沖擊荷載作用下砂巖動態(tài)力學(xué)性能與耗能規(guī)律

朱永剛

(核工業(yè)華東建設(shè)工程集團(tuán)公司，江西 南昌 330013)

0 前 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)及工程技術(shù)的發(fā)展，各類巖土工程大量涌現(xiàn)，涉及到土木、礦產(chǎn)、水利等與國民生活息息相關(guān)的領(lǐng)域[1]，如大斷面鐵路和公路建設(shè)工程、大型核電站及礦山深部開采工程等。目前,爆破技術(shù)是巖土工程開挖的主要手段,由于爆破技術(shù)具備較為經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)點,可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益而被廣泛應(yīng)用到這些工程當(dāng)中。地下工程巖體處于時常遭受爆炸、開挖擾動等因素影響的地質(zhì)環(huán)境中，這些影響不可忽略，會對巖體造成一定程度的破壞和損傷，從而對巖土工程的安全性造成威脅[2-3]。研究這類工程問題將涉及到巖石動力學(xué)性能[4-5]，因此，了解沖擊荷載作用下巖石的動態(tài)力學(xué)性能十分必要。

李海波等[6]在相同圍壓下進(jìn)行了不同風(fēng)化程度的花崗巖的動三軸壓縮實驗，研究發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)化程度花崗巖試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨加載速率的增加而增大，泊松比則相反。李夕兵等[7-9]利用霍普金森壓桿技術(shù)研究了各種巖石材料的動力特性與破壞模式。李祥龍[10]等研究了應(yīng)變率及節(jié)理傾角對巖石動態(tài)力學(xué)特性的影響，研究表明：節(jié)理傾角試件的能量耗散率隨應(yīng)變率的變化程度大于完整試件。許金余等[11-12]利用帶高溫裝置的φ100 mm 分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)對不同高溫下大理巖進(jìn)行SHPB試驗研究，并基于分形理論探索了破碎分維及破碎塊度與能量耗散的內(nèi)在聯(lián)系。

本文利用SHPB試驗裝置研究了砂巖在沖擊荷載作用下的單位體積吸收能、動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系以及破碎規(guī)律。

1 砂巖動態(tài)沖擊試驗

1.1 試件制備

本次試驗所選用的巖樣采自湖南省瀏陽焦溪地區(qū)，該巖石呈灰白色，質(zhì)地均勻，主要由石英與方解石構(gòu)成，巖樣具體的礦物成分組成見表1。

表1 砂巖的礦物成分組成

為保證壓力作用下應(yīng)力均勻，將砂巖制作成直徑50 mm，高度70 mm的圓柱體試樣，試驗前對試樣的側(cè)面及端部進(jìn)行仔細(xì)研磨，使其不平行度和不垂直度均小于0.02 mm.采用RTM-150B試驗機(jī)對砂巖進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，測得其平均單軸抗壓強(qiáng)度為78 MPa，彈性模量為9.519 GPa，變形模量為5.945 GPa.

1.2 SHPB試驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

本次試驗設(shè)備采用的是湖南科技大學(xué)的分離式霍普金森壓桿試驗(SHPB)系統(tǒng)。如圖1所示，SHPB系統(tǒng)主要包括三個部分：動力驅(qū)動系統(tǒng)、壓桿系統(tǒng)及數(shù)據(jù)接收和采集系統(tǒng).壓桿系統(tǒng)包括入射桿和透射桿，桿件由40Cr高強(qiáng)鋼組成.試驗巖樣置于入射桿與透射桿之間，并利用空氣加壓給射彈加速實現(xiàn)沖擊過程。該裝置采用異形沖頭，以實現(xiàn)半正弦波加載。數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備為CS-1D超動態(tài)應(yīng)變儀和DL-750示波器。

圖1 SHPB裝置示意圖

1.3 試驗方法及結(jié)果

采用Φ50 mm的SHPB試驗裝置進(jìn)行實驗時，射彈的加載行程設(shè)置為1.5 m。為減少界面摩擦效應(yīng)，在試樣兩端均勻涂抹一層黃油，試驗時將試樣置于入射桿與透射桿之間，確保試樣與壓桿端面重合，并施加2 MPa軸壓使試件固定，確保試驗過程中試件不會因自重作用掉落，然后在8個不同沖擊氣壓梯度下對砂巖進(jìn)行試驗，篩選出結(jié)果規(guī)律良好的一組進(jìn)行分析，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 砂巖SHPB試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同沖擊氣壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖2描述的是砂巖在不同沖擊氣壓梯度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)，可大致分為四個階段，即初始壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。其中圖2(a)是在沖擊荷載較低的情況下巖石的動態(tài)響應(yīng)，可以看出在曲線初始處有不平穩(wěn)上升段，該階段對應(yīng)巖樣的壓密過程，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是巖石內(nèi)部含有原始孔隙和微裂隙，受到應(yīng)力作用下孔隙逐漸閉合。根據(jù)圖2可知，在應(yīng)力達(dá)到峰值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了兩種破壞形態(tài)：①峰值應(yīng)力小于試樣的屈服強(qiáng)度，試驗后巖樣破碎程度小，基本保持完整，因荷載的施加導(dǎo)致巖樣內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生及延伸，使巖樣應(yīng)力卸載后仍會出現(xiàn)不可逆變形，卸載曲線產(chǎn)生明顯的滯回圈，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈閉口型如圖2(a)所示；②峰值應(yīng)力大于巖樣屈服強(qiáng)度，試樣發(fā)生破壞，隨后應(yīng)力減小而變形仍然增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈開口型如圖2(b)所示。

值得注意的是閉口型曲線中部出現(xiàn)下凹段而開口型曲線并未出現(xiàn)，分析其原因是由于較低沖擊荷載條件下巖石試樣內(nèi)部仍存在空隙未擠密，表明在0.5～0.6 MPa的沖擊氣壓之間存在一個使裂隙完全閉合的臨界荷載值。另外觀察發(fā)現(xiàn)隨著沖擊荷載增加兩種曲線應(yīng)力峰值漸進(jìn)性增大且出現(xiàn)“滯后”現(xiàn)象，說明沖擊荷載的增大使得試樣塑性增強(qiáng)。同時圖2(b)所示，在較高沖擊荷載下，峰后曲線有逐漸上揚(yáng)趨勢，砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降變緩，表明在較高沖擊荷載下，砂巖破壞表現(xiàn)出脆性轉(zhuǎn)延性的特點。

(a)閉口型曲線

(b)開口型曲線

2.2 砂巖應(yīng)變率效應(yīng)及破碎特性分析

根據(jù)沖擊氣壓與平均應(yīng)變率關(guān)系(見圖3)可知，隨著沖擊氣壓的提高，試樣的應(yīng)變率也不斷增大，沖擊氣壓與應(yīng)變率之間表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相關(guān)性。這是由于當(dāng)外界載荷施加到試樣上時，會使得試樣原始裂隙閉合或擴(kuò)展，而荷載作用的時間和強(qiáng)度不同，裂隙閉合和擴(kuò)展的速度也有差異，因此，表現(xiàn)出來的應(yīng)變率不同。

圖3 平均應(yīng)變率與沖擊氣壓關(guān)系

從破壞形態(tài)(見圖4)上來看，不同應(yīng)變率下砂巖的破碎形式和破壞程度存在差異。當(dāng)平均應(yīng)變率為23.43 s-1時，試樣保持完整狀態(tài)，僅在端部有輕微剝落；在47.31 s-1應(yīng)變率下，試樣發(fā)生局部破碎且破碎塊度較大，裂紋沿壓應(yīng)力方向擴(kuò)展或貫通形成軸向劈裂破壞；應(yīng)變率提高到103.16 s-1，砂巖試樣發(fā)生粉碎性破壞。隨著應(yīng)變率的增加，砂巖破碎程度逐漸加劇，試樣破壞后小尺寸碎塊比例不斷增加，破壞形式由塊狀轉(zhuǎn)變成粉碎性破壞。

圖4 不同應(yīng)變率下砂巖破碎形態(tài)

對不同應(yīng)變率下砂巖試樣碎塊尺寸大于20 mm的巖塊進(jìn)行篩分統(tǒng)計，然后繪制出碎塊尺寸以及單位體積吸收能與應(yīng)變率的關(guān)系曲線(見圖5)，從圖5可以看出，隨著平均應(yīng)變率的增大，單位體積吸收能越高，巖石碎塊的大塊占比越小。其中，單位體積吸收能與應(yīng)變率呈近線性關(guān)系，根據(jù)Griffith定律，巖石破碎的表面積與應(yīng)變率成正比關(guān)系，結(jié)合巖樣破壞的大塊占比與應(yīng)變率的關(guān)系可知符合此規(guī)律，以上情況說明隨著平均應(yīng)變率增加，砂巖的單位體積吸收能越高，被激活的微裂紋增多，使得試樣的破壞程度越大。

圖5 單位體積吸收能和大塊占比與應(yīng)變率的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文對砂巖進(jìn)行SHPB沖擊試驗，研究了不同沖擊荷載梯度下砂巖的動態(tài)特性和能耗特征，主要結(jié)論如下：

1)砂巖SHPB試驗中，在應(yīng)力達(dá)到峰值后試樣的破壞形態(tài)出現(xiàn)了2種情況，一是沖擊荷載較小時，峰值應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈閉口型；二是沖擊荷載較大時，峰值應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈開口型。另外發(fā)現(xiàn)隨著沖擊荷載增加砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值漸進(jìn)性增大且出現(xiàn)“滯后”現(xiàn)象，說明沖擊荷載的增大使得試樣變形模量增大。

2)巖石材料的破碎特征有明顯的率相關(guān)性，隨著應(yīng)變率增加，巖石內(nèi)部微裂紋數(shù)增多，砂巖破碎特征由完整到軸向劈裂破壞到粉碎性破壞轉(zhuǎn)變。

3)隨著平均應(yīng)變率的增大，單位體積吸收能越高，巖石碎塊的大塊占比越小，砂巖的試樣的破壞程度越大。