陳道龍,曾 晟,任鵬飛,劉 杰

(南華大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001)

基巖是否穩(wěn)定是衡量工程穩(wěn)定性的重要依據(jù)，礦山開采、隧道開挖、道路橋梁建設(shè)都涉及到基巖的穩(wěn)定性問題。當基巖受到擾動后，將出現(xiàn)裂隙或者裂隙的進一步發(fā)育，甚至會出現(xiàn)斷裂的情形[1]，嚴重影響了施工的安全性和建筑的穩(wěn)定性，因此開展節(jié)理巖體的動力學研究十分必要，它將對建筑地基的初期建設(shè)起一定的指導作用。

專家學者們主要通過室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬開展了巖體沖擊荷載的研究。其中實驗方面有：詹金武等[2]通過SHPB實驗研究了泥質(zhì)粉砂巖在不同含水狀態(tài)下的動態(tài)力學性能，分析了含水率變化對泥質(zhì)粉砂巖動力特性的影響，得出含水率的變化對巖石動力特性具有較大的影響等結(jié)論；SERGO等[3]研究了在沖擊荷載作用下巖石邊界的應力變形狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)巖石的斷裂在彈性變形區(qū)內(nèi)進行，并給出了巖石在應變變形狀態(tài)下的應力張量和位移的表達式；曾晟等[4]通過沖擊加載試驗，研究了層狀節(jié)理巖石的動力學特性和動力破壞特征；宋義敏等[5]通過落錘沖擊試驗，得出裂紋尖端應力強度因子隨著預制裂紋的長度增加而增加的結(jié)論；葉濤等[6]、王道榮等[7]以氫氣炮為原動力的巖石量化試驗，其結(jié)果證明動高壓下巖石破裂機理對現(xiàn)場施工的重要性。數(shù)值模型方面有：馬江鋒等[8]運用巖體裂紋擴展破壞二維分析程序DDARF，對大理石巴西圓盤試樣在SHPB試驗中動態(tài)破裂全過程進行數(shù)值模擬研究，展示了試樣在不同入射波作用下裂紋的發(fā)展過程，解釋了裂紋產(chǎn)生的力學機制、擴展過程及伴生現(xiàn)象；O?BOLTA等[9]利用數(shù)值模擬研究了混凝土在沖擊荷載作用下的變形特征，得出動載荷與靜載荷的差異是由于應變率對強度、剛度、延性及慣性力量的激活；HUANG等[10]通過建立損傷本構(gòu)模型，得出本構(gòu)模型對于巖石的凍融破壞和加載具有準確性和實用性；YOSSEF等[11]利用DDA不連續(xù)數(shù)值分析法，開展了對柱狀節(jié)理巖石在挖掘松動區(qū)的研究，得出巖體結(jié)構(gòu)的各向異性是控制巖石破壞形狀和方向的主要因素；苗勝軍等[12]基于巖石質(zhì)量影響因素的不確定性，運用模糊數(shù)學對6項巖石質(zhì)量指標進行綜合分析，證明了巖石質(zhì)量模糊綜合評價模型的科學性和可行性；ZHOU等[13]建立了基于威布爾分布的動態(tài)損傷模型來預測試件的變形和退化行為，實驗結(jié)果表明裂紋數(shù)量的急劇增加可能是導致高應變率下巖石強度增加的原因，拉伸裂紋是試件斷裂失效的主要原因。

目前的研究主要集中在預制構(gòu)件和數(shù)值模擬方面，但是關(guān)于紅砂巖在動荷載作用下的力學特性研究相對較少，特別是含節(jié)理紅砂巖體和完整紅砂巖體在力學性能和能量耗散上的差異性還需要進一步研究。本試驗通過對完整巖體和節(jié)理巖體的動態(tài)加載，著重分析巖體在不同沖擊能作用下的破壞特征，比較兩者在力學特性方面的差異，為地下空間工程中基巖的變形機理及穩(wěn)定性評價方面提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗樣品

實驗試樣取自湖南省衡陽市某建筑基巖，為紅砂巖體，尺寸為50 mm×100 mm的標準圓柱體。預制裂紋制作過程為：先用電鉆在試樣中心鉆一個直徑為2 mm的圓孔，再用金剛石線在小孔中心進行切割，所得預制裂紋長度為20 mm，參照文獻[14]和文獻[15]，選取巖體易破裂傾角45°，端面不平行度低于0.05 mm，端面垂直于試樣軸線，偏差低于0.25°(圖1)，為進一步消除端面效應，實驗加載前用石墨與潤滑劑的混合物涂抹試件的端面，加工好的節(jié)理巖樣如圖2所示。

圖1 節(jié)理巖樣布置Fig.1 Arrangement of joint specimen

圖2 節(jié)理巖樣Fig.2 Joint specimen

1.2 試驗加載

試驗采用XJL-98落錘式?jīng)_擊試驗機對試件進行沖擊加載，通過單軸壓縮試驗得出紅砂巖體靜載強度為34.4 MPa，巖石強度較低，所以選用下落高度為1 m，質(zhì)量分別為2 kg、3 kg和4 kg的重錘，分別對完整巖體和節(jié)理巖體進行加載。沖擊過程中，將厚度為5 mm的鋁合金板置于試塊上方作為墊塊，以獲得穩(wěn)定的沖擊過程。其中完整試樣和節(jié)理試樣分別設(shè)置3組，每組3個試樣。同時采用數(shù)碼攝像機對試驗過程中試樣表面的裂紋擴展情況進行實時記錄，動態(tài)采集系統(tǒng)(DH5862電荷放大器、力傳感器、加速度傳感器動態(tài)信號采集儀和電子計算機等)采集信號，其中力傳感器和加速度傳感器分別布置在試件上端面中心處與側(cè)面中間位置。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 沖擊力分析

通過力傳感器測得沖擊力時程曲線，如圖3所示。沖擊力時程曲線的加載段和卸載段近似呈正態(tài)分布，根據(jù)式(1)計算沖擊力時程曲線的離散系數(shù)。

CV=σ/μ

(1)

式中：CV為離散系數(shù)；σ為標準差；μ為均值。

代入試驗數(shù)據(jù)得出沖擊力的離散系數(shù)平均大小為0.035。

在相同落錘質(zhì)量作用下完整巖體的沖擊力時程曲線上部高而窄，卸載速率較加載速率緩慢，但比節(jié)理巖體的平均卸載速率大3 157 MPa/s；而節(jié)理巖體沖擊力達到峰值后出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象且后續(xù)衰減相對較平緩，說明完整巖體的脆性及抗沖擊能力均大于節(jié)理巖體，這是因為節(jié)理巖體的預制節(jié)理具有一定的厚度，厚度的壓縮過程也是節(jié)理的法向閉合過程，即曲線的蠕變階段屬于節(jié)理的法向閉合階段。通過觀察圖3(a)，在0.7 ms左右，巖體達到峰值應力，其內(nèi)部將產(chǎn)生相對位移，這是由于此時節(jié)理兩側(cè)巖石受外荷載大于其間產(chǎn)生的摩擦阻力，導致巖體發(fā)生整體性破壞。

圖3 沖擊力時程曲線Fig.3 Power time-dependent curves of impact

2.2 加速度分析

圖4為加速度時程曲線，隨著落錘質(zhì)量的增加，加速度峰值逐漸增大。紅砂巖體加速度均經(jīng)歷一次幅值變換后迅速衰減為 0，且完整巖體幅值衰減比節(jié)理巖體平緩很多。節(jié)理巖體有兩次峰值加速度，說明落錘的沖擊力均大于節(jié)理上部巖體的抗沖擊強度，當上部巖體喪失抗沖擊能力后，巖體的加速度迅速衰減，衰減過程實際上是反向加速的過程，節(jié)理的存在為反向加速度的進一步發(fā)展提供了空間與時間；上部巖體破壞后，落錘仍具有剩余沖擊能，沖擊下部巖體時產(chǎn)生第二次峰值加速度，直到下部巖體完全破壞。

根據(jù)損傷理論，由于節(jié)理破壞了巖體整體的連續(xù)性，以及紅砂巖體本身的不均勻性，導致沖擊應力波在傳播過程中特別是傳播至節(jié)理面時，此時的節(jié)理面相當于無反射邊界面，產(chǎn)生復雜的透反射過程導致加速度激振信號雜亂。

2.3 位移分析

為分析節(jié)理巖體的法向動態(tài)閉合特性，將加速度時程曲線通過兩次積分得到巖體動態(tài)壓縮位移時程曲線，見圖5。根據(jù)式(1)得出位移時程曲線的離散系數(shù)平均大小為0.032。

節(jié)理巖體的動態(tài)壓縮位移均大于完整巖體，符合客觀實際。隨落錘質(zhì)量的增大，曲線的斜率逐漸增大，反映了加速度變化結(jié)論。分析發(fā)現(xiàn)，沖擊過程中存在輕微反彈位移，當落錘質(zhì)量分別為2 kg、3 kg和4 kg時，完整試件的反彈位移分別為0.752 mm、0.355 mm、0.190 mm，節(jié)理試件的反彈位移分別為0.095 mm、0.024 mm和0.001 mm。由此可見，巖體類型相同時，反彈位移與沖擊能的大小成負相關(guān)，試件的豎向壓縮位移速率逐漸減緩；在相同的沖擊能作用下完整試件的反彈位移要遠大于節(jié)理試件的反彈位移，對于紅砂巖來說，巖性越質(zhì)密剛度越大，位移的反彈現(xiàn)象越明顯。

2.4 能量分析

巖體的落錘沖擊過程，主要分為兩個階段：落錘與巖體接觸前和落錘與巖體接觸后。

落錘與巖體接觸前，落錘的勢能轉(zhuǎn)化為沖擊動能，能量轉(zhuǎn)化關(guān)系式見式(2)。

m1gh=Ek

(2)

式中：m1為落錘質(zhì)量；h為下落高度；Ek為沖擊動能。

落錘與巖體接觸后，落錘的沖擊動能轉(zhuǎn)換為巖體的壓縮變形能與沖擊過程中的能量耗散，其中壓縮變形能見圖6，能量轉(zhuǎn)化關(guān)系式見式(3)。

(3)

式中：W為巖體吸收的能量；E為能量損失；m2為巖體的質(zhì)量；v為沖擊過程中的速度；P(t)為沖擊力。

隨落錘質(zhì)量的增加，曲線與橫軸包圍的面積逐漸增加，說明巖體所吸收的能量與落錘增加的質(zhì)量成正相關(guān)。通過力-位移曲線積分得到兩種巖體類型試能量吸收情況見表1，其中完整巖體約吸收全部能量的80%，節(jié)理巖體約吸收70%，節(jié)理巖體比完整巖體多損耗10%左右。因為節(jié)理的存在，改變了巖體的原有尺寸，破壞了巖體本身的均勻性，影響了紅砂巖體的動態(tài)強度，增加了節(jié)理面的能量損失，使得節(jié)理巖體動態(tài)強度低于完整巖體的動態(tài)強度。

圖4 加速度時程曲線Fig.4 Accelerated time-dependent curves

圖5 位移時程曲線Fig.5 Displacement time-dependent curves

圖6 力-位移曲線Fig.6 Power-displacement curves

表1 紅砂巖體吸收的能量Table 1 Energy absorption of different types of specimens

3 結(jié) 論

1) 由于節(jié)理破壞了巖體的連續(xù)性，節(jié)理巖體出現(xiàn)兩次峰值加速度，破壞被分為兩次峰值加速度前后明顯的兩段，導致沖擊應力波的透反射現(xiàn)象明顯。

2) 沖擊力時程曲線近似呈正態(tài)分布，說明紅砂巖的加載速率和卸載速率近似相同。節(jié)理巖體在達到峰值強度后存在短暫的蠕變變形，屬于節(jié)理的法向閉合階段。

3) 相同試驗條件下，節(jié)理巖體位移量更大，吸收能量更少；在沖擊能較小巖體較質(zhì)密時，位移存在輕微反彈現(xiàn)象，反彈位移量與沖擊能大小呈負相關(guān)。