王立新

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)247大隊(duì) 天津 300192）

1 前言

隨著我國(guó)工程建設(shè)的快速發(fā)展，在地下工程、國(guó)防工程（如隧道及巖坡的爆破開挖、核爆防護(hù)工程、高鐵列車荷載下的路基工程等）等重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施中涉及到許多沖擊荷載下巖石的動(dòng)力破壞問題[1]。

巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是認(rèn)識(shí)巖石介質(zhì)中應(yīng)力波傳播規(guī)律和巖石動(dòng)載破壞機(jī)理的關(guān)鍵，是評(píng)價(jià)巖石結(jié)構(gòu)在爆炸、地震等動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定性的重要參數(shù)，同時(shí)也是開展巖石材料和結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載作用下的數(shù)值計(jì)算以及抗震抗爆結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此開展其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究具有重要的理論意義和軍事、民用價(jià)值[2]。

在研究工程中，利用分離式霍布金森壓桿（Sp?lit Hopkins on Pressure Bar，簡(jiǎn)稱SHPB）試驗(yàn)裝置進(jìn)行巖石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究，已被眾多學(xué)者視為一種有效、簡(jiǎn)便的試驗(yàn)研究方法[3]。

2 SHPB沖擊試驗(yàn)

2.1 SHPB沖擊試驗(yàn)材料

試驗(yàn)巖樣采自甘肅北山地區(qū)某預(yù)選廠區(qū)，利用實(shí)驗(yàn)室的試件加工設(shè)備，經(jīng)過鉆芯、切割、打磨3道工序，最終加工成圓柱形試件，直徑為50mm，高度為30mm，端面平行度控制在±0.05mm以內(nèi)，表面平面度在±0.02mm以內(nèi)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室加工試樣

2.2 SHPB沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

巖石動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)研究采用Φ50mm桿徑SHPB試驗(yàn)裝置，入射桿、透射桿、吸收桿和沖頭均采用40Cr合金鋼，黏貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片型號(hào)為B120-2AA，數(shù)據(jù)采集為CS–1D超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和DL-750示波器，數(shù)據(jù)處理采用基于VisualC++平臺(tái)自主開發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件CLRM，加載應(yīng)力通過采用異形沖頭實(shí)現(xiàn)了半正弦應(yīng)力波加載，裝置和測(cè)試記錄系統(tǒng)如圖2所示[4]。

圖2 Φ50mm桿徑SHPB試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)圖

2.3 SHPB試驗(yàn)方案

對(duì)不同種類和批次的巖石，研究其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度以及不同圍壓、軸壓下的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。根據(jù)巖石種類、制樣個(gè)數(shù)，制定試驗(yàn)方案，針對(duì)每種不同的花崗類巖石首先進(jìn)行室內(nèi)的靜態(tài)試驗(yàn)，比如縱波速度、密度、彈性模量等，然后再按照不同圍壓、軸壓以及沖擊壓力選取和制作巖石試樣，部分試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)測(cè)波形曲線

圖3-圖4給出了SHPB沖擊試驗(yàn)中，分別進(jìn)行不同條件的沖擊試驗(yàn)，入射桿和透射桿上不同巖性巖體的典型實(shí)測(cè)波形曲線。

圖3 片麻巖梯度氣壓下動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)測(cè)波形曲線

圖4 花崗巖梯度氣壓下動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)測(cè)波形曲線

通過實(shí)測(cè)波形曲線可以看出，入射波的形狀比較穩(wěn)定，基本上近似為矩形，且在峰值處能夠持續(xù)一段時(shí)間，與一維彈性應(yīng)力波理論結(jié)果一致；試件一般會(huì)產(chǎn)生“V”形的拉應(yīng)變反射波，波谷的深淺能夠較好地反映破碎的嚴(yán)重程度，越深表示花崗巖試件破碎得越嚴(yán)重；透射波與入射波形較為一致，一般在到達(dá)極值之后很快就會(huì)沿一條近似的直線衰減。

3.2 應(yīng)變率時(shí)程曲線

根據(jù)一般的傾向性看法，荷載狀態(tài)可按加載時(shí)的應(yīng)變率大小進(jìn)行分類，見表2。

表2 按應(yīng)變率分級(jí)的荷載狀態(tài)

圖5-圖6給出了SHPB沖擊試驗(yàn)中，分別進(jìn)行不同條件的沖擊試驗(yàn)，入射桿和透射桿上不同巖性巖體的典型實(shí)測(cè)應(yīng)變率時(shí)程曲線。

圖5 片麻巖梯度氣壓下單軸沖擊應(yīng)變率時(shí)程曲線

圖6花崗巖梯度氣壓下單軸沖擊應(yīng)變率時(shí)程曲線

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)

圖7 ～圖8分別為不同沖擊條件下巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，有圍壓與單軸曲線形狀相近，為半橢圓形，但有圍壓時(shí)試樣的強(qiáng)度偏大而破壞應(yīng)變偏小。

圖7 片麻巖梯度氣壓下應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖8花崗巖梯度氣壓下應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖9 和圖10為動(dòng)不同沖擊條件下試樣破壞后的形態(tài)，從照片中可以看出，由于有圍壓的約束，動(dòng)三軸試驗(yàn)中試樣破裂成若干塊；而動(dòng)單軸試驗(yàn)中，試樣破壞后的顆粒更小，粉碎更嚴(yán)重。動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)中，試樣破裂為兩部分。

從破碎程度看，隨著沖擊加載速度的增加，入射波攜帶的能量也就越多，相應(yīng)的試件破碎吸收的能量也就越多，破碎就越劇烈，巖石破碎的顆粒尺寸也會(huì)越來(lái)越小，塊數(shù)越來(lái)越多；從破碎形式看，當(dāng)沖擊荷載增加到超過破壞閾值時(shí)，試件的內(nèi)部裂紋擴(kuò)展程度加劇，呈現(xiàn)脆性斷裂破壞形態(tài)，破壞形式從塊狀到粉狀。

圖9 片麻巖低氣壓動(dòng)態(tài)劈裂破壞形態(tài)

圖10 片麻巖高氣壓動(dòng)態(tài)劈裂破壞形態(tài)

3.4 巖石動(dòng)參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到各種巖石試樣平均應(yīng)變率、動(dòng)強(qiáng)度及破壞應(yīng)變，由于篇幅限制，僅列出花崗質(zhì)片麻巖的試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3 巖樣沖擊試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)應(yīng)變率在90～100s-1時(shí)，花崗質(zhì)片麻巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為36.4MPa；二長(zhǎng)花崗巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為32.0MPa；花崗巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為43.0MPa。

花崗質(zhì)片麻巖的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度約211MPa，花崗質(zhì)片麻巖在2.5MPa圍壓條件下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度約235MPa；

花崗質(zhì)片麻巖的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度約131MPa，花崗質(zhì)片麻巖在10MPa圍壓條件下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度約154MPa；

二長(zhǎng)花崗巖的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度約172MPa，二長(zhǎng)花崗巖在10MPa圍壓條件下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度約230MPa；

根據(jù)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，回歸分析上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各類巖石動(dòng)參數(shù)，見表4。

表4 巖石的抗剪強(qiáng)度動(dòng)參數(shù)匯總表

4 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在圍壓的約束下，巖石的動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度明顯提高，隨著圍巖約束的提高越大，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高的幅度越大，如花崗質(zhì)片麻巖在2.5MPa圍壓條件下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高了約11%；在10MPa圍壓條件下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高了約18%。二長(zhǎng)花崗巖的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度約172MPa，二長(zhǎng)花崗巖在10MPa圍壓條件下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度約230 MPa；提高了約34%。

但是應(yīng)變率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響表現(xiàn)不明顯，如當(dāng)應(yīng)變率在90～100/s時(shí)，花崗片麻巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為36.4MPa；當(dāng)應(yīng)變率在50～60/s時(shí)花崗片麻巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為32.0MPa；應(yīng)變率在90～100/s花崗巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為43.0MPa，當(dāng)應(yīng)變率在50～60/s時(shí)花崗巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度約為42.0MPa。

在花崗巖的沖擊試驗(yàn)過程中，由于巖石材料固有的非均質(zhì)性和試驗(yàn)系統(tǒng)誤差，相同加載條件下，每個(gè)試件的真實(shí)應(yīng)變率并不相同；當(dāng)沖擊氣壓（即沖擊速度）較高（p=0.8、1.0MPa）時(shí)，應(yīng)變率迅速變化，并且沖擊氣壓越大應(yīng)變率變化越快，應(yīng)變率在后期往往出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)巖石在卸載時(shí)具有一定的回彈特性；當(dāng)沖擊氣壓較低（p=0.7MPa）時(shí)，巖石試件中的應(yīng)變率變化比較平坦，部分花崗巖試件甚至在一定時(shí)間段出現(xiàn)了恒定的應(yīng)變率平臺(tái)。

下階段的試驗(yàn)過程，將結(jié)合工程勘察的進(jìn)展，開展更大軸壓和圍壓的動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)，同時(shí)將凝灰?guī)r和石英砂巖作為試驗(yàn)對(duì)象，以便能夠更充分地了解各類巖石在不同圍壓和軸壓作用下的動(dòng)態(tài)特征。