一維動靜組合加載下石灰巖力學特性試驗研究

方兆惠，平 琦，張 號

(1.安徽理工大學省部共建深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

隨著我國深部資源開采和城市地下工程的日益增多、難度日益增大[1]。給巖石力學的發展帶來機遇，同時也提出了嚴峻挑戰。巖石是一種自然界存在的天然材料，其物理力學性質極其復雜。很多學者對靜載或準靜載作用下的巖石力學性質開展了大量的試驗研究，并取得了豐碩成果[2-3]。相對而言，對動載作用下的巖石力學特性還需深入研究。如今，沖擊荷載作用下巖石的動態力學特性已引起學術界廣泛關注。

近年來，國內外相關學者對不同應變率下巖石的破壞形式開展許多卓有成效的研究[4-10]。文獻[11]采用SHPB試驗裝置對砂巖進行了高應變率動態拉伸試驗，分析了砂巖試件的應變率效應；文獻[12]通過分離式SHPB試驗裝置對巖石在不同高溫下的研究，探索了溫度對巖石性能的影響；文獻[13]利用SHPB試驗裝置對巖石在不同長徑比下的研究，探明了長徑比對試件兩端的應力平衡狀態有顯著影響。這些SHPB試驗研究并未考慮軸壓對巖石力學性能的影響。如今，動靜組合狀態下巖石的破壞已經廣泛的存在各種工程事件中，越來越引起人們的重視。文獻[14]利用改進的SHPB試驗裝置對巖石在動靜組合加載下的動態力學性質進行一系列研究，已經取得了一些有價值的研究成果。

本文以石灰巖為研究對象，利用改進的SHPB試驗裝置進行動靜組合下的沖擊壓縮試驗，探索石灰巖在動靜組合下的破壞機理，為巖體施工的穩定性提供一定的理論依據。

1 SHPB試驗

1.1 試件制備

本文試驗所用的巖樣采自安徽淮南舜耕山的石灰巖，選取完整性和均質性較好的巖樣作為研究對象。所有試件統一加工成圓柱體，根據國際巖石力學學會推薦使用的試驗方法[15]，靜載和動載試驗的試件尺寸分別選取φ50mm×100mm，φ50mm×25mm。對巖樣進行取芯、切割、打磨，使其符合規范要求[16]。采用RMT-150試驗裝置對石灰巖試件進行靜載力學性能試驗，有關參數如表1所示。

表1 石灰巖靜載力學基本參數

1.2 加載試驗裝置

本文采用安徽理工大學省部共建深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室引進的SHPB試驗裝置為試驗的加載系統。該裝置的撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿均采用40Cr合金鋼制成，泊松比為0.28，縱波波速為5 410m/s。入射桿和透射桿長度分別為2 000mm和1 500mm，直徑為50mm。撞擊桿采用紡錘型，利用其產生的半正弦應力波以實現恒應變率加載[17]。數據采集和顯示設備為SDY2107A超動態應變儀和DL850E示波器。

1.3 試驗數據

采用改進的SHPB試驗裝置對石灰巖試件進行動靜組合加載試驗時，選取其靜態強度的40%為軸壓對石灰巖試件進行預加載[18]，即軸壓為24MPa。試驗結果如表2所示。

應變率為10～200s-1范圍內，無軸壓時，試件動態強度從77.03MPa增加到171.9MPa，相對于靜態強度增加13%到286%；有軸壓時，試件動態強度從71.21MPa增加到206.59MPa，相對于靜態強度增加12%到343%?？梢姂兟蚀笥?0s-1時，石灰巖試件動態抗壓強度受應變率的影響均較大。

表2 石灰巖SHPB試驗結果

2 試驗結果分析

2.1 動態應力-應變曲線分析

無軸壓時，石灰巖試件在不同應變率下的動態應力-應變曲線，如圖1所示。

圖1 無軸壓時石灰巖試件應力-應變曲線

從圖1可以看出，應變率較低時，石灰巖試件達到峰值應力后，應變發生小幅度的減小。這是因為應變率較低，試件沒有達到完全破壞的程度，仍然有一定的承載能力。當其內部儲存的彈性能大于加載的動能時，內部的彈性能釋放出來，試件變形發生小幅度的回彈，應變隨之減小。當應變率為98s-1時，試件動態應力-應變曲線的峰后階段應力跌落很快，應變變化很小。應變率為(120～130s-1左右)時，試件承受外界的動能遠大于內部儲存的彈性能。在達到試件峰值應力后會繼續吸收能量，試件殘余強度會不斷降低，應變持續增大，因此試件會受到嚴重的破壞。

有軸壓時，石灰巖試件在不同應變率下的動態應力-應變曲線，如圖2所示。

圖2 有軸壓時(24MPa)試件應力-應變曲線

從圖2可以看出，有軸壓時石灰巖試件動態應力-應變曲線形態與無軸壓時明顯不同，區別最大的是有軸壓時試件動態應力-應變曲線沒有屈服階段。出現此現象是因為軸壓抑制了試件裂紋的開展，因此應力增長較小時不會引起應變的快速增加。通過對比有無軸壓時試件動態應力-應變曲線，發現相同軸壓時，試件動態應力-應變曲線形態基本相似；不同軸壓時，試件動態應力-應變曲線形態有所不同，是因為軸壓不同造成的。

2.2 動態強度增長因子與應變率關系

定義動態強度增長因子(Dynamic Increase Factor，DIF)為試件動態抗壓強度和靜態抗壓強度的比值。即

(1)

式中：σd為試件動態抗壓強度，σc為試件靜態抗壓強度。

從表2可以看出，無軸壓時，當石灰巖試件應變率從56s-1增加至144s-1時，動態強度增長因子從1.19增加至2.55，增幅達114%。其擬合關系如式(2)所示

(2)

有軸壓時，當石灰巖試件應變率從27s-1增加至112s-1時，動態強度増長因子從1.18增加至3.43，増幅為191%。其擬合關系如式(3)所示

(3)

通過式(2)、式(3)可知，有無軸壓時試件動態強度增長因子均與應變率呈線性增加，相關性很強。

石灰巖試件動態強度增長因子與應變率的關系，如圖3所示。

圖3 DIF與應變率的關系圖

從圖3可以看出，若應變率相同，有軸壓時試件動態強度增長因子比無軸壓時大。是因為軸壓抑制了試件內部裂紋的擴展，其承載能力有一個突躍增加。在軸壓作用下試件內部的裂縫壓縮閉合，應力波可以在試件內部直接傳播，減少了應力波在裂縫中來回反射產生的拉應力破壞。無軸壓時，試件內部有眾多裂縫，應力波在裂縫中來回反射，產生的拉應力造成試件多次破壞。因此，軸壓作用下試件動態抗壓強度明顯提高。

2.3 能量規律分析

石灰巖試件透射能與入射能的關系，如圖4所示。

圖4 透射能與入射能關系圖

從圖4可以看出，透射能隨著入射能的增加而增加。當入射能較小時，透射能與入射能近似線性增加；當入射能較大時，透射能的增量隨入射能的增加而減小。當入射能較小時，試件發生輕微的破壞，此時入射能跟透射能近似相等，呈線性關系；當入射能較大時，試件發生嚴重的破壞，此時透射能相對趨于穩定，入射能的增量主要被試件破壞所吸收。

石灰巖試件單位體積吸收能與入射能的關系，如圖5所示。

圖5 單位體積吸收能與入射能關系圖

從圖5可以看出，有軸壓時，當入射能較小，試件單位體積吸收能為負值。因為在軸壓作用下試件處于彈性階段，其內部儲存了大量的彈性能，此時試件仍然保持穩定狀態。當試件受到較小的沖擊作用時，試件內部的彈性能會突然釋放出來，形成巖爆。由于釋放的彈性能超過加載的動能時會釋放出能量，因此單位體積吸收能表現為負值，此時試件整體不會失穩。因為試件內部能量的釋放，卸載后應變會發生部分減少。當入射能較大時，此時試件內部釋放的彈性能小于加載的動能，這時試件會被破壞。試件單位體積吸收的能量越多破碎的越嚴重。無軸壓時，因為沒有軸壓的作用，試件內部彈性能遠小于加載的動能，因此在較小的入射能下，試件就會被破壞。通過對比分析，有無軸壓作用時，石灰巖試件單位體積吸收能均隨入射能增加而增大；入射能相同，有軸壓時試件單位體積吸收能比無軸壓時??；隨入射能增大，透射能相對趨于穩定，此時試件單位體積吸收能迅速增加。

2.4 試件破壞形態

石灰巖試件在不同應變率下的破壞形態，如圖6所示。

圖6 不同應變率石灰巖試件動態破壞形態

從圖6(a)可以看出，無軸壓時，在沖擊荷載作用下，試件碎塊大多呈規則長條形，破裂面平行于軸向方向，因此試件在軸向沖擊荷載作用下發生劈裂破壞。當應變率為56s-1時，收集的石灰巖是幾個大的碎塊。當應變率為98s-1時，收集的石灰巖是眾多較大的碎塊。在應變率為(130s-1左右)時，收集的石灰巖出現更多小碎塊和部分碎屑。產生這種差異的原因，是試件在不同的應變率作用下，能夠在極短的時間內積聚不同的能量，促使巖石本身固有和新生成的裂隙向不同的方向發展。因此在其他條件相同時，應變率越大，試件破壞的越嚴重。通過觀察石灰巖試件在不同應變率下的破壞形態可以確定無軸壓時試件為劈裂破壞。

從圖6(b)可以看出，有軸壓時，石灰巖試件受端部效應作用發生應力集中，同時試件內部微裂紋在軸壓的作用下擴展，形成潛在的剪切破壞面。當應變率為27s-1時，收集的石灰巖沒有明顯的破壞。當應變率為59s-1時，試件側面發生了巖屑剝落彈射，發生巖爆現象。當應變率為90s-1時試件表面存在明顯傾斜狀裂縫，這是因為試件破壞釋放了內部存儲的彈性能，但其仍然有一定的抗壓強度。當應變率為113s-1時，試件出現整體破碎，碎塊呈不規則形狀。通過觀察石灰巖試件在不同應變率下的破壞形態可以確定有軸壓時試件為壓剪破壞。

3 結論

(1)石灰巖試件動態應力-應變曲線受軸壓影響較大，軸壓不同時曲線形態有所不同，軸壓相同時曲線形態基本相似。臨界破壞時，當試件內部儲存的彈性能大于加載的動能時，內部的彈性能得以釋放出來，試件側面巖屑剝落彈射。試件破壞形態表現為無軸壓時劈裂破壞，有軸壓時壓剪破壞。

(2)有無軸壓作用時，石灰巖試件動態強度增長因子均與應變率呈線性增加。應變率相同，有軸壓時試件動態強度增長因子比無軸壓時大。這是因為軸壓抑制了試件內部裂紋的擴展，使其承載能力有一個突躍增加。

(3)有無軸壓作用時，石灰巖試件單位體積吸收能均隨入射能增加而增大；入射能相同，有軸壓時試件單位體積吸收能比無軸壓時??；隨入射能增大，透射能相對趨于穩定，此時試件單位體積吸收能迅速增加。