損傷演化規(guī)律研究。本文以超聲波速縱波波速作為沖擊荷載作用下土體結(jié)構(gòu)損傷演化的損傷變量，計算土體沖擊損傷度，分析了沖擊荷載作用下沖量、沖擊頻率、沖擊次數(shù)等主要指標(biāo)與試樣損傷度的關(guān)系，研究了土體沖擊損傷演化特性，為揭示動荷載作用下土體動力損傷演化規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)和定量參數(shù)。

2 超聲波測試技術(shù)及試驗設(shè)備

2.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)的基本原理是用人工的方法在被測材料或結(jié)構(gòu)中激發(fā)出一定頻率的彈性波，然后以各種不同的頻率在材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播并由儀器接收，通過所接收到的信號，研究分析材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特征和損傷累積程度。信號中包含了超聲波傳播的時間（或速度）、振幅、波形和頻率等，與靜力學(xué)方法相比，超聲波檢測技術(shù)具有簡便、快捷、可靠、經(jīng)濟及無破損等特點。巖土體介質(zhì)超聲波檢測技術(shù)主要有3 種方法，即透射波法、反射波法和孔中測試法。采用透射波法，發(fā)射、接收換能器的機-電、電-機轉(zhuǎn)化效率高，在巖土體中穿透力強，傳播距離大，擴大了測試范圍，可以獲得較反射波大幾倍的能量，因而波形清晰、干擾小，各類波型易于辨識[3－4]。

透射法是由發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波穿透巖土體介質(zhì)后被接收換能器直接接收，通過接收到的超聲波信號來判斷巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。其基本原理為首先由超聲波檢測儀產(chǎn)生電脈沖，用電脈沖的能量去激發(fā)發(fā)射換能器，使之產(chǎn)生機械波，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，以波動的形式向巖土體試樣傳播；巖土體試樣將振動傳遞給接收換能器，使之產(chǎn)生電脈沖，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，再由超聲波檢測儀接收此電能。超聲波檢測儀測定出超聲波在巖土體試樣中的傳播時間 Δt，量測出試樣的長度L，超聲波的波速為

2.2 試驗測試設(shè)備

利用NM-4B 非金屬超聲檢測分析儀研究探討砂質(zhì)黏土的密度、含水率對超聲波速等動力特性和動力學(xué)參數(shù)的影響特性，超聲脈沖檢測技術(shù)對混凝土、巖石、陶瓷、石墨、土體等非金屬材料和構(gòu)件進行無損檢測的智能化儀器。分析儀主要由高壓發(fā)射與控制系統(tǒng)、程控放大與衰減系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、專用微機系統(tǒng)四部分組成，集超聲波發(fā)射、同步接收、數(shù)字信號高速采集、聲參量自動檢測、結(jié)果實時顯示、數(shù)據(jù)存儲與輸出等功能于一體。高壓發(fā)射系統(tǒng)受同步信號控制產(chǎn)生的高壓脈沖激勵發(fā)射換能器，將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號傳入被測介質(zhì)，由接收換能器接收透過被測介質(zhì)的超聲波信號并將其轉(zhuǎn)換電信號。接收信號經(jīng)程控放大、衰減系統(tǒng)作自動增益調(diào)整后輸送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)字信號快速傳輸?shù)綄Ｓ梦C系統(tǒng)中，微機通過對數(shù)字化的接收信號分析得出被測對象的聲參量。

3 殘積土沖擊損傷試驗

3.1 試驗方案

土體動態(tài)損傷由各式各樣的隨時間變化的外力對土體的作用而產(chǎn)生。動荷載的特征一般用荷載作用方式、持續(xù)時間、重復(fù)次數(shù)或稱循環(huán)次數(shù)及加載速度來表征。沖擊荷載就是一種動態(tài)荷載，產(chǎn)生的短時強荷載是一種撞擊作用，荷載持續(xù)時間約為10-3～10-2s。

沖擊荷載下土體的力學(xué)性狀及損傷特性一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。本次試驗采用東南沿海某建筑工地地基淺層花崗巖殘積土，制備成直徑為39.1 mm、長80 mm 的圓柱形試樣，用擊樣器對試樣施加沖擊荷載，擊樣錘重190.015 g，底座重600.4 g。通過改變擊樣錘的高度分別為20、30、40 cm，自由下落，從而產(chǎn)生不同的荷載沖量。沖擊損傷試驗示意圖見圖1。

圖1 沖擊損傷試驗示意圖Fig.1 Sketch of impact damage experiment

通過超聲波檢測技術(shù)，對殘積土在沖擊荷載作用下的動態(tài)損傷進行試驗研究，測試殘積土試樣受動態(tài)荷載不同沖量、沖擊頻率和次數(shù)作用的超聲波速的變化數(shù)據(jù)，研究分析殘積土沖擊損傷特性，計算土體沖擊損傷度。假定擊樣錘與試樣的碰撞為完全彈性，并認為擊樣錘在不同高度下落后對試樣碰撞的完成時間沒有差異。目前尚無成熟的理論和測試手段能準(zhǔn)確確定物體間碰撞作用時間，所以用沖量表示沖擊荷載的大小。設(shè)擊樣錘的質(zhì)量M 單位為kg，下落高度h 單位為m。根據(jù)沖量和能量定理，在忽略能耗的條件下可以認為擊樣錘的重力勢能完全轉(zhuǎn)化成對試樣的沖量，則單位面積上作用的荷載沖量I 可表示為

式中：I為單位面積上的沖量（N·s/m2）；A為試樣截面面積（m2）；g為重力加速度，取9.8 m/s2。為研究殘積土在不同沖擊荷載作用后超聲波聲學(xué)參數(shù)變化情況，共進行了3 組試驗，第1 組，沖擊荷載的頻率、沖擊次數(shù)相同，不同沖量作用后，測試計算超聲波波速；第2 組，沖擊荷載的沖擊次數(shù)、沖量相同，不同頻率作用后，測試計算超聲波波速；第3 組，研究不同沖量作用下沖擊次數(shù)與超聲波波速的關(guān)系、不同沖擊頻率作用下沖擊次數(shù)與超聲波波速的關(guān)系。試驗測試的具體方案見表1。

3.2 殘積土試樣制備

進行試樣的超聲波速測試時，為了能應(yīng)用彈性波理論，波長必須大到可以忽略土體顆粒界面等的影響，能將土體試樣視為均勻彈性介質(zhì)。同時，波長也必須小到可以將土體試樣視為無限介質(zhì)。另外，試樣的長度與直徑的比值要達到可以忽略試樣邊界的影響，因此必須選擇合適的試樣尺寸。通常認為，試樣直徑D 最小應(yīng)大于超聲波在試樣中的波長的5倍以上，這樣可以忽略試樣邊界面對超聲波的制導(dǎo)，能引用無限介質(zhì)中彈性波的各種理論。要測定試樣為無限大情況下的標(biāo)準(zhǔn)波速，試樣的尺寸應(yīng)取其L/D 的值小于3（L為試樣長度）。本試驗中選擇試樣D=39.1 mm，L=80 mm，L/D=2.05，符合要求，可以應(yīng)用彈性波理論，保證所測得的超聲波速值有效性。

表1 沖擊損傷試驗測試方案Table 1 Testing scheme of impact damage

選取東南沿海某建筑工程地基淺層殘積土制備試樣。制備程序包括土的風(fēng)干、碾碎、過篩、勻土、分樣、儲存以及制備試樣等過程。采用分層擊樣法，根據(jù)設(shè)計的試樣尺寸和密度，制備濕土樣。先在模具內(nèi)壁涂抹凡士林，再將濕土倒入擊樣器內(nèi)，分4層用擊實方法將土擊入，每層50 擊。最后成樣時，拆模，標(biāo)以標(biāo)簽，裝入玻璃缸密封備用。

3.3 試驗過程

檢測試樣受沖擊荷載前的超聲波聲時,包括縱波和橫波，采樣周期為0.4 μs，發(fā)射電壓為500 V。將擊樣錘置于設(shè)計高度處，并準(zhǔn)確與下方的試樣對正。讓擊樣錘自由下落，撞擊砂質(zhì)黏土試樣。檢測受荷后的殘積土試樣的超聲波聲時，分別采集5 個縱波聲時數(shù)據(jù)，精確到0.4 μs。用游標(biāo)卡尺測量受荷后試樣的長度L 和直徑D，精確到0.02 mm。測量殘積土試樣直徑時，分別量取兩端端部和中部的直徑數(shù)據(jù)。對受沖擊荷載的試樣進行下一次加載，重復(fù)以上步驟，直到設(shè)計的沖擊次數(shù)為止。沖擊頻率采用以下方法控制：在一定的時間內(nèi)完成相應(yīng)的沖擊次數(shù)，如果頻率為1.0 Hz，則在5 s 內(nèi)完成5次的沖擊次數(shù)。

3.4 試驗結(jié)果

對殘積土試樣進行沖擊試驗，每次沖擊后用超聲波檢測儀測試試樣的超聲波聲時，計算縱、橫波波速，結(jié)果見表2。表中，A1～A3 沖擊高度分別為20、30、40 cm，A1～A3 單位面積沖量I 分別為0.313、0.384、0.448 N·s/m2；B1～B5 沖擊頻率分別為0.2、0.6、1.0、1.2、2.0 Hz，沖擊高度為20 cm，I=0.313 N·s/m2。

表2 沖擊損傷試驗結(jié)果Table 2 Testing results of impact damage

4 基于超聲波檢測技術(shù)的殘積土沖擊損傷度分析

4.1 損傷變量選取及損傷度計算

土體的超聲波速與其強度、彈性常數(shù)、內(nèi)部微裂紋密度等密切相關(guān)。假設(shè)土體為各向同性體，試樣受沖擊荷載作用后內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，其超聲波縱波波速產(chǎn)生相應(yīng)的改變，反映試樣內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)的演變和損傷程度，且容易測試計算，因此可以用超聲波縱波波速作為沖擊損傷變量。

損傷度計算基于如下的基本假設(shè)：土體試樣初始狀態(tài)的損傷度為0，完全破壞、強度失效時損傷度為1。為研究沖擊荷載作用下土體的損傷特征，記試樣初始超聲縱波波速為cp0，第n 次沖擊后試樣的超聲波速為cpn，試樣的損傷度Dpn可定義[3－4]為

所給出的損傷度能綜合反映土體各參數(shù)在沖擊損傷過程中的劣化程度。

4.2 殘積土沖擊損傷度計算分析

4.2.1 損傷度與沖量的關(guān)系

表3為在沖擊頻率f=0.2 Hz 作用不同沖量條件下殘積土損傷度Dpn計算結(jié)果。圖2為試樣A1～A3 在沖擊頻率f=0.2 Hz 作用后損傷度Dpn與沖量I 關(guān)系曲線。

表3 在沖擊頻率f=0.2 Hz 作用下不同沖量與殘積土損傷度Dpn關(guān)系Table 3 Relationships between residual soil sample damage degree Dpnand impulse(impact f=0.2 Hz)

圖2 f=0.2 Hz 時損傷度與沖量關(guān)系曲線Fig.2 Relationships between damage degree and impulse(impact f=0.2 Hz)

如圖2 所示，損傷度Dpn隨著沖量I 的增大都有上升趨勢，表明動荷載沖量越大，試樣的損傷程度的積累越大。表3 中，A1 在沖擊次數(shù)為3 次時，損傷度Dpn=-0.19，說明試樣A1 在3 次沖擊作用下試樣內(nèi)部非但沒有損傷，而且比受荷前的力學(xué)性能要好，試樣表現(xiàn)為壓縮密實，孔隙減小，密度變大，縱波波速增大，損傷度就出現(xiàn)了負值。

4.2.2 損傷度與沖擊頻率的關(guān)系

表4為沖量I=0.313 N·s/m2不同沖擊頻率作用下殘積土損傷度Dpn的計算結(jié)果，圖3為試樣在荷載沖量I=0.313 N·s/m2作用后損傷度Dpn與沖擊頻率f 關(guān)系。對于同一沖擊次數(shù)，當(dāng)沖擊頻率增大時，試樣的損傷度Dpn都有上升的趨勢。沖擊次數(shù)n=6 次時，曲線的上升趨勢較陡，表明殘積土在沖擊次數(shù)較小損傷程度相對不大時，沖擊頻率對損傷度的影響較大。沖擊頻率為1.2 Hz 試樣損傷積累程度很大，而頻率小的試樣的損傷程度還??；沖擊次數(shù)n=10 次時，損傷度-沖擊頻率曲線上升趨勢變緩，表明此時試樣的損傷度都較大，受頻率快慢的影響較小。繼續(xù)增加沖擊次數(shù)，損傷度-沖擊頻率曲線的上升趨勢又變陡，表明試樣的損傷程度的積累速率又開始變快。

表4 在沖量I=0.313 N·s/m2 作用下殘積土損傷度DpnTable 4 Impact of residual soil samples damage degree Dpn(I=0.313 N·s/m2)

圖3 損傷度與沖擊頻率的關(guān)系Fig.3 Relationships between damage degree Dpnand frequency with the same impulse

4.3 殘積土沖擊損傷的演化特性

對土體試樣的沖擊荷載試驗發(fā)現(xiàn)，不同沖擊次數(shù)作用后殘積土試樣的沖擊損傷演化過程中有以下幾種變形形式：

小變形：在沖擊次數(shù)n＜3 次后，殘積土試樣受沖擊荷載作用后一般表現(xiàn)為直徑變大，高度變小，此時，損傷度Dpn＜0.2。

端部出現(xiàn)裂紋：繼續(xù)施加沖擊荷載，殘積土試樣端部出現(xiàn)微裂紋，并隨著沖擊次數(shù)的增加，裂紋向下擴展（見圖4）。此時，0.2＜Dpn＜0.3。

前端1/3 處鼓脹或出現(xiàn)裂紋：若荷載頻率較大，隨著沖擊次數(shù)的增加，殘積土試樣的前端大約1/3處會出現(xiàn)明顯的鼓脹；若荷載沖擊頻率較小，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣的前端大約1/3 處微裂紋出現(xiàn)、發(fā)展和擴張。沖擊10 次時，內(nèi)損傷度緩慢增長；沖擊15 次時，損傷度出現(xiàn)極大值；沖擊6 次時，試樣表面出現(xiàn)微裂紋。繼續(xù)增加沖擊荷載，裂紋發(fā)展、擴張，并發(fā)展成多條豎向裂紋，見圖5。

圖4 殘積土試樣小變形、端部裂紋擴展Fig.4 Top flaw expanding and small deformation of residual soil samples

圖5 殘積土試樣端部1/3 處出現(xiàn)鼓脹、端部1/3 處的裂紋擴展Fig.5 Top flaw expanding and meteorism of residual soil samples

前端裂紋擴展與表面剝落：當(dāng)荷載沖量繼續(xù)加大，殘積土試樣首先是壓縮變形，直徑變大，然后端部出現(xiàn)微裂紋；隨著沖擊次數(shù)的增加，橫向形變加大，裂紋繼續(xù)擴張；直到?jīng)_擊15 次時，殘積土試樣前端出現(xiàn)表面剝落的現(xiàn)象，見圖6。

圖6 殘積土試樣端部裂紋擴展Fig.6 Top flaw expanding of residual soil samples

5 結(jié) 論

（1）土體超聲波速與其內(nèi)部微裂紋密度等密切相關(guān)，試樣受沖擊荷載作用后，內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，其超聲波縱波波速產(chǎn)生相應(yīng)的改變，反映試樣內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)的演變和損傷程度，且容易測試計算，因此選用超聲波縱波波速作為沖擊損傷變量。

（2）土體試樣初始狀態(tài)的損傷度為0，完全破壞、強度失效時損傷度為1。為研究沖擊荷載作用下土體的損傷特征，記試樣初始超聲縱波波速為Cp0，第n 次沖擊后，試樣的超聲波速為Cpn，則試樣的損傷度Dpn可定義為所給出損傷度能綜合反映土體各參數(shù)在沖擊損傷過程中劣化程度。

（3）損傷度Dpn隨著沖量I 的增大都有上升趨勢，表明動荷載沖量越大，試樣的損傷程度的積累越大。對于同一沖擊次數(shù)，當(dāng)沖擊頻率增大時試樣的損傷度Dpn都有上升的趨勢。

（4）隨著損傷度的增加，殘積土沖擊損傷的演化可分為小變形、端部出現(xiàn)裂紋、前端1/3 處鼓脹或出現(xiàn)裂紋、前端裂紋擴展與表面剝落等幾個不同的損傷演化破壞過程。

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