不同圍壓和軸壓下花崗類巖石的動力特性分析

王立新

（天津華北地質勘查局核工業247大隊 天津 300192）

1 前言

隨著我國工程建設的快速發展，在地下工程、國防工程（如隧道及巖坡的爆破開挖、核爆防護工程、高鐵列車荷載下的路基工程等）等重點基礎設施中涉及到許多沖擊荷載下巖石的動力破壞問題[1]。

巖石的動態力學性能是認識巖石介質中應力波傳播規律和巖石動載破壞機理的關鍵，是評價巖石結構在爆炸、地震等動荷載作用下穩定性的重要參數，同時也是開展巖石材料和結構動荷載作用下的數值計算以及抗震抗爆結構工程設計的基礎，因此開展其動態力學性能的試驗研究具有重要的理論意義和軍事、民用價值[2]。

在研究工程中，利用分離式霍布金森壓桿（Sp?lit Hopkins on Pressure Bar，簡稱SHPB）試驗裝置進行巖石材料的動態力學性能研究，已被眾多學者視為一種有效、簡便的試驗研究方法[3]。

2 SHPB沖擊試驗

2.1 SHPB沖擊試驗材料

試驗巖樣采自甘肅北山地區某預選廠區，利用實驗室的試件加工設備，經過鉆芯、切割、打磨3道工序，最終加工成圓柱形試件，直徑為50mm，高度為30mm，端面平行度控制在±0.05mm以內，表面平面度在±0.02mm以內，如圖1所示。

圖1 實驗室加工試樣

2.2 SHPB沖擊試驗系統

巖石動態沖擊試驗研究采用Φ50mm桿徑SHPB試驗裝置，入射桿、透射桿、吸收桿和沖頭均采用40Cr合金鋼，黏貼在入射桿和透射桿上的應變片型號為B120-2AA，數據采集為CS–1D超動態應變儀和DL-750示波器，數據處理采用基于VisualC++平臺自主開發的系統數據處理軟件CLRM，加載應力通過采用異形沖頭實現了半正弦應力波加載，裝置和測試記錄系統如圖2所示[4]。

圖2 Φ50mm桿徑SHPB試驗裝置及系統圖

2.3 SHPB試驗方案

對不同種類和批次的巖石，研究其動態抗拉強度以及不同圍壓、軸壓下的動態抗壓強度。根據巖石種類、制樣個數，制定試驗方案，針對每種不同的花崗類巖石首先進行室內的靜態試驗，比如縱波速度、密度、彈性模量等，然后再按照不同圍壓、軸壓以及沖擊壓力選取和制作巖石試樣，部分試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3 沖擊試驗結果分析

3.1 實測波形曲線

圖3-圖4給出了SHPB沖擊試驗中，分別進行不同條件的沖擊試驗，入射桿和透射桿上不同巖性巖體的典型實測波形曲線。

圖3 片麻巖梯度氣壓下動態劈裂實測波形曲線

圖4 花崗巖梯度氣壓下動態劈裂實測波形曲線

通過實測波形曲線可以看出，入射波的形狀比較穩定，基本上近似為矩形，且在峰值處能夠持續一段時間，與一維彈性應力波理論結果一致；試件一般會產生“V”形的拉應變反射波，波谷的深淺能夠較好地反映破碎的嚴重程度，越深表示花崗巖試件破碎得越嚴重；透射波與入射波形較為一致，一般在到達極值之后很快就會沿一條近似的直線衰減。

3.2 應變率時程曲線

根據一般的傾向性看法，荷載狀態可按加載時的應變率大小進行分類，見表2。

表2 按應變率分級的荷載狀態

圖5-圖6給出了SHPB沖擊試驗中，分別進行不同條件的沖擊試驗，入射桿和透射桿上不同巖性巖體的典型實測應變率時程曲線。

圖5 片麻巖梯度氣壓下單軸沖擊應變率時程曲線

圖6花崗巖梯度氣壓下單軸沖擊應變率時程曲線

3.3 應力-應變曲線及破壞形態

圖7 ～圖8分別為不同沖擊條件下巖石的應力-應變曲線，從圖中可以看出，有圍壓與單軸曲線形狀相近，為半橢圓形，但有圍壓時試樣的強度偏大而破壞應變偏小。

圖7 片麻巖梯度氣壓下應力—應變曲線

圖8花崗巖梯度氣壓下應力—應變曲線

圖9 和圖10為動不同沖擊條件下試樣破壞后的形態，從照片中可以看出，由于有圍壓的約束，動三軸試驗中試樣破裂成若干塊；而動單軸試驗中，試樣破壞后的顆粒更小，粉碎更嚴重。動態劈裂試驗中，試樣破裂為兩部分。

從破碎程度看，隨著沖擊加載速度的增加，入射波攜帶的能量也就越多，相應的試件破碎吸收的能量也就越多，破碎就越劇烈，巖石破碎的顆粒尺寸也會越來越小，塊數越來越多；從破碎形式看，當沖擊荷載增加到超過破壞閾值時，試件的內部裂紋擴展程度加劇，呈現脆性斷裂破壞形態，破壞形式從塊狀到粉狀。

圖9 片麻巖低氣壓動態劈裂破壞形態

圖10 片麻巖高氣壓動態劈裂破壞形態

3.4 巖石動參數

根據試驗結果，得到各種巖石試樣平均應變率、動強度及破壞應變，由于篇幅限制，僅列出花崗質片麻巖的試驗結果，見表3。

表3 巖樣沖擊試驗試驗結果

從試驗結果可以看出，當應變率在90～100s-1時，花崗質片麻巖的動態抗拉強度約為36.4MPa；二長花崗巖的動態抗拉強度約為32.0MPa；花崗巖的動態抗拉強度約為43.0MPa。

花崗質片麻巖的動態單軸抗壓強度約211MPa，花崗質片麻巖在2.5MPa圍壓條件下，動態抗壓強度約235MPa；

花崗質片麻巖的動態單軸抗壓強度約131MPa，花崗質片麻巖在10MPa圍壓條件下，動態抗壓強度約154MPa；

二長花崗巖的動態單軸抗壓強度約172MPa，二長花崗巖在10MPa圍壓條件下，動態抗壓強度約230MPa；

根據摩爾庫倫強度準則，回歸分析上述試驗數據，得到各類巖石動參數，見表4。

表4 巖石的抗剪強度動參數匯總表

4 結論

從試驗結果可以看出，在圍壓的約束下，巖石的動態破壞強度明顯提高，隨著圍巖約束的提高越大，動態抗壓強度提高的幅度越大，如花崗質片麻巖在2.5MPa圍壓條件下，動態抗壓強度提高了約11%；在10MPa圍壓條件下，動態抗壓強度提高了約18%。二長花崗巖的動態單軸抗壓強度約172MPa，二長花崗巖在10MPa圍壓條件下，動態抗壓強度約230 MPa；提高了約34%。

但是應變率對抗拉強度的影響表現不明顯，如當應變率在90～100/s時，花崗片麻巖的動態抗拉強度約為36.4MPa；當應變率在50～60/s時花崗片麻巖的動態抗拉強度約為32.0MPa；應變率在90～100/s花崗巖的動態抗拉強度約為43.0MPa，當應變率在50～60/s時花崗巖的動態抗拉強度約為42.0MPa。

在花崗巖的沖擊試驗過程中，由于巖石材料固有的非均質性和試驗系統誤差，相同加載條件下，每個試件的真實應變率并不相同；當沖擊氣壓（即沖擊速度）較高（p=0.8、1.0MPa）時，應變率迅速變化，并且沖擊氣壓越大應變率變化越快，應變率在后期往往出現負值，說明此時巖石在卸載時具有一定的回彈特性；當沖擊氣壓較低（p=0.7MPa）時，巖石試件中的應變率變化比較平坦，部分花崗巖試件甚至在一定時間段出現了恒定的應變率平臺。

下階段的試驗過程，將結合工程勘察的進展，開展更大軸壓和圍壓的動態三軸試驗，同時將凝灰巖和石英砂巖作為試驗對象，以便能夠更充分地了解各類巖石在不同圍壓和軸壓作用下的動態特征。