預(yù)制裂隙紅砂巖在沖擊荷載作用下的動(dòng)力特性

陳道龍,曾 晟,任鵬飛,劉 杰

(南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

基巖是否穩(wěn)定是衡量工程穩(wěn)定性的重要依據(jù)，礦山開(kāi)采、隧道開(kāi)挖、道路橋梁建設(shè)都涉及到基巖的穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)基巖受到擾動(dòng)后，將出現(xiàn)裂隙或者裂隙的進(jìn)一步發(fā)育，甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂的情形[1]，嚴(yán)重影響了施工的安全性和建筑的穩(wěn)定性，因此開(kāi)展節(jié)理巖體的動(dòng)力學(xué)研究十分必要，它將對(duì)建筑地基的初期建設(shè)起一定的指導(dǎo)作用。

專(zhuān)家學(xué)者們主要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬開(kāi)展了巖體沖擊荷載的研究。其中實(shí)驗(yàn)方面有：詹金武等[2]通過(guò)SHPB實(shí)驗(yàn)研究了泥質(zhì)粉砂巖在不同含水狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分析了含水率變化對(duì)泥質(zhì)粉砂巖動(dòng)力特性的影響，得出含水率的變化對(duì)巖石動(dòng)力特性具有較大的影響等結(jié)論；SERGO等[3]研究了在沖擊荷載作用下巖石邊界的應(yīng)力變形狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)巖石的斷裂在彈性變形區(qū)內(nèi)進(jìn)行，并給出了巖石在應(yīng)變變形狀態(tài)下的應(yīng)力張量和位移的表達(dá)式；曾晟等[4]通過(guò)沖擊加載試驗(yàn)，研究了層狀節(jié)理巖石的動(dòng)力學(xué)特性和動(dòng)力破壞特征；宋義敏等[5]通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)，得出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著預(yù)制裂紋的長(zhǎng)度增加而增加的結(jié)論；葉濤等[6]、王道榮等[7]以氫氣炮為原動(dòng)力的巖石量化試驗(yàn)，其結(jié)果證明動(dòng)高壓下巖石破裂機(jī)理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的重要性。數(shù)值模型方面有：馬江鋒等[8]運(yùn)用巖體裂紋擴(kuò)展破壞二維分析程序DDARF，對(duì)大理石巴西圓盤(pán)試樣在SHPB試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)破裂全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，展示了試樣在不同入射波作用下裂紋的發(fā)展過(guò)程，解釋了裂紋產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制、擴(kuò)展過(guò)程及伴生現(xiàn)象；O?BOLTA等[9]利用數(shù)值模擬研究了混凝土在沖擊荷載作用下的變形特征，得出動(dòng)載荷與靜載荷的差異是由于應(yīng)變率對(duì)強(qiáng)度、剛度、延性及慣性力量的激活；HUANG等[10]通過(guò)建立損傷本構(gòu)模型，得出本構(gòu)模型對(duì)于巖石的凍融破壞和加載具有準(zhǔn)確性和實(shí)用性；YOSSEF等[11]利用DDA不連續(xù)數(shù)值分析法，開(kāi)展了對(duì)柱狀節(jié)理巖石在挖掘松動(dòng)區(qū)的研究，得出巖體結(jié)構(gòu)的各向異性是控制巖石破壞形狀和方向的主要因素；苗勝軍等[12]基于巖石質(zhì)量影響因素的不確定性，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)6項(xiàng)巖石質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，證明了巖石質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性和可行性；ZHOU等[13]建立了基于威布爾分布的動(dòng)態(tài)損傷模型來(lái)預(yù)測(cè)試件的變形和退化行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裂紋數(shù)量的急劇增加可能是導(dǎo)致高應(yīng)變率下巖石強(qiáng)度增加的原因，拉伸裂紋是試件斷裂失效的主要原因。

目前的研究主要集中在預(yù)制構(gòu)件和數(shù)值模擬方面，但是關(guān)于紅砂巖在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性研究相對(duì)較少，特別是含節(jié)理紅砂巖體和完整紅砂巖體在力學(xué)性能和能量耗散上的差異性還需要進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)完整巖體和節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)加載，著重分析巖體在不同沖擊能作用下的破壞特征，比較兩者在力學(xué)特性方面的差異，為地下空間工程中基巖的變形機(jī)理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)試樣取自湖南省衡陽(yáng)市某建筑基巖，為紅砂巖體，尺寸為50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。預(yù)制裂紋制作過(guò)程為：先用電鉆在試樣中心鉆一個(gè)直徑為2 mm的圓孔，再用金剛石線(xiàn)在小孔中心進(jìn)行切割，所得預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為20 mm，參照文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]，選取巖體易破裂傾角45°，端面不平行度低于0.05 mm，端面垂直于試樣軸線(xiàn)，偏差低于0.25°(圖1)，為進(jìn)一步消除端面效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)加載前用石墨與潤(rùn)滑劑的混合物涂抹試件的端面，加工好的節(jié)理巖樣如圖2所示。

圖1 節(jié)理巖樣布置Fig.1 Arrangement of joint specimen

圖2 節(jié)理巖樣Fig.2 Joint specimen

1.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用XJL-98落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行沖擊加載，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得出紅砂巖體靜載強(qiáng)度為34.4 MPa，巖石強(qiáng)度較低，所以選用下落高度為1 m，質(zhì)量分別為2 kg、3 kg和4 kg的重錘，分別對(duì)完整巖體和節(jié)理巖體進(jìn)行加載。沖擊過(guò)程中，將厚度為5 mm的鋁合金板置于試塊上方作為墊塊，以獲得穩(wěn)定的沖擊過(guò)程。其中完整試樣和節(jié)理試樣分別設(shè)置3組，每組3個(gè)試樣。同時(shí)采用數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試樣表面的裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)(DH5862電荷放大器、力傳感器、加速度傳感器動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和電子計(jì)算機(jī)等)采集信號(hào)，其中力傳感器和加速度傳感器分別布置在試件上端面中心處與側(cè)面中間位置。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 沖擊力分析

通過(guò)力傳感器測(cè)得沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)，如圖3所示。沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)的加載段和卸載段近似呈正態(tài)分布，根據(jù)式(1)計(jì)算沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)的離散系數(shù)。

CV=σ/μ

(1)

式中：CV為離散系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為均值。

代入試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出沖擊力的離散系數(shù)平均大小為0.035。

在相同落錘質(zhì)量作用下完整巖體的沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)上部高而窄，卸載速率較加載速率緩慢，但比節(jié)理巖體的平均卸載速率大3 157 MPa/s；而節(jié)理巖體沖擊力達(dá)到峰值后出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象且后續(xù)衰減相對(duì)較平緩，說(shuō)明完整巖體的脆性及抗沖擊能力均大于節(jié)理巖體，這是因?yàn)楣?jié)理巖體的預(yù)制節(jié)理具有一定的厚度，厚度的壓縮過(guò)程也是節(jié)理的法向閉合過(guò)程，即曲線(xiàn)的蠕變階段屬于節(jié)理的法向閉合階段。通過(guò)觀察圖3(a)，在0.7 ms左右，巖體達(dá)到峰值應(yīng)力，其內(nèi)部將產(chǎn)生相對(duì)位移，這是由于此時(shí)節(jié)理兩側(cè)巖石受外荷載大于其間產(chǎn)生的摩擦阻力，導(dǎo)致巖體發(fā)生整體性破壞。

圖3 沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)Fig.3 Power time-dependent curves of impact

2.2 加速度分析

圖4為加速度時(shí)程曲線(xiàn)，隨著落錘質(zhì)量的增加，加速度峰值逐漸增大。紅砂巖體加速度均經(jīng)歷一次幅值變換后迅速衰減為 0，且完整巖體幅值衰減比節(jié)理巖體平緩很多。節(jié)理巖體有兩次峰值加速度，說(shuō)明落錘的沖擊力均大于節(jié)理上部巖體的抗沖擊強(qiáng)度，當(dāng)上部巖體喪失抗沖擊能力后，巖體的加速度迅速衰減，衰減過(guò)程實(shí)際上是反向加速的過(guò)程，節(jié)理的存在為反向加速度的進(jìn)一步發(fā)展提供了空間與時(shí)間；上部巖體破壞后，落錘仍具有剩余沖擊能，沖擊下部巖體時(shí)產(chǎn)生第二次峰值加速度，直到下部巖體完全破壞。

根據(jù)損傷理論，由于節(jié)理破壞了巖體整體的連續(xù)性，以及紅砂巖體本身的不均勻性，導(dǎo)致沖擊應(yīng)力波在傳播過(guò)程中特別是傳播至節(jié)理面時(shí)，此時(shí)的節(jié)理面相當(dāng)于無(wú)反射邊界面，產(chǎn)生復(fù)雜的透反射過(guò)程導(dǎo)致加速度激振信號(hào)雜亂。

2.3 位移分析

為分析節(jié)理巖體的法向動(dòng)態(tài)閉合特性，將加速度時(shí)程曲線(xiàn)通過(guò)兩次積分得到巖體動(dòng)態(tài)壓縮位移時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。根據(jù)式(1)得出位移時(shí)程曲線(xiàn)的離散系數(shù)平均大小為0.032。

節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)壓縮位移均大于完整巖體，符合客觀實(shí)際。隨落錘質(zhì)量的增大，曲線(xiàn)的斜率逐漸增大，反映了加速度變化結(jié)論。分析發(fā)現(xiàn)，沖擊過(guò)程中存在輕微反彈位移，當(dāng)落錘質(zhì)量分別為2 kg、3 kg和4 kg時(shí)，完整試件的反彈位移分別為0.752 mm、0.355 mm、0.190 mm，節(jié)理試件的反彈位移分別為0.095 mm、0.024 mm和0.001 mm。由此可見(jiàn)，巖體類(lèi)型相同時(shí)，反彈位移與沖擊能的大小成負(fù)相關(guān)，試件的豎向壓縮位移速率逐漸減緩；在相同的沖擊能作用下完整試件的反彈位移要遠(yuǎn)大于節(jié)理試件的反彈位移，對(duì)于紅砂巖來(lái)說(shuō)，巖性越質(zhì)密剛度越大，位移的反彈現(xiàn)象越明顯。

2.4 能量分析

巖體的落錘沖擊過(guò)程，主要分為兩個(gè)階段：落錘與巖體接觸前和落錘與巖體接觸后。

落錘與巖體接觸前，落錘的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能，能量轉(zhuǎn)化關(guān)系式見(jiàn)式(2)。

m1gh=Ek

(2)

式中：m1為落錘質(zhì)量；h為下落高度；Ek為沖擊動(dòng)能。

落錘與巖體接觸后，落錘的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換為巖體的壓縮變形能與沖擊過(guò)程中的能量耗散，其中壓縮變形能見(jiàn)圖6，能量轉(zhuǎn)化關(guān)系式見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：W為巖體吸收的能量；E為能量損失；m2為巖體的質(zhì)量；v為沖擊過(guò)程中的速度；P(t)為沖擊力。

隨落錘質(zhì)量的增加，曲線(xiàn)與橫軸包圍的面積逐漸增加，說(shuō)明巖體所吸收的能量與落錘增加的質(zhì)量成正相關(guān)。通過(guò)力-位移曲線(xiàn)積分得到兩種巖體類(lèi)型試能量吸收情況見(jiàn)表1，其中完整巖體約吸收全部能量的80%，節(jié)理巖體約吸收70%，節(jié)理巖體比完整巖體多損耗10%左右。因?yàn)楣?jié)理的存在，改變了巖體的原有尺寸，破壞了巖體本身的均勻性，影響了紅砂巖體的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，增加了節(jié)理面的能量損失，使得節(jié)理巖體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度低于完整巖體的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。

圖4 加速度時(shí)程曲線(xiàn)Fig.4 Accelerated time-dependent curves

圖5 位移時(shí)程曲線(xiàn)Fig.5 Displacement time-dependent curves

圖6 力-位移曲線(xiàn)Fig.6 Power-displacement curves

表1 紅砂巖體吸收的能量Table 1 Energy absorption of different types of specimens

3 結(jié) 論

1) 由于節(jié)理破壞了巖體的連續(xù)性，節(jié)理巖體出現(xiàn)兩次峰值加速度，破壞被分為兩次峰值加速度前后明顯的兩段，導(dǎo)致沖擊應(yīng)力波的透反射現(xiàn)象明顯。

2) 沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)近似呈正態(tài)分布，說(shuō)明紅砂巖的加載速率和卸載速率近似相同。節(jié)理巖體在達(dá)到峰值強(qiáng)度后存在短暫的蠕變變形，屬于節(jié)理的法向閉合階段。

3) 相同試驗(yàn)條件下，節(jié)理巖體位移量更大，吸收能量更少；在沖擊能較小巖體較質(zhì)密時(shí)，位移存在輕微反彈現(xiàn)象，反彈位移量與沖擊能大小呈負(fù)相關(guān)。