循環(huán)沖擊荷載下機(jī)制砂噴射混凝土動(dòng)力特性研究

劉仲陽(yáng)，王新宇，李慶東，李鵬飛，王俊波，宋 林

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南焦作 454000; 2.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124;3.中鐵云網(wǎng)信息科技有限公司,北京 100039)

引言

噴射混凝土技術(shù)因其施工方便、施工成本低等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于隧道工程[1-3]。小間距隧道鉆爆施工時(shí),既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)必然會(huì)受到爆炸沖擊荷載的影響;而隧道鉆爆施工是循環(huán)施工過(guò)程,鄰近既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到循環(huán)爆炸沖擊荷載的作用,造成既有隧道混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的劣化和累積損傷,進(jìn)而影響既有隧道運(yùn)營(yíng)安全。因此,有必要對(duì)循環(huán)沖擊荷載下噴射混凝土的動(dòng)力特性和能量演化規(guī)律進(jìn)行深入研究。

機(jī)制砂噴射混凝土與常規(guī)噴射混凝土最大的區(qū)別在于細(xì)骨料。通常情況下,噴射混凝土所用的細(xì)骨料多為河砂[4]。然而,近年來(lái)河砂的持續(xù)超采已經(jīng)造成了河砂資源的枯竭和嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。為此,中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部聯(lián)合國(guó)家發(fā)展改革委、自然資源部等部門于2019年11月聯(lián)合出臺(tái)了《關(guān)于推進(jìn)機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》[5],明確指出機(jī)制砂石逐漸成為我國(guó)建設(shè)用砂石的主要來(lái)源,而機(jī)制砂也逐漸替代河砂應(yīng)用于噴射混凝土材料[6-7]。部分學(xué)者采用分離式霍布金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了噴射混凝土材料的沖擊試驗(yàn),以研究其動(dòng)力特性和能量耗散特征。CHEN等[8]采用SHPB試驗(yàn)裝置,研究了鋼纖維噴射混凝土和聚丙烯纖維噴射混凝土的動(dòng)力性能和能量耗散特征,并分析了纖維參量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。KALHORI等[9]分析了納米材料參量對(duì)噴射混凝土動(dòng)彈性模量的影響。方江華等[10]進(jìn)行了輕骨料纖維噴射混凝土的一維沖擊試驗(yàn),探究了陶粒和聚丙烯纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土動(dòng)力特性的影響。石曉宇等[11]進(jìn)行了陶粒混雜纖維噴射混凝土的一維SHPB沖擊試驗(yàn),研究了干濕循環(huán)作用對(duì)其沖擊性能的影響。JIANG等[12]試驗(yàn)研究了一維沖擊條件下輕骨料纖維噴射混凝土的動(dòng)力性能,并結(jié)合掃描電鏡分析了輕骨料纖維噴射混凝土抗沖擊性能的細(xì)觀機(jī)理。綜上,既有關(guān)于噴射混凝土的研究主要集中在單次沖擊荷載下常規(guī)噴射混凝土的動(dòng)力特性方面,而沖擊荷載作用下機(jī)制砂噴射混凝土的動(dòng)力性能研究鮮見。另一方面,新建隧道爆破施工所產(chǎn)生的動(dòng)荷載的應(yīng)變率一般不超過(guò)103s-1,且其隨著距炮孔距離的增大而逐漸降低,鄰近既有小凈距隧道噴射混凝土所承受的爆破荷載應(yīng)變率在10 s-1量級(jí)[13-15],屬于中低應(yīng)變率范圍,該量級(jí)應(yīng)變率的動(dòng)荷載并不能造成噴射混凝土的一次性破壞,卻能導(dǎo)致噴射混凝土力學(xué)性能的劣化和內(nèi)部損傷的產(chǎn)生。

為研究中低應(yīng)變率范圍循環(huán)沖擊荷載下機(jī)制砂噴射混凝土的動(dòng)力特性,采用改進(jìn)的大直徑分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置,開展了4個(gè)軸壓水平、3個(gè)沖擊速度下的機(jī)制砂噴射混凝土循環(huán)沖擊試驗(yàn)。研究了軸壓和沖擊速度對(duì)試樣破壞形態(tài)、動(dòng)彈性模量、吸收能、比能量吸收值和累積損傷的影響規(guī)律,以期為機(jī)制砂噴射混凝土動(dòng)力性能的深入研究和隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 機(jī)制砂

機(jī)制砂母巖為昌景黃鐵路云頭山隧道花崗巖洞渣,其單軸抗壓強(qiáng)度為134.1 MPa。表1為機(jī)制砂的顆粒級(jí)配,機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.8。機(jī)制砂的物理性能如表2所示,結(jié)果表明,該砂的各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2022的要求[16]。

表1 機(jī)制砂顆粒級(jí)配Tab.1 Grain composition of manufactured sand

表2 機(jī)制砂物理參數(shù) %Tab.2 Physical properties of manufactured sand

1.2 機(jī)制砂噴射混凝土配合比

機(jī)制砂噴射混凝土配合比采用云頭山隧道噴射混凝土配合比,如表3所示。其中,水泥采用(P.O-42.5)普通硅酸鹽水泥,粗骨料選用粒徑5～10 mm的級(jí)配碎石,細(xì)骨料采用1.1節(jié)機(jī)制砂。

表3 噴射混凝土配合比 kg/m3Tab.3 Mix proportions of shotcrete

1.3 機(jī)制砂噴射混凝土試樣

在制備噴射混凝土試樣時(shí),按照《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求[17],采用濕噴機(jī)在尺寸為800 mm(長(zhǎng))×800 mm(寬)×120 mm(高)的模具中噴射混凝土。噴射完成后用保鮮膜覆蓋于表面,現(xiàn)場(chǎng)靜置24 h后將試樣移至(20±2) ℃(相對(duì)濕度95%)的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。噴射混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后,鉆芯法制備試驗(yàn)用試件。其中,直徑和高度均為100 mm的圓柱體試件用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),測(cè)得的機(jī)制砂噴射混凝土28 d單軸抗壓強(qiáng)度為29.0 MPa,彈性模量為9.7 GPa;直徑和高度均為50 mm的圓柱體試件用于循環(huán)沖擊試驗(yàn),部分機(jī)制砂噴射混凝土試樣如圖1所示。

1.4 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

SHPB試驗(yàn)裝置如圖2所示,其中,壓桿系統(tǒng)包括入射桿、透射桿和耗能桿,桿件均由40Cr高強(qiáng)鋼組成,密度7 850 kg/m3,波速為5 172 m/s,彈性模量為210 GPa,其直徑均為50 mm,子彈長(zhǎng)度為 0.4 m,入射桿、透射桿和耗能桿的長(zhǎng)度分別為3,2 m和2 m。

圖2 SHPB試驗(yàn)裝置Fig.2 SHPB test device

循環(huán)沖擊試驗(yàn)中,軸壓近似按試樣28 d單軸抗壓強(qiáng)度的10%、20%、30%、40%考慮,分別為3,6,9 MPa和12 MPa;每種軸壓水平對(duì)試樣分別進(jìn)行6,7 ms和8 ms三種速度的循環(huán)沖擊試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴射混凝土破壞形態(tài)

表4給出了循環(huán)沖擊試驗(yàn)完成后機(jī)制砂噴射混凝土的破壞形態(tài)。

表4 噴射混凝土破壞形態(tài)Tab.4 Failure patterns of shotcrete

由表4可知,軸壓和沖擊速度對(duì)機(jī)制砂噴射混凝土的破壞形態(tài)均有較大影響。軸壓相同時(shí),試樣碎塊尺寸隨著沖擊速度增加而減小,碎塊數(shù)量隨著沖擊速度增加而增加。沖擊速度相同時(shí),試樣碎塊尺寸隨著軸壓增加而增大,而碎塊數(shù)量隨軸壓增加而減少,軸壓的增加能夠約束試樣變形。較大的沖擊速度對(duì)應(yīng)較大的應(yīng)變率和輸入能量。沖擊速度增加時(shí),循環(huán)沖擊過(guò)程中試樣吸收的能量增加,試樣的損傷破壞過(guò)程亦相應(yīng)加快。循環(huán)沖擊過(guò)程中,較大的沖擊速度必然會(huì)造成試樣內(nèi)部裂紋的快速萌生和發(fā)展,以及試樣內(nèi)部裂紋數(shù)量的增加,進(jìn)而導(dǎo)致試樣碎塊尺寸的減小和碎塊數(shù)量的增加。

2.2 動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為機(jī)制砂噴射混凝土試樣的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可知,循環(huán)沖擊過(guò)程中,試樣應(yīng)變率隨沖擊次數(shù)的增加逐漸增大。軸壓相同時(shí),沖擊速度越大,試樣破壞所需的沖擊次數(shù)越少;沖擊速度相同時(shí),試樣破壞所需要的沖擊次數(shù)隨軸壓的增大而不斷增加。試樣未完全破壞前,應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)較為明顯的“回彈”現(xiàn)象;最后一次沖擊試驗(yàn)造成試樣的完全破壞,其承載能力喪失,應(yīng)力-應(yīng)變曲線不再有“回彈”現(xiàn)象。

圖3 不同軸壓下噴射混凝土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of shotcrete specimens under different axial pressures

2.3 峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變

在不同沖擊速度情況下,機(jī)制砂噴射混凝土峰值應(yīng)力與軸壓和循環(huán)沖擊次數(shù)間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出,沖擊速度和軸壓均相同時(shí),峰值應(yīng)力隨著沖擊次數(shù)的增加呈逐漸下降趨勢(shì),即噴射混凝土對(duì)外部沖擊載荷的抵抗能力逐漸下降,體現(xiàn)出混凝土在循環(huán)沖擊作用下強(qiáng)度劣化的特性。在同一沖擊速度下,循環(huán)沖擊過(guò)程中試樣峰值應(yīng)力的下降趨勢(shì)隨軸壓的增大逐漸變緩,表明軸壓增加有助于提高試樣抵抗外部循環(huán)沖擊載荷的能力。同一軸壓下,試樣峰值應(yīng)力隨著沖擊速度的增加不斷增大。

圖4 峰值應(yīng)力與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationships between peak stress and impact times

圖5給出了在不同沖擊速度情況下,機(jī)制砂噴射混凝土峰值應(yīng)變與軸壓和循環(huán)沖擊次數(shù)間的關(guān)系。由圖5可知,沖擊速度和軸壓均相同時(shí),峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)呈逐漸增加的趨勢(shì)。在同一沖擊速度下,循環(huán)沖擊過(guò)程中試樣峰值應(yīng)變的增加趨勢(shì)隨軸壓的增大逐漸變緩。同一軸壓下,試樣峰值應(yīng)變隨著沖擊速度的增加不斷增大。

圖5 峰值應(yīng)變與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationships between peak strain and impact times

2.4 動(dòng)彈性模量

由上文可知,試樣動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)明顯的初始?jí)好芏?而在動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升階段表現(xiàn)出較為明顯的線彈性(圖3)。因此,循環(huán)沖擊荷載下機(jī)制砂噴射混凝土的動(dòng)彈性模量可由式(1)計(jì)算。

(1)

式中,E50為動(dòng)彈性模量;σ50為峰值應(yīng)力50%處的應(yīng)力值;ε50為σ50對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

圖6為不同沖擊速度下,試樣動(dòng)彈性模量與軸壓和沖擊次數(shù)間的變化關(guān)系。由圖6可知,沖擊速度和軸壓均相同時(shí),動(dòng)彈性模量隨著沖擊次數(shù)的增加不斷降低;其原因是循環(huán)沖擊過(guò)程中試樣內(nèi)部損傷不斷累積,試樣抵抗外部沖擊荷載的能力逐漸下降,進(jìn)而表現(xiàn)為材料力學(xué)性能的不斷劣化。軸壓對(duì)試樣動(dòng)彈性模量的影響不顯著。

圖6 動(dòng)態(tài)彈性模量與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationships between dynamic elastic modulus and impact times

2.5 能量演化

在循環(huán)沖擊試驗(yàn)中,在沖擊桿與試樣的接觸面上涂抹黃油,以忽略界面處的能量損失。進(jìn)而,入射波、反射波和透射波所攜帶的能量以及試樣吸收能量可由下式計(jì)算[18-20]

(2)

(3)

(4)

WS=WI-WR-WT

(5)

Ev=WS/VS

(6)

式中,WI、WR、WT分別為入射能量、反射能量和透射能量;WS為試樣吸收能量;Ev為比能量吸收值;VS為試樣體積。

由式(2)～式(6),可計(jì)算得到循環(huán)沖擊過(guò)程中各能量值,如表5所示。由表5可知,軸壓和沖擊速度相同時(shí),循環(huán)沖擊過(guò)程中入射能較為穩(wěn)定,說(shuō)明了試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和可靠性;隨沖擊次數(shù)增加,反射能和吸收能逐漸增大,透射能逐漸降低。同一軸壓下,沖擊速度越大,單次沖擊試樣的吸收能越大,試樣完全破壞所需要的沖擊次數(shù)越少。沖擊速度相同時(shí),試樣破壞所需要的吸收能隨軸壓的增加而增大,亦即是說(shuō),軸壓的增加提高了試樣的耗能能力,從而減緩了試樣力學(xué)性能的劣化進(jìn)程。

表5 噴射混凝土試樣SHPB試驗(yàn)?zāi)芰拷Y(jié)果Tab.5 Energy results of SHPB test on shotcrete specimens

圖7給出了不同沖擊速度時(shí)試樣比能量吸收值與軸壓和沖擊次數(shù)的變化關(guān)系。由圖7可以看出,沖擊速度和軸壓對(duì)比能量吸收值均有較為顯著的影響。軸壓和沖擊速度相同時(shí),比能量吸收值隨沖擊次數(shù)的增加逐漸增大。同一沖擊速度下,較高軸壓對(duì)比能量吸收值的影響更為顯著。隨沖擊速度增大,試樣比能量吸收值的增加較為明顯;以軸壓為12 MPa時(shí)為例,沖擊速度為6 m/s時(shí),比能量吸收值為0.198 8～0.238 0 Jcm-3;沖擊速度為7 m/s時(shí),比能量吸收值為0.252 6～0.285 7 Jcm-3;沖擊速度為8 m/s時(shí),比能量吸收值范圍為0.298 2～0.332 2 Jcm-3。

圖7 比能量吸收值與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationships between specific energy absorption value and impact times

為更加清晰地說(shuō)明循環(huán)沖擊過(guò)程中試樣吸收能的演化規(guī)律,定義累計(jì)比能量吸收值δ為[21-22]

(7)

式中,δ為累計(jì)比能量吸收值;n為循環(huán)荷載沖擊次數(shù)。

圖8為在不同沖擊速度下,試樣累計(jì)比能量吸收值與軸壓和沖擊次數(shù)的變化關(guān)系。由圖8可知,隨著沖擊次數(shù)增加,試樣的累計(jì)比能量吸收值呈線性增加趨勢(shì)。沖擊速度相同時(shí),軸壓越大,試樣破壞時(shí)所需累計(jì)比能量吸收值越大,亦即軸壓的增加可以顯著提高試樣的耗能能力。

圖8 累計(jì)比能量吸收值與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationships between cumulative specific energy absorption value and impact times

2.6 累積損傷演化

采用彈性模量法[23-25]計(jì)算循環(huán)沖擊過(guò)程中機(jī)制砂噴射混凝土試樣的累積損傷,如式(8)所示。

(8)

式中,Dn為基于彈性模量法噴射混凝土的累積損傷;En和E0分別為第n沖擊后和初始無(wú)損傷時(shí)的彈性模量,此處E0取25 GPa。

圖9為在不同沖擊速度下,試樣累積損傷值與軸壓和沖擊次數(shù)的變化關(guān)系。由圖9可以看出,不同軸壓下的噴射混凝土累積損傷規(guī)律性不夠明顯。試樣累積損傷隨沖擊次數(shù)的增加不斷增大;軸壓增大可以抑制試樣損傷的發(fā)展。沖擊速度越大,試樣累積損傷發(fā)展越快,試樣達(dá)到破壞所需要的沖擊次數(shù)越少。

圖9 累積損傷與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationships between cumulative damage and impact times

3 結(jié)論

采用改進(jìn)的大直徑SHPB試驗(yàn)裝置,對(duì)28 d齡期的機(jī)制砂噴射混凝土試樣分別進(jìn)行3,6,9 MPa和12 MPa四個(gè)軸壓下的循環(huán)沖擊試驗(yàn),研究循環(huán)沖擊荷載作用下機(jī)制砂噴射混凝土的動(dòng)力特性和能量演化規(guī)律,主要結(jié)論如下。

(1)軸壓和沖擊速度對(duì)機(jī)制砂噴射混凝土的破壞形態(tài)、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和應(yīng)變率均有較大影響,軸壓的增加能夠有效抑制試樣的變形。

(2)軸壓相同時(shí),沖擊速度越大,試樣破壞所需的沖擊次數(shù)越少,沖擊速度相同時(shí),試樣破壞所需的沖擊次數(shù)隨著軸壓的增大而不斷增加。軸壓為12 MPa,沖擊速度為6 m/s時(shí),試樣破壞所需的沖擊次數(shù)為12次,遠(yuǎn)大于沖擊速度為8 m/s時(shí)的7次。

(3)沖擊速度和軸壓均相同時(shí),隨著沖擊次數(shù)的增加,試樣峰值應(yīng)力和動(dòng)彈性模量不斷降低,峰值應(yīng)變和應(yīng)變率不斷增加;軸壓對(duì)試樣動(dòng)彈性模量和累積損傷的影響不顯著。

(4)隨著沖擊次數(shù)的增加,試樣的累計(jì)比能量吸收值呈線性增加趨勢(shì)。沖擊速度相同時(shí),軸壓越大,試樣破壞時(shí)所需累計(jì)比能量吸收值越大。