張 慧， 邢闖鋒， 張力民， 劉紅巖

(1. 黃淮學院 建筑工程學院， 河南駐馬店 463000； 2. 中鐵七局集團有限公司勘測設計院， 鄭州 450016；3. 北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083； 4. 河北承德鋼鐵公司， 河北承德 067000；5. 中國地質大學(北京) 工程技術學院， 北京 100083)

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裂隙巖體沖擊韌性及破壞模式實驗

張 慧1， 邢闖鋒2， 張力民3,4， 劉紅巖5

(1. 黃淮學院 建筑工程學院， 河南駐馬店 463000； 2. 中鐵七局集團有限公司勘測設計院， 鄭州 450016；3. 北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083； 4. 河北承德鋼鐵公司， 河北承德 067000；5. 中國地質大學(北京) 工程技術學院， 北京 100083)

為研究裂隙對巖體沖擊韌性及破壞模式的影響規(guī)律，以及裂隙巖體在高應變率下的動態(tài)破壞特征，采用擺錘式沖擊實驗機對裂隙及完整巖體進行了不同沖擊速度、不同裂隙條件下的沖擊實驗。實驗結果表明，對長度相同的完整試件而言，試件直徑越大，即試件體積越大，試件破碎就越充分，斷面也越不規(guī)整；試件中的裂隙長度越長，試件破壞時的吸收功就越小，沖擊韌性也越小，試件吸收功和沖擊韌性隨裂隙長度的增加而減?。辉嚰严督嵌仍酱?，試件破壞斷面就越不規(guī)整，試件破壞后的塊度也越不均勻，試件吸收功和沖擊韌性隨裂隙傾角的增大而減小。

裂隙巖體； 沖擊韌性； 破壞模式； 吸收功； 沖擊速度

1　引言

巖石在沖擊載荷下的力學特性如彈性模量、強度及破壞模式等明顯不同于靜態(tài)載荷下〔1-5〕。近年來，隨著我國基礎設施建設及資源開發(fā)的蓬勃發(fā)展，巖石動力學在諸多工程領域中發(fā)揮了越來越重要的作用。由于建筑人防、水利交通、礦山等工程中的巖體都不可避免地受到動載荷的影響〔6〕，如硐室開挖過程中的爆破沖擊波及地震作用等，都會涉及到沖擊載荷下的巖石動力學特性。其中，沖擊韌性是評定材料沖擊抗力的一個重要指標，它表示材料在沖擊荷載作用下抵抗變形和斷裂的能力。沖擊韌性的大小不僅取決于材料的性能，而且與試件形狀、尺寸、缺口形式等密切相關。目前，已有不少學者采用實驗手段對該問題進行了較深入的研究。于永江等〔7〕利用擺錘式沖擊實驗機對塊煤進行了不同沖擊速度、不同沖擊方向條件下的有缺口沖擊實驗，結果表明，裂紋擴展所需能量與沖擊方向密切相關，且其沖擊韌性對塊煤中的節(jié)理等缺陷很敏感。俞祁浩等〔8〕采用傳統沖擊實驗機對凍結蘭州黃土、蘭州中砂和純冰進行了不同沖擊速度、不同溫度條件下有缺口沖擊實驗，發(fā)現裂紋在試樣中擴展所需能量隨速度的增加而增加，并與試樣種類密切相關，且錘速對試樣沖擊韌度的影響很大。馬芹永等〔9〕利用擺錘式沖擊實驗儀對凍結粘土進行不同溫度、不同沖擊能量的帶缺口沖擊實驗，結果表明，凍結粘土的沖擊韌度隨溫度降低而增大，隨沖擊能量的增加而增大。

然而，目前關于巖石沖擊實驗的研究還主要存在以下兩方面的不足：首先，在實驗手段上，目前巖石沖擊實驗主要采用SHPB實驗機進行〔2,10〕，雖然可以很好地獲得巖石的動態(tài)應力應變曲線、破壞模式等動態(tài)力學特性，但是無法獲得巖石的沖擊韌性等參數；其次，目前巖石動力學實驗所用試件主要是完整巖塊，而實際巖體都是含有節(jié)理、裂隙等宏觀缺陷的，且這些宏觀缺陷對其動力學特性有著重要影響。因此，本文擬采用擺錘式沖擊實驗機對裂隙巖體在沖擊載荷下的能量吸收、沖擊韌性及破壞模式等進行研究，重點探討裂隙對巖體動力特性的影響規(guī)律。

2　沖擊實驗方案

圖1為實驗所用的ZBC3302-2型金屬擺錘沖擊實驗機，滿程沖擊能量為300J，對應的擺錘預揚角為150°。

圖1　ZBC3302-2型沖擊實驗機Fig.1　ZBC3302-2 impact test machine

根據研究目的，設計四種實驗方案：①試件長度l相同而直徑d不同的完整試件：取l=100 mm、直徑d分別為50 mm和25 mm的兩類圓柱形試件，沖擊擺預揚角α取滿揚角度，α=150°；②裂隙長度a不同的試件：對φ50 mm×100 mm、β=0°的試件，分別制作a=1 cm,2 cm和3 cm的試件，沖擊擺預揚角α取滿揚角度，α=150°；③裂隙角度β不同的試件：對φ50 mm×100 mm的試件分別制作β=0°，15°，30°，45°的裂隙，裂隙長度a=2 cm，預揚角α取滿揚角度，α=150°；④不同預揚角α設計：對φ50 mm×100 mm的完整試件，取沖擊擺預揚角α分別為30°和45°。以上每種工況均取3個試件。含不同裂隙角度、長度的試件模型見圖2。

試件的制作方法：由于利用真實巖塊制作裂隙巖體比較困難，因此采用由水泥∶砂∶水按質量比4.5∶4.5∶2配制而成的水泥砂漿來制作，所得材料脆性與巖石比較接近。對于完整試件，將配制好的水泥砂漿澆注于預制好的模具中振動至密實，1d后拆模并在室溫下澆水養(yǎng)護28d；對于裂隙試件，則待試件脫模后用鋸條按照設計制作相應的裂隙。

3　實驗結果及分析

3.1試件直徑d不同

l=100 mm完整圓柱試件的沖擊破壞形態(tài)如圖3所示，實驗結果如表1所示。

圖3　l=100 mm完整圓柱試件的沖擊破壞形態(tài)Fig.3　Impact failure mode of the intact cylinder sample with l=100 mm

尺寸/mm體積/mm3吸收功/(W·J-1)平均/(W·J-1)沖擊韌性/(J·cm-2)平均/(J·cm-2)?50×100196349.5300.14299.6515.2915.27?50×100196349.5299.1615.24?25×10049087.3840.7540.428.308.24?25×10049087.3840.098.17

由圖3及表1可知：

(1)從破壞形態(tài)上看：φ50 mm試件破壞為四部分，且斷面形狀不規(guī)則；φ25 mm試件破壞為兩部分，且斷面相對比較平整。分析認為，當由沖擊擺產生的沖擊力作用于試件中部時，將在作用點處瞬時產生壓縮應力波，并在試件內傳播。一方面，當壓縮應力波傳播到試件對側時，由于反射作用將在試件對側產生拉伸應力波，由于試件抗拉強度遠低于其抗壓強度，因而會首先在對側產生拉伸裂紋，并沿試件橫向傳播；另一方面，當試件直徑較小時，在試件內傳播的壓縮應力波就類似于一維波，僅沿試件橫向傳播，因而容易出現如圖3(b)所示的沿橫斷面破裂成兩部分的形式。而當試件直徑較大時，在試件內傳播的壓縮應力波更類似于平面波，在整個試件內部傳播，由于與作用點垂直的橫截面的傳播距離最短，因而由反射拉伸應力波產生的拉伸裂紋將出現在與作用點相對應的試件對側。同時，在試件與儀器接觸的兩個接觸點處也將產生反作用的壓縮應力波在試件內傳播，這兩個相向傳播的應力波將在試件內部相遇，進而導致試件內部產生破裂，產生如圖3(a)所示的破裂形式。

(2)從吸收功及沖擊韌性上看：φ50 mm試件體積是φ25 mm試件體積的4倍，而吸收功則為其7.41倍，沖擊韌性為其1.85倍?？芍?，試件體積越大，其破壞時吸收的能量就越大，但二者并不一定成正比例關系。由于試件抵抗沖擊破壞的能力隨著試件體積的增加而增強，所以在軍事防御工程中，可通過適當增加防御工程的厚度、體積等提高其抗打擊能力。

3.2裂隙長度a不同

裂隙長度a不同、角度β為0°的試件沖擊破壞形態(tài)如圖4所示，裂隙長度與吸收功和沖擊韌性的關系如圖5所示。

圖4　裂隙長度a不同、角度β為0°的試件沖擊破壞形態(tài)Fig.4　Impact failure modes of the sample with a crack in different length a and 0° dip angle

圖5　裂隙長度a與吸收功和沖擊韌性的關系Fig.5　The relationship between crack length, absorbed energy and impact toughness

由圖4和圖5可知：

(1)從破壞形態(tài)上看：對于裂隙長度a不同的φ50 mm×100 mm的圓柱形試件，其破壞后幾乎都分為四塊，而且其破壞截面與裂隙所在截面相同，破壞形態(tài)比完整試件更規(guī)則。這是由于試件中裂隙的存在不但降低了破裂面的有效面積，而且也為試件破壞提供了初始裂紋源，使試件更容易沿著初始裂隙的方向發(fā)生擴展、破壞。但是三種不同裂隙長度試件的破裂形態(tài)還有微小差別，即a=1 cm的試件破壞截面平整度相對較差，a=3 cm的試件破壞后有小塊掉落。

(2)從吸收功及沖擊韌性上看：對于0°裂隙試件，a分別為1，2，3 cm，其吸收功分別為完整試件的66.13%，36.95%及14.52%，沖擊韌性分別為完整試件的77.1%，58.9%和38.8%，可知不同長度裂隙對試件抵抗沖擊破壞的能力有較大負面影響，裂隙越長，其破壞時所需要的沖擊能量就越小、沖擊韌性就越低，即抵抗破壞的能力就越差。

3.3裂隙角度β不同

a=2cm而裂隙角度不同時的試件沖擊破壞形態(tài)如圖6所示，裂隙角度與吸收功和沖擊韌性的關系如圖7所示。

圖6　a=2 cm而裂隙角度β不同時的試件沖擊破壞形態(tài)Fig.6　Impact failure modes of the sample with crack in different dip angle β and a=2 cm

圖7　裂隙角度β與吸收功和沖擊韌性的關系Fig.7　The relationship between crack dip angle β， absorbed energy and impact toughness

由圖6和圖7可知：

(1)從破壞形態(tài)上看：試件破壞后大體被分為四塊，但其破壞形態(tài)隨缺口角度變大逐漸變得不規(guī)則，0°裂隙試件破壞面比較整齊，15°,30°裂隙試件破壞面基本與端口所在面一致，但與0°裂隙試件破壞面不同；45°裂隙試件破壞是從裂隙端處開始，但斷面呈現不規(guī)則形狀，而且破壞后大小不均勻。說明隨著裂隙傾角變大，試件破壞后斷面越來越不規(guī)則，試件破壞形態(tài)也愈加不均勻。

(2)從吸收功及沖擊韌性上看：傾角為0°，15°，30°，45°的裂隙試件吸收功分別為完整試件的36.96%，22.51%，18.65%和15.62%，沖擊韌性分別為完整試件的102.62%，59.79%，43.61%和30.39%；即試件破壞時的吸收功和沖擊韌性隨裂隙傾角的增加呈下降趨勢，但下降幅度有所不同，在0° ～15°之間下降幅度較大，而后下降幅度則逐漸變緩，且二者隨裂隙角度的變化趨勢基本一致。

3.4沖擊能量不同

不同預揚角α下完整試件的破壞形態(tài)見圖8。

圖8　不同預揚角α下完整試件的破壞形態(tài)Fig.8　Impact failure modes of the intact sample under different pre-tilt angle α

由圖8可知：

(1)沖擊實驗機的擺錘預揚角為30°時的相應沖擊能量為21.55J，試件經過多次重復沖擊后發(fā)生破壞。在整個沖擊過程中，試件外觀最初基本沒有變化，擺錘的沖擊能量均被試件所吸收，當沖擊次數足夠多時，試件在沿沖擊方向的對側首先產生裂紋，表明試件所承受能量已經開始超出所能吸收的能量，而后隨著沖擊次數增加，作用于試件上的能量也繼續(xù)增加，最終導致試件沿沖擊橫截面破壞為兩塊，并兼有少量的局部破壞。

(2)當擺錘預揚角度為45°時的相應沖擊能量為47.11J，同樣是經過多次沖擊后試件才發(fā)生破壞。在整個沖擊過程中，試件同樣是先吸收能量，當達到一定程度后開始出現破壞跡象，初期有部分片狀試件掉落，最終試件破壞為三塊。

(3)對比圖3(a)可知，當擺錘沖擊預揚角度不同時，其破壞形態(tài)有較大差別，擺錘預揚角分別為30°，45°，150°時，試件分別破壞為兩塊、三塊和四塊；說明沖擊能量越大，試件破碎越充分。分析認為，隨著擺錘預揚角的增大，載荷應變率增加，試件單位體積吸收能變大，試件破碎越充分。從巖石的動態(tài)斷裂角度分析，由于巖石內部分布了大小不等的微裂紋、孔隙等，巖石試件的破壞過程亦是裂紋產生、擴展和貫通的過程，裂紋產生所需的能量要比裂紋擴展所需的能量高。在應變率較低時(入射能量低)，只有少數擴展時消耗能量較小的裂紋被激活，此時吸收的能量較小，被激活的裂紋沿著壓應力的方向擴展、貫通，導致軸向劈裂破壞。隨著應變率的增大(入射能量提高)，在少數消耗能量較小的裂紋擴展貫通之前，有更多的消耗能量較高的裂紋被激活，巖石試件吸收的能量增加，從而有更多的裂紋擴展參與破碎，導致試件破碎塊度變小。

4　結論

(1)對長度相同的完整試件，其直徑越大(即體積越大)，其破碎就越充分，斷面就愈加不規(guī)整。

(2)裂隙長度變化對試件沖擊韌性和吸收功有較大負面影響，試件裂隙越長，其破壞時所吸收的沖擊能量就越低，沖擊韌性也越小。試件吸收功和沖擊韌性隨裂隙長度的增加均呈減小趨勢。

(3)試件裂隙傾角越大，其破壞后的斷面就越不規(guī)整，試件破壞后的塊度也愈加不均勻。試件吸收功和沖擊韌性隨裂隙傾角的增加均呈減小趨勢。

(4)當試件承受多次沖擊才發(fā)生破壞的條件下，擺錘預揚角越大，試件最終破壞形態(tài)就越破碎。

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Impacttoughnessandfailuremodeofcrackedrockmass

ZHANGHui1,XINGChuang-feng2,ZHANGLi-min3, 4,LIUHong-yan5

(1.ArchitectureEngineeringCollege,HuanghuaiUniversity,Zhumadian463000,Henan,China；2.EngineeringSurvey&DesignCompanyofChinaRailwaySeventhGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,China；3.SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；4.HebeiChengdeIronandSteelCorporation,Chengde067000,Hebei,China；5.CollegeofEngineering&Technology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China)

Inordertostudytheeffectlawofthecrackonrockmassimpacttoughnessandfailuremodeanditsdynamicfailurecharacteristicunderhighstrainrates,aseriesofimpacttestswereconductedoncrackandintactrockmasswithdifferentimpactvelocityandcrackconditionbypendulum-typeimpacttestmachine.Thetestresultsshowedthat,totheintactsamplewiththesamelength,thefragmentationofthesamplewasmorefullandthecrosssectionwasmoreirregularifthesample′sdiameterwaslarger.Whenthecrackinthesamplewaslonger,theabsorbedenergyandimpacttoughnesswereless.Theabsorbedenergyandimpacttoughnessdecreasedwiththeincreaseofcracklength.Whenthedipangleofthecrackwaslarger,thefailureareaofthesamplewasmoreirregularandtheblocksizewasmoreuneven.Theabsorbedenergyandimpacttoughnessdecreasedwiththecrackdipangleincreasing.

Crackedrockmass;Impacttoughness;Failuremode;Absorbedenergy;Impactvelocity

1006-7051(2016)04-0011-05

2015-12-10

國家自然科學基金項目(41002113/41162009)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2652014019；2652015263)

張 慧(1982-)，女，碩士、講師，主要從事工程管理專業(yè)方面的教學研究與實踐工作。E-mail： 191657464@qq.com

劉紅巖(1975-)，男，博士、教授，主要從事土木工程方面的研究與教學工作。E-mail：lhyan1204@126.com

TD235.1

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.003