河南濟新高速富水灰巖動態力學特性研究

摘要：洛陽地區廣泛發育寒武系白云質灰巖，巖體裂隙發育，力學性質較低。針對洛陽典型的裂隙發育巖體，文章通過現場勘察取樣對該巖體開展動態力學特性試驗，通過測試不同含水狀態下灰巖的動態強度、動態彈性模量和破壞形態，分析了灰巖的動態力學性質。研究結果表明，灰巖試件動態抗壓強度與破碎耗能密度呈現較強的線性關系，試件吸收能量主要耗散于巖石的損傷演化與變形破壞。隨著試件中吸收能量的不斷增加，試件出現了變形滯后現象，從而使灰巖試件動態強度得到較大提高。

關鍵詞：富水灰巖；動態力學試驗；動態力學特性

中圖分類號：TU235.1" 文獻標志碼：A

0引言

隨著高速公路、鐵路的飛快發展，許多工程建設的難題也不斷出現。洛陽屬于構造侵蝕剝蝕低山地貌，斜坡陡坎地形，地表基巖大面積出露，僅局部覆蓋第四系殘坡積碎石土，出露的地層巖性主要為寒武系上統白云質灰巖。白云質灰巖山體受到巖體結構、不利的地形、工程建設和降雨的影響易崩塌［1］。通過對白云質灰巖特性進行深入調查和研究，從而降低安全事故發生。

目前，國內外學者針對灰巖的特性進行了深入研究，取得了豐富的研究成果。鄭坤等［2］研究了珊瑚礁體內部的整體性質，發現珊瑚礁灰巖的彈性縱波速度隨著回彈值或干密度的增大而增大，而隨孔隙度增大而減小。鄧濤等［3］通過進行室內風化模擬試驗研究了不同程度風化對灰巖抗剪強度的影響規律，發現灰巖的風化程度越高，其殘余抗剪強度以及抗剪強度減小，且殘余抗剪強度的劣化速度更快。李兵磊等［4］利用霍普金森壓桿實驗設備，研究灰巖在受到不同沖擊方法作用下的動態力學性質，發現了沖擊速度、軸向應力和軸向應變的聯系。趙恕軻等［5］通過對不同含水率的灰巖試樣開展單軸壓縮實驗，發現含水率高的灰巖強度越低，并且通過對比實驗曲線和損傷本構模型，證明了損傷本構模型的可靠性。

眾多學者通過實驗和理論研究對灰巖的力學特性進行了探討，但目前對于不同含水率灰巖動態力學特性的研究較少涉及。為此，本文基于對不同含水率的節理灰巖進行SHPB動載試驗，分析了富水灰巖的動態力學特性，可為含水豐富的隧道巖體工程中水-巖損傷問題的研究提供參考。

1工程概況

1.1工程簡介

河南濟新高速公路位于河南省西北部，為洛陽都市圈聯動路線之一。峽里隧道是濟源至新安高速公路的一座分離式隧道。隧道長1 036 m，為長隧道，隧道最大埋深約177 m，洞軸線方位角約158°。

隧址區屬于構造剝蝕低山地貌，為陡傾斜坡地形。根據勘察資料，隧址區地表基巖大面積出露，僅局部覆蓋第四系殘坡積碎石土，出露的巖性大部分是白云質灰巖。地層巖性分布及特征分述如下：

（1）碎石土。淺灰色為主，碎石成分為白云質灰巖，隙間黏性土充填，多呈稍密狀，于山體緩坡處發育廣泛，但整體發育較薄。

（2）白云質灰巖。青灰色為主，隱晶質結構，層狀構造，巖芯呈柱狀，少量碎塊狀，節理裂隙發育，夾薄層泥灰巖，部分溶蝕的裂隙較為發育，裂隙覆蓋黏性土，工程地質條件較好，廣泛分布于隧址區，屬于Ⅵ級堅石。

1.2試驗取樣與加工

為方便后續更好地開展研究工作，從研究區現場取代表性巖樣進行了室內試驗。因為隧洞內作業條件有限，不能像常規工程勘察一樣用工勘鉆機取樣，故在圍巖開挖后取較完整的巖塊運回實驗室，在室內進行加工制樣。

2富水灰巖力學特性試驗

2.1灰巖試驗組制備

在峽里隧道現場采集灰巖巖樣，加工成直徑50 mm、長度25 mm的圓柱體標準式樣，對試樣進行打磨拋光，使其端面粗糙度低于0.02 mm。開展SHPB動載試驗，通過測試不同含水狀態下節理灰巖的動態強度、動態彈性模量和破壞形態，來分析灰巖的靜態力學性質。灰巖巖樣共計3組，分為干燥、天然和飽水狀態巖樣，每組共2個試樣，巖樣及試驗組設置如表1所示。

2.2SHPB動載試驗

2.2.1試驗方案

試驗儀器采用SHPB試驗裝置，由高壓氮氣瓶及調氣閥組成動力系統，如圖1所示。在輸入桿和輸出桿之間粘貼應變片以測量樣品材料在相同動態條件下的沖擊載荷。將應變片連接到超高速應變計和示波器上，并按照0.4 MPa的沖擊氣壓進行試驗，以確保每個試件受到相似的沖擊能量，從而保證實驗不受其他變量的影響。

2.2.2應力平衡

將測試的試樣在霍普金森桿試驗裝置上進行靜壓加載，調節氣壓將彈頭高速碰撞輸入桿，在輸入桿這端產生的應力脈沖向試樣方向傳播，試件在應力脈沖作用下產生快速形變，同時，產生反射脈沖進入輸入桿端，投射脈沖進入輸出桿端。通過應變片可測得入射波、反射波及透射波曲線圖（見圖2）。應力脈沖在試樣中經過多次透射與反射后，試樣的兩端應力趨于平衡，如圖3所示。

2.2.3力學參數計算

基于霍普金森桿試驗技術的基本假定，在一維應力假設與應力均勻假設的基礎上，通過應力波波形，確定巖石試樣平均應變率ε·、平均應變ε-和試樣兩端應力平均值σ等動態力學參數［6-7］。

σ-（t）=E0A0πLD［εI（t）+εR（t）+εT（t）］

ε-（t）=C0D∫t0［εI（t）-εR（t）-εT（t）］dt

ε·（t）=C0D［εI（t）-εR（t）-εT（t）］（1）

式（1）中：E0為沖擊壓桿的彈性模量；A0為壓桿橫截面積；C0為桿內應力波彈性波速；L為巖石試樣厚度；D為巖石試樣直徑；εR（t），εI（t），εT（t）分別為反射應變信號、入射應變信號以及透射應變信號。

2.3試驗結果分析

2.3.1不同含水率下灰巖的動態應力-應變特征

SHPB試驗獲得干燥、天然和飽和狀態下灰巖動態應力-應變關系曲線，如圖4所示。

由圖4可知，灰巖在干燥狀態的單軸動態抗壓強度最大，在飽水狀態的單軸動態抗壓強度最小，結果表明，隨著灰巖含水率的增加，巖體的動態強度不斷降低。

2.3.2動態抗壓強度與破碎耗能密度關系

巖石動態強度是材料力學中重要的動態力學參數，動態抗壓強度對應變率的依賴性已得到廣泛認同。由于巖石變形與能量變化密切相關，它代表了能量耗散和釋放的綜合效果，因此，可以使用破碎耗能密度來描述巖石材料的動態強度。在灰巖試件的SHPB試驗中，試件的動態抗壓強度與破碎耗能密度之間的關系曲線如圖5所示。

由圖5可知，灰巖試件動態抗壓強度隨著破碎耗能密度的增加而增大，呈較強的線性關系。試件吸收的能量主要用于巖石的損傷和形變過程。隨著試件中吸收能量的不斷增加，試件會出現變形滯后現象，從而使灰巖試件動態強度得到較大提高。因此，采用試件破碎耗能密度能夠較好反映灰巖試件在外載荷作用下的強度特征。

3結論

通過對灰巖開展SHPB動載試驗，研究分析了灰巖在不同含水率下的動態力學特性，共總結出以下結論：

（1）灰巖在干燥狀態的單軸動態抗壓強度最大，在飽水狀態的單軸動態抗壓強度最小，結果表明，隨著灰巖含水率的增加，巖體的動態強度不斷降低。

（2）試件的破碎耗能密度可以很好地反映灰巖在外載荷作用下的強度特征，因為灰巖在沖擊試驗中的動態抗拉強度隨著耗能密度的增加呈現較強的線性增長趨勢。

參考文獻

［1］鄒銀先，董建輝，李海軍，等.白云質灰巖山體崩塌成因機制及穩定性分析［J］.成都大學學報（自然科學版），2019（3）：322-325.

［2］鄭坤，孟慶山，汪稔，等.不同結構類型珊瑚礁灰巖彈性波特性研究［J］.巖土力學，2019（8）：3081-3089.

［3］鄧濤，廖軍，王陳賓，等.不同風化程度下灰巖抗剪強度特性及估算模型研究［J］.水文地質工程地質，2022（4）：71-80.

［4］李兵磊，遠彥威，曹洋兵，等.沖擊載荷下灰巖的動力學特性及能量耗散規律［J］.金屬礦山，2021（8）：61-66.

［5］趙恕軻，侯付闖，趙明誠，等.不同飽水強度灰巖應變特性及劣化損傷本構模型研究［J］.水力發電，2022（1）：45-50.

［6］劉志義，甘德清，于澤皞，等.一維動靜組合加載下磁鐵礦石力學特性及破碎特征試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2022（增刊1）：2869-2880.

［7］李地元，胡楚維，朱泉企.預制裂隙花崗巖動靜組合加載力學特性和破壞規律試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2020（6）：1081-1093.

（編輯編輯姚鑫）

Research on dynamic mechanical properties of rich limestone in"Jixin expressway of Henan province

Tong" Le1， Wang" Chuwei1， Xiong" Jianrong1， Liu" Ze2， Peng" Yaxiong2*

（1.Zhejiang Jiaogong Group Co.， Ltd.， Hangzhou 310051， China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of"Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring， Hunan University of Science and"Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract：" The Cambrian dolomite limestone is widely developed in Luoyang area， with developed rock fractures and low mechanical properties. In response to the typical fractured rock mass in Luoyang， the article conducted dynamic mechanical properties tests on the rock mass through on-site investigation and sampling. By testing the dynamic strength， dynamic elastic modulus， and failure mode of limestone under different water content states， the dynamic mechanical properties of limestone were analyzed. The research results indicate that there is a strong linear relationship between the dynamic compressive strength of limestone specimens and the energy consumption density during crushing， and the energy absorbed by the specimens is mainly dissipated through the damage evolution and deformation failure of the rock. With the continuous increase of absorbed energy in the specimen， the deformation hysteresis phenomenon occurs， which greatly improves the dynamic strength of the limestone specimen.

Key words： water rich limestone; dynamic mechanical test; dynamic mechanical property