陸 華， 王建國， 楊繼清， 黃 博

(1. 北方民族大學 土木工程學院， 銀川 750021； 2. 云南農業(yè)大學 建筑工程學院， 昆明 650201；3．青島地鐵集團有限公司工程建設分公司， 山東青島 266000)

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不同孔隙率紅砂巖的動力響應特性試驗

陸 華1， 王建國2， 楊繼清2， 黃 博3

(1. 北方民族大學 土木工程學院， 銀川 750021； 2. 云南農業(yè)大學 建筑工程學院， 昆明 650201；3．青島地鐵集團有限公司工程建設分公司， 山東青島 266000)

摘要：采用分離式霍普金森壓桿沖擊試驗系統(tǒng)，對現場采集的試樣加工后進行相似速率條件下的沖擊試驗，得到了沖擊荷載作用下一定范圍內的不同孔隙率紅砂巖的相關動力特性。即在相似沖擊速率下，隨著紅砂巖的孔隙率從5.67%增大到11.86%，其反射波幅值逐漸增大，透射波幅值逐步減小，透射波峰值出現時間隨著孔隙率的增大而提前；動力傳遞率隨著孔隙率的增大呈指數下降；動態(tài)彈性模量和峰值強度隨著孔隙率的增大而明顯減小，峰值強度降低率隨孔隙率的增加基本呈直線上升；當孔隙率在5.67%～8.32%區(qū)間變化時，峰值強度對應的應變相差不大，但是當孔隙率增為11.86%時，無論是峰值強度還是峰值對應的應變都顯著減小。

關鍵詞：沖擊動力學； SHPB； 孔隙率； 紅砂巖； 應力波； 動力響應

1引 言

巖石材料內部存在著大量的孔隙，使得巖石結構呈現出非連續(xù)、非均勻、各向異性和非線性等特征，嚴重影響巖石的靜態(tài)和動態(tài)力學性能〔1〕。同時，巖石材料的力學性質還與外部加載條件，如加載速率、載荷大小以及耦合情況有關〔2〕。HILTL, MICHAEL等〔3〕通過試驗探究了干燥和飽和水兩種情況下，孔隙率對紅砂巖的擾動恢復能力的影響；盧應發(fā)、田斌等〔4-5〕對大孔隙率砂巖在不同飽和液體情況下的力學特性進行了試驗研究，以兩種破壞理論對大孔隙率砂巖的破壞特征進行了解釋；黃先伍等〔6〕利用一種專利裝置與MTS815.02型巖石力學試驗系統(tǒng)，進行了破碎砂巖的穩(wěn)態(tài)滲透試驗，得到了不同孔隙率下破碎砂巖的滲透率和非Darcy流β因子；SKRIPKIN等〔7〕對水、油、氣三相狀態(tài)下砂巖滲透率的測試系統(tǒng)及方法進行了改進；楊永明、鞠楊等〔8〕利用自制的孔隙物理模型，通過單軸壓縮和CT掃描試驗研究了受載條件下孔隙率對巖石孔隙結構的演化及其對外部物理力學性能的影響，得到了不同加載階段和不同CT觀察尺度下孔隙模型的裂紋擴展規(guī)律以及孔隙和固體介質的損傷變化情況；隨后，又以砂巖為研究對象，重構了三維孔隙模型，應用數值模型試驗的方法，分析并探討了孔隙結構參數對孔隙砂巖力學性能的影響，揭示了孔隙巖石變形破壞的內在機制〔9〕；韓國鋒等〔10〕利用風化的高孔隙率巖石進行三軸試驗，研究了巖石在壓縮帶形成過程中的滲透性變化特征、卸載圍壓時滲透性變化、體積應變與滲透性變化的關系。

以上研究基本是考察靜力條件下，巖石孔隙率對其物理力學性質的影響，專門考察孔隙率對巖石動力特性影響的文獻并不多見。夏昌敬、謝和平等〔11-12〕利用分離式Hopkinson壓桿裝置進行了不同孔隙率人造巖石的沖擊試驗，探討了孔隙率對巖石能量耗散的影響及巖石臨界破壞時能量耗散情況。高全臣等〔13〕采用分離式霍普金森壓桿沖擊試驗系統(tǒng)，對流固耦合的多孔隙紅砂巖試樣進行了不同沖擊速率下的損傷效應對比試驗，提出不同耦合介質和孔隙率對多孔隙砂巖沖擊損傷效應的影響關系。RIVIERE J等〔14〕研究了砂巖在不同應變率條件下的動態(tài)聲彈規(guī)律。研究孔隙率對巖石動力特性的影響對工程爆破等領域意義重大，本文以紅砂巖為例，探究氣-固狀態(tài)下，紅砂巖受沖擊荷載作用后的動力響應特性。

2試驗系統(tǒng)

試驗的紅砂巖試件來自廣州地鐵一號線某段開挖工程的施工現場，對大塊紅砂巖取樣后，用取芯鉆機在外觀較完整均質的地方取芯，直徑50mm。經切割、端面打磨制成長度L=100mm，直徑φ=50mm的標準試件40個，用于研究氣-固狀態(tài)下孔隙率對紅砂巖動力響應特性的影響〔15〕。試驗前，需將試件放在干燥環(huán)境下7d以上，基本確保試件為全干燥狀態(tài)，以避免孔隙中水介質對應力波傳播的影響。

沖擊試驗采用中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的SHPB試驗系統(tǒng)，該裝置由動力系統(tǒng)、撞擊桿(子彈)、輸入桿、輸出桿、吸收桿和測量記錄系統(tǒng)等組成，被測試樣置于輸入桿和輸出桿之間，如圖1所示〔16〕。

圖1　SHPB試驗系統(tǒng)簡圖Fig.1　SHPB experimental system

動力系統(tǒng)中選用尺寸為φ50mm×800mm的子彈，高壓氮氣驅動子彈以一定的速度沿軸向沖擊輸入桿，該速度由激光測速儀在子彈出膛處測量。試驗中沖擊加載信號及紅砂巖試樣的動力響應信號的測量，由粘貼在輸入、輸出桿上的應變片，超動態(tài)應變儀和信號記錄、存儲、顯示儀器組成的系統(tǒng)完成。

3沖擊荷載下不同孔隙率紅砂巖的動力響應分析

3.1波形分析

子彈和輸入桿均為彈性桿，只發(fā)生彈性變形，根據一維彈性應力波理論，子彈撞擊入射桿后，桿中質點的波速與應力分別為〔17〕：

(1)

(2)

式中：ρ0，v0分別為撞擊桿的密度和速度；c0為壓桿的彈性波波速；v(t),σ(t)分別是入射桿質點的速度和入射波的幅值?？梢?，入射波幅值由沖擊速度決定且與其呈線性關系。若子彈速度基本相近，入射波波幅也基本一致。

試驗中，通過控制氣壓倉的充氣值，保持每次的撞擊速度基本恒定。根據孔隙率大小將試驗結果歸納為4組，選擇每組中具有代表性的一個比較分析，圖2即為不同孔隙率紅砂巖在相似沖擊速度(約為2.5m/s)下測得的入射波和反射波波形圖。

圖2　入射波和反射波的波形圖Fig.2　The incident and reflection wave oscillograms

從圖2中可以看出，入射波形狀比較穩(wěn)定，近似為矩形，入射波幅值在相似的速率下基本重合，滿足一維彈性應力波理論。

反射波隨著孔隙率的增大出現不同的形狀，當孔隙率較小時，反射波雖接近“U”形，但到達波峰后又逐漸下降；當孔隙率增大為11.86%時，反射波呈“U”形，峰值形成一個平臺。這是由于空氣介質與巖石固體具有不同波阻抗，孔隙數量的增加代表承受和傳遞應力波的固體介質減少，孔穴界面增多，造成應力波在孔穴界面反射的次數增加，多次反射產生的波疊加效應增大了反射波的波幅。

與圖2入射波相對應的透射波如圖3所示。

圖3　透射波形圖Fig.3　The transmission wave oscillograms

透射波幅值隨著孔隙率的增大，明顯減小，當孔隙率從5.67%增至11.86%時，透射波峰值降幅約70.0%。從應力波傳播過程來看，透射波峰值出現時間隨著孔隙率的增大而提前。與反射波的情況一樣，隨著孔隙率的增加，巖石內部孔穴增多，即空氣介質增多，相應的，承載應力波的固體介質就越少，因此透射波幅明顯隨孔隙率的增大逐步減小。從介質的波阻抗角度來分析，空氣介質的波阻抗明顯小于紅砂巖，因此孔隙率高的紅砂巖試件對透射波傳播的阻隔作用小于孔隙率低的試件，于是有圖中透射波波峰出現的時間隨著孔隙率的增大而提前的情況。

3.2動力傳遞率分析

用透射波峰值與入射波峰值的比值表示動力傳遞率，干燥紅砂巖試件的動力傳遞率隨孔隙率的變化情況如圖4所示。

圖4　動力傳遞率與孔隙率關系圖Fig.4　The relationship graph between power transmission rate and porosity rate

顯然，紅砂巖動力傳遞率隨著孔隙率的增大而遞減，當孔隙率從5.67%增大到11.86%時，紅砂巖的動力傳遞率從55.25%迅速降到22.38%，下降趨勢接近指數關系?？紫堵市∮?.32%時，下降幅度較大，孔隙率繼續(xù)增大，下降趨勢開始變緩，孔隙率大于11.86%的情況有待對更多不同結構的紅砂巖進行動力學試驗。

3.3應力應變關系分析

不同孔隙率紅砂巖在沖擊荷載作用下的σ -ε關系曲線如圖5所示。

圖5　沖擊荷載下不同孔隙率紅砂巖的σ -ε關系Fig.5　σ -ε curve of red sandstone under differentimpact loading

當孔隙率在5.67%～11.86%范圍內變動時，紅砂巖試件的σ -ε關系曲線變化趨勢基本各不相同，其中孔隙率為11.86%時，σ -ε關系曲線變化顯著，整個加載過程中基本未出現彈性階段，表現出明顯的塑性特性，巖石出現應變軟化，即隨著應力的加大，應變增長的速率加快。此外，從不同孔隙率的σ -ε關系曲線可以看出：紅砂巖的動態(tài)彈性模量和峰值強度隨著孔隙率的增大而明顯減小，當孔隙率在5.67%～8.32%區(qū)間變化時，峰值強度對應的應變相差不大，約為0.0045；但是當孔隙率增為11.86%時，無論是峰值強度還是峰值對應的應變都顯著減小。

試驗不同孔隙率紅砂巖試件的沖擊測試結果參見表1。選擇孔隙率最小的試驗試樣的峰值應力為參照標準，按照孔隙率由小到大的順序，繪制峰值應力降低率隨孔隙率變化的關系，如圖6所示。隨著孔隙率的增大，紅砂巖試件的峰值應力降低率基本呈直線上升。說明紅砂巖的峰值強度具有很強的孔隙率敏感性。

表1　相似沖擊速度下不同孔隙率紅砂巖的應力應變對比

圖6　峰值應力降低率隨孔隙率的變化關系Fig.6　The relationship graph between reduction rate of peak stress and porosity rate

4結 論

(1)相似沖擊速度下，隨著紅砂巖的孔隙率從5.67%增大到11.86%，其反射波幅值逐漸增大；透射波幅值則隨著孔隙率的增大而減小，當孔隙率增至11.86%時，透射波降幅達70%左右；透射波峰值出現時間隨著孔隙率的增大而提前。

(2)相似沖擊速度下，當孔隙率在5.67%～11.86%范圍變化，紅砂巖的動力傳遞率隨孔隙率的增加呈指數形式下降。

(3)紅砂巖的動態(tài)彈性模量和峰值強度隨著孔隙率的增大而減小，當孔隙率在5.67%～8.32%區(qū)間變化時，峰值強度對應的應變相差不大；但是當孔隙率增為11.86%時，無論是峰值強度還是峰值對應的應變都顯著減小。

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Dynamic response characteristics experiment of red sandstone under different porosity

LU Hua1, WANG Jian-guo2, YANG Ji-qing2, HUANG Bo3

(1．School of Civil Engineering, Northern University for Nationalities, Yinchuan 750021, China;2．College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;3．Qingdao Metro Group Co.,Ltd., Engineering Construction Branch, Qingdao 266000, Shandong, China)

ABSTRACT：Impact experiment under similar velocity on field specimen after being processed was carried out with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. Dynamic response characteristics of red sandstone with different porosity were achieved in a certain range of impact loading. From the experiment, the following conclusions were obtained, under the similar impact velocity, as the red sandstone porosity increased from 5.67% to 11.86%, the reflection amplitude value increased gradually, but the transmission amplitude value reduced little by little. The peak value of transmission wave turned out in advance with the increasing of porosity. Power transmission rate reduced exponentially with the increasing of porosity. Dynamic elastic modulus and peak strength decreased with the increasing of porosity and peak intensity reduction rised in a straight line with the increasing of porosity.The strain corresponding with peak intensity changed unconspicuously when the porosity varied from 5.67% to 8.32%, but when the porosity increased to 11.86%, both the peak value strength and the corresponding strain were significantly reduced.

KEY WORDS:Impact dynamics; SHPB; Porosity; Red sandstone; Stress wave; Dynamics response

文章編號：1006-7051(2016)02-0019-05

收稿日期：2015-10-20

基金項目：北方民族大學國家自科培育項目(2014Q2P06)

作者簡介：陸 華(1978-)，女，博士、講師，從事巖石動力學方面的研究。E-mail：8494122@qq.com

中圖分類號：TD235.2； TU458+3

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.004