泥巖動態沖擊力學響應及裂紋演化試驗研究

耿 昊 楊江坤 宋彥琦 馬宏發 鄭俊杰 楊俊濤

(1.國能北電勝利能源有限公司,內蒙古 錫林浩特 026000;2.中國礦業大學(北京)力學與土木工程學院,北京 100083)

在礦山開采、爆破施工過程中,工程巖土體會受到沖擊擾動,其動態沖擊力學響應關系到工程的穩定性和開采的高效性[1]。巖石作為一種非均質的天然材料,其內部含有微小孔洞、隨機分布的微裂隙等原始缺陷。在爆破載荷作用下,巖石的動態力學行為較為復雜,因此對沖擊載荷作用下巖石破裂過程的研究一直是巖土工程領域的熱點問題。

室內分離式霍普金森沖擊桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)是研究巖石動態沖擊性能的主要試驗設備[2]。許多學者基于霍普金森壓縮試驗對巖石動態力學行為展開研究,武仁杰等[3]利用SHPB對不同傾角的層狀巖石進行動態壓縮試驗,分析了其動態破壞特征和能量演化過程;平琦等[4]對不同溫度作用后的砂巖試件進行沖擊壓縮試驗,分析其動態力學響應和破壞形態;Yao W等[5]利用NSCB試驗與霍普金森壓桿試驗相結合的手段,分析了巖石的斷裂韌性、斷裂能量等動態斷裂特性;王登科等[6]利用霍普金森壓桿實驗系統進行不同應變率下的煤樣沖擊實驗,分析煤動態力學響應隨應變率的變化規律,并基于分形理論定量描述了其破壞后的自相似性;梁東旭等[7]對泥巖、砂質泥巖展開室內沖擊試驗,研究了軟弱巖石的動態力學特性;董英健等[8]基于霍普金森沖擊試驗分析了礦石試件的動態力學性能及塊度分布特征。

通過常規的動態試驗手段只能從宏觀層面分析巖石的動態力學響應,而無法從細觀角度對巖石動態破裂演化過程進行研究。近年來,隨著相關手段的進步和發展,越來越多先進的試驗技術被應用于深入地研究巖石動態破裂過程。潘博等[9]通過對沖擊試驗前后的水泥砂漿試件進行核磁共振成像,監測其孔隙度和孔徑分布變化,從而研究其細觀層面的損傷;張明濤等[10]利用帶有應變控制環的SHPB實驗系統,對砂巖試樣動態沖擊實驗,并結合波速測試實驗和CT掃描實驗分析砂巖試樣的整體破壞過程和裂紋演化規律;Song Y等[11]通過對褐煤進行不同沖擊速度的壓縮試驗,同時利用高速攝像進行動態圖像采集,分析了褐煤的動態破壞過程。

綜上可知,在巖石的動態沖擊試驗過程中配合相關試驗技術,在一定程度上可以從細觀層面捕獲其動態破碎演化過程,有利于深入分析巖石的裂紋擴展過程和破裂機制。但已有成果多數研究針對于砂巖、花崗巖等巖石,而對于軟弱的泥巖動態沖擊性能研究相對較少。本文以蒙東某露天礦采取的泥巖為研究對象,開展了不同沖擊速度的霍普金森壓縮試驗,在沖擊過程中利用高速攝像技術進行圖像采集,研究泥巖的宏觀動態力學響應及細觀裂紋擴展演化,討論了泥巖破裂過程中動態力學指標和破裂位移量的率相關性。

1 SHPB巖石動力學試驗

1.1 SHPB試驗裝置與基本原理

本次試驗采用中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院?50 mm的SHPB試驗裝置,如圖1所示。其主要由4大部分組成,分別為驅動系統、桿件系統、信息收集處理系統和攝像采集系統。

圖1 SHPB試驗裝置示意Fig.1 Diagram of SHPB test device

驅動系統主要包括高壓氮氣罐、沖頭、氣壓控制裝置等;桿件系統中入射桿和反射桿均為高強度不銹鋼,長度分別為2 m和1.5 m,其彈性模量為210 GPa,密度為7 800 kg/m3,彈性波波速為5 122 m/s;信息收集處理裝置主要為半導體應變片、動態應變儀、測速儀及電腦組成;攝像采集系統主要由高速攝像機、閃光燈、控制器及觸發裝置等組成。

SHPB試驗的有效性基于一維應力波假設和應力均勻性假設[12],利用試驗過程中入射桿和透射桿上應變片監測的數據信號可以計算出試樣的應力σs(t)、應變εs(t)和應變率(t),其三波法公式為

式中,Eb為壓桿的彈性模量;Ab為壓桿的橫截面積;C0為彈性波的波速;Ls為試樣的初始長度;As為試樣的初始橫截面積;εi(t)入射應變;εr(t)反射應變;εt(t)透射應變。

1.2 試樣制備

試驗所用巖石材料為內蒙古錫林浩特市勝利一號露天礦的泥巖。由于泥巖本身質地較軟,因此本文對現場泥巖塊體進行室內研磨,制成粉狀進行XRD物相分析,結果如圖2所示。通過衍射圖譜可以發現,泥巖的礦物成分主要為石英和伊利石,占比分別為36.1%和33.9%,兩者之和的占比過半。

圖2 泥巖內部礦物成分Fig.2 Internal mineral composition of mudstone

為進一步分析泥巖內部的細觀結構,隨機選取泥巖塊體,對其進行打磨,保留觀察面,利用SEM電鏡進行掃描分析,結果如圖3所示。根據原始泥巖塊體200～10 000倍的掃描結果,可以發現,泥巖內部的原始條狀裂隙及空隙、空洞較為發育,同時表面較為粗糙,顆粒、晶體分布較多。

圖3 泥巖內部原生細觀結構Fig.3 Primary mesostructure in mudstone

對現場采取的泥巖進行室內加工,制成圓柱體試樣,尺寸為50 mm×50 mm(直徑×高度)。試樣總數目為21個,將其劃分為7組,分別進行7種不同沖擊速度下的沖擊試驗,每組3個平行試件。試驗之前對泥巖試樣進行噴涂散斑預處理,如圖4所示。在試樣的側面噴涂白漆和若干個隨機的黑色漆點,以便對拍攝到的圖像利用數字圖像相關技術進行后續處理。

圖4 泥巖試樣預處理Fig.4 Mudstone sample pretreatment

2 試驗結果及分析

2.1 試樣應力均勻性校驗

試樣兩端的應力均勻性是保證SHPB沖擊試驗的有效性的前提。一般可采用三波法和試樣應力平衡系數[13]兩種方法檢驗試樣的應力均勻性。此處采用三波法進行校驗,即通過應力波的疊加評估試樣的應力均勻性。不同沖擊速度下得到泥巖試樣的電壓幅值信號如圖5所示,可見當入射的沖擊速度越大,所得到的電壓幅值越大。圖6所示給出了泥巖沖擊壓縮過程中的應力平衡驗證結果,由此可知,泥巖在沖擊壓縮試驗過程中是有效的,應力均勻性可以得到保證。

圖5 入射桿電壓幅值變化Fig.5 The voltage amplitude of incident rod changes

圖6 三波法驗證應力平衡Fig.6 The stress balance was verified by three wave method

2.2 不同沖擊速率下應力應變曲線

本次試驗通過設置不同的沖擊氣壓,從而實現不同的沖擊壓縮速度。沖擊氣壓分別設置為0.15、0.16、0.17、0.18、0.20、0.21、0.23 MPa 7個梯度,每組選取3個泥巖試樣進行試驗,由于泥巖試樣的離散性,每組試驗結果選取相近的結果數據,具體見表1。可見,隨著沖擊氣壓的增加,子彈沖頭的沖擊速度、泥巖的動態峰值應力、最大應變率都隨之提升。

表1 泥巖的SHPB試驗結果Table 1 SHPB test results of mudstone

本文選取7個不同沖擊速度泥巖試樣的數據進行分析,如圖7所示。沖擊載荷作用下的泥巖應變率強化特征顯著,隨著沖擊速度的增加,泥巖試樣的動強度增大,峰值應變變大、動態彈模也隨之增大。同時可以發現,當沖擊速度從2.75 m/s上升到3.19 m/s時,峰后最大應變值呈變大趨勢,泥巖峰后塑性增大;當沖擊速度從3.19 m/s上升到4.44 m/s,最大應變呈縮小趨勢,泥巖峰后塑性減小;之后隨著沖擊速度增加,泥巖的峰后塑性表現出增強的趨勢。泥巖試樣在動態載荷作用下的峰后塑性呈先增大后減小再增大的趨勢變化,呈“N”型,如圖8所示。

圖7 不同沖擊速度下泥巖的動態應力應變曲線Fig.7 Dynamic stress-strain curves of mudstone under different impact velocities

圖8 不同沖擊速度下泥巖最大應變Fig.8 Maximum strain of mudstone at different impact velocities

根據圖9可以明顯發現,隨著沖擊速度增加,最大應變率和峰值應力呈線性增長。這是因為隨著沖擊速度的增加,撞擊桿所產生入射能隨之提高。一部分能量,用于巖石本身存在的微裂隙擴展,其余大部分能量使得巖石產生更多的裂隙。由于有更多的裂隙吸收能量,參與破壞,巖石破壞的臨界應力更高,在宏觀上就表現為巖石動態峰值應力隨沖擊速度的增加而增加。

圖9 不同沖擊速度下最大應變率變化Fig.9 Variation of maximum strain rate at different impact velocities

2.3 泥巖沖擊破碎形態分析

將不同沖擊速度下泥巖的宏觀破壞形態統計如圖10所示。觀察可以發現,泥巖的斷裂破壞形態表現為率相關性。隨著沖擊速度的增加,泥巖試樣的破碎程度呈漸進性發展,且試樣最小破碎尺寸隨著沖擊速度增大而減小。

圖10 不同沖擊速度下泥巖破壞形態Fig.10 Failure patterns of mudstone under different impact velocities

當沖擊速度為2.75 m/s時,泥巖試樣在動態沖擊載荷作用下,近似破裂成兩半,碎塊數量較少,碎塊尺寸較大且完整,呈“劈裂型”破壞;隨著速度的不斷增加,碎塊數量越來越多,碎塊尺寸不斷減小,呈“粉脆型”破壞;當速度達到6.61 m/s時,泥巖試樣碎塊尺度較小,呈“粉末型”破壞。

這是因為當沖擊速度較小時,撞擊沖頭所產生的能量較小,巖石吸收的能量也隨之減少,因此在沖擊載荷作用下所形成裂紋大多較為分散,并沒有形成宏觀貫通裂縫,從而呈大塊狀破碎;隨著沖擊速度的增大,撞擊能量隨之提高,巖石吸收的能量也越來越多,沖擊載荷下形成的貫通裂縫越來越多,巖石破碎嚴重,從而出現粉末狀破壞。

2.4 沖擊載荷下泥巖損傷演化

為研究沖擊載荷作用下泥巖損傷過程中裂紋的走勢和演化,在沖擊過程中采用超高速攝像機拍攝其動態破壞過程。鑒于篇幅限制,以沖擊速度2.75、4.44 m/s和5.48 m/s試樣為例進行對比分析,每種沖擊速度下分別截取4張圖片來描述裂紋擴展的走勢,如圖11所示。通過縱向分析可以發現,在沖擊載荷作用下,裂紋的擴展演化可以分為無損段、起裂段、擴展段和破碎段,具體描述如下。

圖11 不同沖擊速度下泥巖最大應變Fig.11 Maximum strain of mudstone at different impact velocities

(1)無損段。當沖頭撞擊入射桿的瞬間,入射波能量還未傳遞到巖石,此時巖石還未受到沖擊載荷作用,巖石未產生裂紋,泥巖試樣基本保持初始狀態。

(2)起裂段。隨著入射波的傳遞,此階段巖石受到入射波的作用,泥巖被不斷壓實,內部的黏土礦物在應力波的反射和透射作用下產生損傷并不斷累積。首先在巖石試樣端部產生微裂紋,并呈現向內部擴展的趨勢,但此時裂紋并未貫通,裂紋較小,且不同的微裂紋之間距離也較為分散。

(3)擴展段。此階段一部分入射波作為透射波在巖石內部傳遞,起裂階段產生的微裂紋不斷向內部擴展,呈現貫通的趨勢,同時巖石內部也會產生新的微裂紋。可以發現,此階段的巖石損傷發展較為劇烈,微裂紋的開度不斷增大,但此時巖石的整體并未出現大規模的破碎,仍然具有一定的承載能力。

(4)破碎段。此階段巖石表面大量擴展裂紋將試樣劃分為不同的劣化帶,造成巖樣破裂失穩,在軸向沖擊壓縮載荷作用下,不同的碎塊飛濺脫落而最終破壞。

由于泥巖具有軟化性高、結構強度較低的特點,沖擊壓縮作用下產生的豎向拉應力大于其本身的抗拉強度,就會導致泥巖豎向裂紋開度不斷增大,從而出現豎向的劈裂破碎。同時縱向對比圖11,可以發現不同沖擊速度作用下泥巖裂紋的擴展和演化趨勢,沖擊速度越大,巖石在起裂段微裂紋的微裂紋數量呈增多的趨勢,端部的破碎也更加明顯,從而將巖石劃分為破碎的劣化區,同時裂紋的開度也隨之增加。表明泥巖的破碎形態隨著沖擊速度的增大,破裂發展更加劇烈。

利用基于MATLAB軟件的算法程序對沖擊過程中高速攝像所采集的圖片進行數字圖像處理。圖12為泥巖沖擊過程中的位移場演化過程。

圖12 不同沖擊速度下泥巖位移場演化特征(單位:mm)Fig.12 Evolution characteristics of mudstone displacement field under different impact velocities

通過橫向分析,可以發現,在無損段巖石位移場分布較為均勻,沖擊方向的位移量較小,此時沖擊載荷對巖石內部造成的損傷較小;隨著沖擊壓縮波的不斷傳遞,從起裂段發展到擴展段,泥巖的位移量不斷增大,且在表面裂紋處出現局部的極值區域,位移場沿著裂紋走向出現不連續的趨勢;當發展到破碎段時,位移量達到最大值,裂紋走向將位移場劃分為不連續區域,局部的斷裂碎塊位移量為零,表明此時該區域已經完全破碎與巖石整體斷裂完全。

同時縱向對比圖12可以發現,隨著沖擊速度的增加,泥巖位移場的最大值隨之增加,表明巖石隨著沖擊速度的增加,塑性增強,且巖石的塑性呈現一定的率相關性。

2.5 沖擊載荷下泥巖能量演化特征

巖石在外荷載作用下的破壞過程,伴隨著能量吸收、存儲、耗散和釋放。謝和平等[14]假設巖體系統在受力過程中沒有熱交換,外力功所輸入總能量為U,根據熱力學第一定律可得:

式中,Ue為可釋放彈性應變能;Ud為耗散能。

三維加載條件下巖樣輸入總能量、彈性應變能及耗散能計算公式為:

式中,σ1、σ2、σ3為最大、中間及最小主應力;ε1、ε2、ε3為最大、中間及最小主應變;μ為泊松比;Ei為巖石卸荷模量,計算時可用初始彈性模量E0代替。

本試驗為沖擊壓縮試驗,代入σ2=σ3=0可得:

圖13給出了泥巖在沖擊載荷作用下的能量演化特征,根據圖13(a)～圖13(c)可以發現泥巖能量演化特征具有明顯的率相關性。隨著沖擊速度的增加,輸入能、彈性能及耗散能均隨之提高,且在5.92 m/s至6.61 m/s的提升跨度較大;泥巖的彈性能演化趨勢與應力演變趨勢保持一致,且通過數值可以發現沖擊作用下耗散能占比較大,泥巖內部存儲的彈性應變能較少,大部分沖擊輸入能用于泥巖最終的破碎失穩。

圖13 沖擊載荷下泥巖能量演化特征Fig.13 Energy evolution characteristics of mudstone under impact loads

不同沖擊速度下泥巖的能量演化具有一致性,以沖擊速度6.61 m/s為例,如圖13(d),可以發現,泥巖在動載作用初始階段,入射能基本上全部轉化為彈性能進行存儲,只有少部分能量耗散用于巖石內部原始裂紋缺陷的閉合,整個峰前階段以彈性能存儲為主,彈性能占比較大,峰后階段耗散能急劇增加,輸入能基本上全部用于泥巖破碎過程的能量耗散,同時前期存儲的彈性能也不斷釋放。

3 結 論

(1)隨著沖擊氣壓的增加,子彈沖頭的沖擊速度、泥巖的動態峰值應力、最大應變率都隨之提升,且近似呈線性變化;同時隨著沖擊速度的增加,泥巖試樣在動態載荷作用下的峰后塑性呈“增大—減小—再增大”的“N”型變化。

(2)泥巖在沖擊載荷作用下破壞形態呈現明顯的率相關性。隨著沖擊速度的增加,破碎形態呈漸進式發展,依次為“劈裂型”、“粉脆型”和“粉碎型”。在沖擊載荷作用下,泥巖的裂紋擴展演化可以分為無損段、起裂段、擴展段和破碎段。同時隨著沖擊速度的增加,巖石在擴展段的微裂紋貫穿更加錯綜復雜,從而巖石被劃分為更多的劣化區,破碎更加嚴重。

(3)沖擊過程中泥巖位移場隨著微裂紋的漸進發展,由連續發展為不連續,且不連續處為裂紋附近。同時隨著沖擊速度的增加,巖石位移場的最大值隨之增加,表明巖石塑性增強。

(4)動載沖擊下泥巖的能量演化特征具有明顯的率相關性,能量隨著沖擊速度的增加而增加。泥巖在應力峰前階段以彈性能存儲為主,峰后階段耗散能急劇增加,彈性能釋放,造成泥巖破碎失穩。