不同傾角裂隙混凝土試件動態力學破壞特性試驗研究

武 旭, 方 慧, 潘繼良, 席 迅, 孫景來, 張英才

(1.北京市市政工程研究院,北京 100037;2.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083;3.北京住總基礎設施建設集團有限責任公司,北京 101200)

隨著地鐵運營年限的增加,列車荷載的長期反復作用下,列車誘發的環境振動效應不斷增大,給周圍結構和環境帶來了嚴重的安全隱患[1-3]。受開挖施工和外力作用的影響,隧道襯砌已經形成了大量的既有裂縫[4-5],以北京地鐵為例,多條地鐵線路運行已超過10年,結構檢測結果顯示,襯砌裂縫占總病害比例高達90%,已經成為地鐵隧道安全的最主要隱患[6-8]。隧道襯砌既有裂縫在外荷載的作用下極易引起裂紋的起裂、擴展和貫通,嚴重影響隧道空間結構的穩定性[9]。地鐵運行引發的周期性振動載荷能夠導致既有裂縫開裂并持續擴展,進一步增加結構破壞的風險。因此,襯砌既有裂縫的振動開裂及其誘發的次生病害是影響地鐵安全運行的主要原因[10-12]。

為了研究巖體節理參數(節理間距和節理傾角等)對巖石破壞效果的影響,劉婷婷等[13]研究了縱波以任一角度入射一組非線性平行節理的能量傳遞規律;鄒飛等[14]在模擬材料中預置不同角度的節理,利用單軸壓縮試驗探究了節理類巖石的力學特性;劉紅巖等[15-16]采用相似材料模型試驗方法,借助分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置對不同節理工況下的動態強度和破壞模式進行了試驗研究;此外,王建國等[17-20]分別通過SHPB沖擊試驗分析了節理傾角、節理厚度、節理填充材料及加載應變率對水泥砂漿模擬的巖石材料動態力學性能的影響。

不同產狀的既有裂縫在荷載作用下使得隧道襯砌的物理力學性質劣化,破壞模式也變得更加復雜。尤其是當既有地鐵隧道沿線存在爆破施工時,振動沖擊產生的應力波更容易誘發含既有裂縫隧道襯砌的破壞,帶來更高的潛在風險。因此,本文利用SHPB裝置對不同裂縫長度和寬度的混凝土試件進行加載試驗,借助高速攝像系統同步采集加載過程中的裂縫起裂-擴展特征,對入射波、透射波和反射波的強度和波形特征進行了分析,以此揭示裂隙傾角與破壞模式之間的對應關系。

1 巴西圓盤動態劈裂拉伸試驗

1.1 試樣加工

分析檢測區段地鐵隧道襯砌的材料構成、配比與力學性質,選擇相同材料及配比進行試件制備。裂縫檢測結果表明,襯砌裂縫以橫向分布為主。設計并澆筑直徑為50 mm,高為25 mm的圓柱體混凝土試件(見圖1),養護28d后在試件中部切割預制裂隙,設置裂縫長度為10 mm和20 mm;裂縫寬度為0.3 mm和0.5 mm。為了滿足SHPB試驗均勻性假定同時減小摩擦效應的影響,使用打磨機對試件兩個端面和四周進行打磨,控制試件直徑和厚度誤差均小于1 mm,試件端面不平行度和不垂直度均在±0.02 mm以內。為了進一步討論振動載荷方向的影響,本次沖擊試驗取試件的預制裂隙與加載方向夾角分別為0°、30°、45°、60°和90°共5種情況。

圖1 預制裂隙分布位置

為了消除混凝土試件在制備過程中產生的誤差,以及預防在試驗過程中產生的意外情況,為每種類型預制裂隙制作2個試件,然后對試件進行編號,命名規則為裂縫長度-裂縫寬度-加載角度-試件序號,例如10-0.3-60-1代表預制裂縫長度為10 mm,裂縫寬度為0.3 mm,加載角度為60°,試件序號為1。

1.2 試驗設備及方法

對不同預制裂隙的巴西圓盤試件在壓桿直徑為50 mm的分離式霍普金森壓桿(splitting Hopkinson pressure bar,SHPB)試驗裝置上進行徑向沖擊加載。SHPB試驗裝置主要由主體設備、能源系統、測試系統三大部分組成。主體設備包括:發射裝置、發射炮管、射彈、吸能裝置、桿件及其調整支架、操縱臺等;能源系統包括:空氣壓縮機、高壓容器及管道;測試系統包括:彈速測試系統及動態應變測試系統。壓桿材料為高強度合金,入射桿長4 500 mm,透射桿長2 500 mm,打擊桿長500 mm,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.25～0.3,縱波速度為5 400 m/s,密度為7 850 kg/m3。利用空氣加壓給打擊桿加速并使用激光測速儀測量打擊桿撞擊的速度。此外,采用紫銅與橡膠片組合的方法對波形整形,消除壓桿上的波頭振蕩和波形彌散現象。通過高速攝像機來拍攝巴西圓盤試件在沖擊過程中的表面變化和破裂過程,試件安置好后綜合考慮相片分辨率、拍攝頻率,調整相機位置。配置高速攝像機的SHPB試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統

試驗前,在巴西圓盤試件和桿件的兩個接觸面分別均勻涂抹一薄層凡士林,以減小端面摩擦效應的影響,然后將試件置于入射桿和透射桿之間。入射桿和透射桿上各粘貼有高靈敏度的半導體應變片,壓桿和試件上應變片監測到的應變信號實時通過超動態儀傳輸到電腦終端,以實時記錄桿上的變形狀況。根據一維應力波理論,子彈撞擊入射桿,將在入射桿撞擊端形成一維壓縮應力波并在入射桿傳播,當入射波傳播至入射桿—試件界面處,部分入射波將反射回入射桿形成反射波,剩下的將沿試件傳播至透射桿形成透射波。入射波、反射波和透射波分別由粘貼在桿件中部的一對應變片連接超動態應變采集儀進行采集。

2 試驗結果分析

2.1 動態應力平衡驗證

巴西圓盤試件沖擊試驗加載示意圖如圖3所示。根據國際巖石力學與巖石工程學會ISRM建議的測試方法,采用波形整形技術能夠提高加載波上升沿時間,有利于實現試驗過程中試件兩端的受力平衡,并且能夠消除波形振蕩、減小彌散效應的影響。試驗選用紫銅片和橡膠片進行波形整形,試驗過程中,將整形器置于入射桿前端,子彈撞擊整形器在入射桿產生半正弦加載波。試件兩端的力P1,P2可以根據下式計算得到

圖3 巴西圓盤試件沖擊試驗加載示意圖

(1)

式中,A和E分別為桿件的橫截面積和彈性模量。

圖4為不同類型試樣的典型動態應力平衡圖,從圖中可見,透射波和入射波+反射波疊加曲線基本重疊,表明試樣在動態加載過程中特別是試樣達到峰值應力之前基本處于應力平衡狀態,試件滿足平衡加載要求。該方法可用于檢測本次試驗所測試樣加載過程中是否滿足應力平衡。

圖4 典型預制裂隙試件動態受力平衡驗證

2.2 不同傾角裂隙試件的波動特性

SHPB系統是通過應力波在彈性桿內傳遞,使得入射桿和透射桿兩端最終達到力的平衡,從而實現對試件加載。SHPB試驗通過入射桿和透射桿所貼應變片以電壓-時間曲線形式輸出結果,本次試驗所測不同傾角預制裂隙試件試驗結果如圖5和圖6所示,圖5、圖6中為濾波處理后的電壓信號值。將所測電壓值換算成力,通過三波法即可計算得到各桿端所受的力。

圖5 不同傾角預制裂隙試件入射波與反射波曲線

圖6 不同傾角預制裂隙試件透射波曲線

由于目前的試驗裝置無法精確設定每次的撞擊速度,故無法保證每次的入射波幅完全相等。因此,選擇波幅近似相等的應力波入射預制裂隙試件,預制裂隙角度為0°,30°,45°,60°和90°,入射波和反射波電壓值隨時間t的變化關系見圖5。從圖5可以看出,在近似入射波幅條件下,不同裂隙傾角圓盤試件的反射波存在較大差異。對于10 mm-0.3 mm預制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為90°>30°>0°>45°>60°;對于10 mm-0.5 mm預制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>45°>90°>60°>0°;對于20 mm-0.3 mm預制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>90°>60°>45°>0°;對于20 mm-0.5 mm預制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>45°>0°>60°>90°。總體而言,傾角為30°試件的反射波波幅相對最大,傾角為0°試件的反射波波幅相對較小。原因在于,應力波傳播特性與混凝土材料的波阻抗(即密度和縱波波速的乘積)密切相關,裂隙傾角的變化導致試件的縱波波速存在差異。桿件的波阻抗相較于混凝土材料更大,當裂隙傾角為0°時,裂隙與加載方向平行,更有利于應力波的傳播,且此時試件的縱波波速更高,波阻抗更大,試件與桿件的波阻抗匹配效果更優,因此產生的反射波更小。當裂隙傾角為30°時,應力波會在裂隙尖端產生反射與散射,在裂隙表面發生擦射和斜入射,且縱波波速更低,波阻抗更小,因此反射波波幅相對最大。

不同傾角預制裂隙試件透射波曲線如圖6所示。在沖擊荷載作用下,一維彈性應力波通過圓盤試件中不同角度的預制裂隙將發生不同程度的衰減。對于10 mm-0.3 mm預制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為45°>30°>0°>90°>60°;對于10 mm-0.5 mm預制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>90°>30°>45°>60°;對于20 mm-0.3 mm預制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>30°>90°>45°>60°;對于20 mm-0.5 mm預制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>45°>30°>90°>60°。對于不同裂縫長度和裂縫寬度的預制裂隙圓盤試件,傾角為0°試件的透射波波幅相對最大,而傾角為60°試件的透射波波幅相對最小。原因在于,當預制裂隙傾角為0°時,預制裂隙面與應力波傳播方向一致,沖擊波耗散較少,因此透射波波幅較大;當預制裂隙傾角為60°時,沖擊波耗散較多,說明當應力波傳播方向與預制裂隙夾角為60°時試件最容易發生破壞。

2.3 動態應力-應變關系

SHPB試驗的基本原理是基于彈性桿中彈性應力波的傳播理論,該理論建立在兩個基本假定的基礎上,即一維假定和應力均勻假定。一維假定認為應力波在彈性桿中傳播時,彈性桿中的每個橫截面始終保持平面狀態;應力均勻假定認為應力波在試樣中反復2～3個來回,試樣中的應力處處相等。根據應力均勻假定,采用三波法,可得到材料的動態應力-應變關系

(2)

式中:E,c,A分別為壓桿的彈性模量、彈性波波速和橫截面積;As,ls分別為試樣的初始橫截面積和初始長度;εi,εr,εt分別為桿中的入射應變、反射應變、透射應變。

不同傾角預制裂隙試件應力-應變曲線如圖7所示,不同傾角裂隙試件峰值應力隨加載角度的變化如圖8所示。可以看出,不同預制裂隙試件的應力-應變曲線受加載角度影響較大。對于10 mm-0.3 mm預制裂隙試件,峰值應力從大到小依次為30°>45°>0°>90°>60°;對于10 mm-0.5 mm預制裂隙試件,峰值應力從大到小依次為0°>90°>45°>30°>60°;對于20 mm-0.3 mm預制裂隙試件,峰值應力從大到小依次為0°>30°>90°>45°>60°;對于20 mm-0.5 mm預制裂隙試件,峰值應力從大到小依次為0°>45°>30°>60°>90°。可以看出,峰值應力的變化規律基本與透射波幅值變化規律相一致。根據應力-應變曲線的總體變化規律,對于不同裂縫長度和裂縫寬度的預制裂隙圓盤試件,傾角為0°試件的峰值應力相對最大,而傾角為60°試件的峰值應力相對最小。進一步驗證了當應力波傳播方向與預制裂隙夾角為60°時試件最容易發生破壞,在相對較小的應力作用下,試件發生破壞風險最大。

圖7 不同傾角預制裂隙試件應力-應變曲線

圖8 不同傾角裂隙試件峰值應力變化曲線

2.4 破壞過程及破壞形式分析

通過高速攝像機對圓盤試件SHPB沖擊破壞試驗的全過程進行拍攝,獲取試件在沖擊作用下的破壞過程。圖9～圖12為不同裂隙傾角試件在相似沖擊速度作用下初步出現宏觀裂紋時的破壞形態圖。可以看出,試樣都已完全破壞,新形成的裂紋整體上均沿著預制裂隙尖端起裂、擴展和貫通,破壞模式主要為壓應力作用下的張拉破壞。當裂隙傾角為0°時,裂紋起裂時形成的宏觀裂紋數量相對較少,且以微裂紋為主;當裂隙傾角為60°時,裂紋起裂時形成的宏觀裂紋數量相對最多,試件更易發生突發性的劇烈破壞。在0°～60°傾角范圍內,新裂紋的形成主要沿預制裂隙尖端起裂,而90°預制裂隙試件的開裂主要以垂直預制裂隙方向為主,即沿主應力方向發生破壞。

圖9 不同傾角裂隙試件初始破裂形態

圖10 不同傾角裂隙試件初始破裂形態

圖11 不同傾角裂隙試件初始破裂形態

圖12 不同傾角裂隙試件初始破裂形態

此外,由圖9～圖12可知,圓盤試件在沖擊荷載的破壞形式與預制裂隙長度密切相關。在相同預制裂隙寬度下,長度為20 mm預制裂隙的破壞形式要比10 mm長度預制裂隙試件更加簡單,形成新裂紋的數量相對較少,且更容易沿預制裂紋尖端方向向外起裂。在試驗所設計的預制裂隙寬度內,0.3 mm和0.5 mm寬度預制裂隙試件的破壞模式差別不明顯。

不同傾角裂隙試件最終破壞形態如圖13～圖16所示。由圖13～圖16可知,預制裂隙長度對試件沖擊破壞的最終形態影響較大。20 mm長度預制裂隙試件破壞后形成的碎塊更為完整,以較大尺寸的塊狀為主;10 mm長度預制裂隙試件破壞形態更加復雜,試件整體破碎嚴重,小塊體增多,破壞后形成較多的小尺寸碎塊。也就是說,在相同動荷載作用下,預制裂隙長度顯著影響混凝土襯砌試件的破碎塊度大小。然而,在試驗所設計的預制裂隙寬度內,0.3 mm和0.5 mm寬度預制裂隙試件的最終破壞形態差別不明顯。

圖13 不同傾角裂隙試件最終破壞形態

圖14 不同傾角裂隙試件最終破壞形態

圖15 不同傾角裂隙試件最終破壞形態

圖16 不同傾角裂隙試件最終破壞形態

3 結 論

(1)當預制裂隙傾角為0°時,預制裂隙面與應力波傳播方向一致,沖擊波耗散較少,透射波波幅較大;當預制裂隙傾角為60°時,沖擊波耗散較多,即當應力波傳播方向與預制裂隙夾角為60°時試件最容易發生破壞。

(2)根據應力-應變曲線的總體變化規律,對于不同裂縫長度和裂縫寬度的預制裂隙圓盤試件,傾角為0°試件的峰值應力相對最大,而傾角為60°試件的峰值應力相對最小。

(3)沖擊荷載下新形成的裂紋整體上均沿著預制裂隙尖端起裂、擴展和貫通,破壞模式主要為壓應力作用下的張拉破壞,且巴西圓盤試件在沖擊荷載的破壞形式與預制裂隙長度密切相關,與裂隙寬度關聯性較弱。

(4)在相同預制裂隙寬度下,長度為20 mm預制裂隙的破壞形式比10 mm長度預制裂隙試件更加簡單,形成新裂紋的數量相對較少,且更容易沿預制裂紋尖端方向向外起裂。