田諾成，王志亮，熊 峰，劉志義

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230009；3.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

鉆爆法是目前巖體工程開挖中最常見、最有效的方法之一. 爆破在導(dǎo)致近區(qū)巖體破碎的同時(shí)，不可避免地對(duì)中遠(yuǎn)區(qū)的巖體產(chǎn)生危害.在多次頻繁爆破荷載作用下，中遠(yuǎn)區(qū)巖體內(nèi)部的損傷程度及范圍得到不斷的累積增長和擴(kuò)大以致發(fā)生失穩(wěn)破壞.實(shí)踐證明，爆破動(dòng)載荷導(dǎo)致地下工程巖體宏觀失效的過程往往并不是由某一次爆破作業(yè)造成的，而是多次爆破共同作用的結(jié)果.在隧道工程、井巷工程、水利水電工程以及其他巖體工程中都涉及到巖體在頻繁沖擊擾動(dòng)作用下的破壞[1-3].

Li等[4]利用改進(jìn)的SHPB裝置對(duì)花崗巖進(jìn)行了單軸循環(huán)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)載荷較低(即小于巖石靜態(tài)強(qiáng)度的60%)時(shí)，循環(huán)沖擊不會(huì)引起巖石內(nèi)部的明顯損傷；Luo等[5]對(duì)變粒巖在循環(huán)沖擊荷載下的疲勞特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)循環(huán)沖擊速度較大時(shí)，試樣的縱波速度急劇下降；當(dāng)循環(huán)沖擊速度較小時(shí)，縱波速度下降趨勢(shì)逐漸減??；Wang等[6-7]利用SHPB裝置研究了不同溫度熱處理花崗巖在循環(huán)沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和能量耗散特性的規(guī)律，指出在相同的循環(huán)沖擊荷載下，600 ℃熱處理試樣表現(xiàn)出較快的力學(xué)性能劣化特性和溫度弱化效應(yīng)；朱晶晶等[8]利用改進(jìn)的SHPB裝置對(duì)花崗巖試件進(jìn)行單軸循環(huán)沖擊壓縮試驗(yàn)，分析花崗巖在循環(huán)沖擊載荷下的動(dòng)力學(xué)特性及能量吸收規(guī)律，并基于Weibull分布統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型分析了巖石的累積損傷演化規(guī)律；呂曉聰?shù)萚9]研究了圍壓對(duì)巖石在循環(huán)沖擊荷載下動(dòng)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)圍壓的存在增加了巖石對(duì)循環(huán)沖擊的抵抗能力；李地元等[10]結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，研究了花崗巖在多次循環(huán)動(dòng)態(tài)沖擊下的動(dòng)力學(xué)特性和累積損傷特性；王志亮等[11]利用改進(jìn)的SHPB裝置研究了單軸循環(huán)沖擊下花崗巖力學(xué)特性與損傷演化機(jī)理，并發(fā)展出特定應(yīng)變率下巖樣動(dòng)態(tài)裂紋起裂應(yīng)力的近似確定方法.

然而，值得注意的是，對(duì)于深部巖體，在受到頻繁多次動(dòng)荷載之前，其往往已經(jīng)承受了原巖應(yīng)力和因工程開挖和工程結(jié)構(gòu)改變而在巖層中產(chǎn)生的次生應(yīng)力等靜載荷.如巷道開挖后，礦柱將出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的大斷面小凈距隧道群中，相鄰隧道之間的圍巖往往受到較大的豎向應(yīng)力.此時(shí)，巖石承受載荷的形式為具有一定一維預(yù)應(yīng)力下的循環(huán)動(dòng)載荷.已有學(xué)者對(duì)砂巖一維預(yù)應(yīng)力(即含軸壓)下循環(huán)沖擊動(dòng)力特性開展了不少工作[12-13]，但目前對(duì)花崗巖在軸壓下的循環(huán)動(dòng)力學(xué)行為研究較為鮮見.花崗巖作為一種常見的工程材料，在安全防護(hù)等大型巖體工程中有著廣泛的應(yīng)用.因此，開展一維靜應(yīng)力下花崗巖在循環(huán)沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究對(duì)于合理安排工程爆破設(shè)計(jì)、地下工程安全防護(hù)以及預(yù)測動(dòng)荷載作用下圍巖長期穩(wěn)定性等方面具有重要的意義.

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)原理

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為取自陜西華山地區(qū)的黑云母花崗巖.該花崗巖主要由微斜長石、斜長石、石英和黑云母等組成.為減小巖性差異和各向異性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，測試用的試件均采用水鉆法從同一塊新鮮完整的巖塊上沿同一方向鉆孔取得.挑選無明顯節(jié)理、裂紋等缺陷的試樣進(jìn)行切割、打磨.根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)關(guān)于沖擊荷載下巖石試樣長徑比的建議[14]，將試樣加工成φ50 mm×25 mm的圓柱體.為減小端部摩擦效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將試樣兩端面的不平整度控制在±0.05 mm以內(nèi).用于循環(huán)沖擊試驗(yàn)的巖樣如圖1所示.

圖1 用于循環(huán)沖擊的花崗巖試樣

1.2 SHPB系統(tǒng)基本原理

循環(huán)沖擊壓縮試驗(yàn)采用改進(jìn)的動(dòng)靜組合SHPB裝置，如圖2所示.該裝置主要由發(fā)射系統(tǒng)(包含氣腔室和子彈)、傳遞系統(tǒng)(包含入射桿和透射桿)、預(yù)應(yīng)力(軸壓)加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)(應(yīng)變片、應(yīng)變儀和示波器等)組成.其中，子彈、入射桿、透射桿和緩沖桿均為高強(qiáng)度40Cr合金鋼，其彈性極限達(dá)800 MPa，密度為7 795 kg/m3，縱波速度為5 797 m/s.入射桿、透射桿和緩沖桿的長度分別為2，1.5和0.3 m，直徑均為50 mm.

圖2 含軸壓裝置的SHPB原理

當(dāng)子彈以一定的沖擊速度撞擊入射桿時(shí)，會(huì)在入射桿中產(chǎn)生一壓縮脈沖εi(t)，當(dāng)該脈沖傳播至入射桿與巖石試件的界面時(shí)，一部分脈沖被反射到入射桿中形成反射卸載脈沖εr(t)，一部分透過巖石試件在透射桿中產(chǎn)生透射壓縮脈沖εt(t). 通過粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片可測得入射波、反射波和透射波信號(hào). 根據(jù)一維應(yīng)力波理論，并采用適用于脆性材料數(shù)據(jù)處理的“三波法”[15]對(duì)采集到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行處理， 即可得到試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

若對(duì)試樣引入均勻性假設(shè)，即代入下面表達(dá)式子εi(t)+εr(t)=εt(t)，則上式可轉(zhuǎn)換為“二波法”[16]式子：

(4)

(5)

(6)

式中：Ae和As分別代表壓桿和試樣的橫截面積；E和c分別為壓桿的彈性模量和縱波波速；ls為試樣的長度.

1.3 循環(huán)沖擊試驗(yàn)方案

利用MTS815電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行了靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)(應(yīng)變率為10-5s-1).試驗(yàn)結(jié)果表明，花崗巖的靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度為134.92 MPa.為研究一維預(yù)應(yīng)力(軸壓)對(duì)花崗巖在循環(huán)沖擊荷載下動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響，設(shè)定5種軸壓值(σA)，即0，30，60，90和120 MPa，分別對(duì)應(yīng)單軸抗壓強(qiáng)度的0%、22.24%、44.47%、66.71%和88.94%.采用相同的入射波峰值電壓對(duì)不同軸壓下的巖樣進(jìn)行等幅循環(huán)沖擊，入射波峰值電壓設(shè)為150 mV.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1為代表性試樣的基本參數(shù)及總循環(huán)沖擊次數(shù)，所謂代表性試樣為其總循環(huán)沖擊次數(shù)最接近相同軸壓下所有試樣總循環(huán)沖擊次數(shù)的平均值.由表1可知，在相同的沖擊入射波峰值電壓下，花崗巖試樣的總循環(huán)沖擊次數(shù)隨著軸壓的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì).當(dāng)σA=60 MPa時(shí)，試樣的總循環(huán)沖擊次數(shù)最大，這也間接地反映了該軸壓下花崗巖試樣對(duì)循環(huán)沖擊荷載的抵抗能力最強(qiáng).

表1 代表性試樣的基本參數(shù)及總循環(huán)沖擊次數(shù)

2.1 沖擊波形圖分析

圖3為W0-1試樣循環(huán)沖擊及空沖波形.從空沖(KC)波形可以看出，入射波峰值與透射波峰值基本一致，反射波基本為0，符合SHPB沖擊的基本要求.從循環(huán)沖擊波形可以看出，入射波峰值電壓接近150 mV，達(dá)到了等幅循環(huán)沖擊的目的.此外，循環(huán)沖擊波形中的反射波有明確的“起跳點(diǎn)”，這有益于利用式(1)～(3)進(jìn)行力學(xué)特性參數(shù)的求取.W0-1試樣首次沖擊時(shí)的應(yīng)力均勻性如圖4所示，易見入射波與反射波之和與透射波曲線在峰值應(yīng)力之前基本重合，說明試樣沖擊過程中應(yīng)力已達(dá)到均衡.

圖3 σA=0 MPa試樣沖擊及空沖波形

圖4 σA=0 MPa試樣首次沖擊應(yīng)力均勻圖

不同于σA=0 MPa的空沖波形圖中反射波接近于零，當(dāng)σA=30 MPa時(shí)，雖入射波峰值與透射波峰值基本一致，反射波卻不為零，呈現(xiàn)先上揚(yáng)后下降的趨勢(shì)，如圖5所示.這是由于在施加軸壓之前，應(yīng)變片貼于彈性壓桿上，施加軸壓后，應(yīng)變片發(fā)生擠壓變形.通過軸壓加油泵可以看出，施加沖擊荷載后，儀表盤上的軸壓值有稍許的降低，這表明空沖過程中彈性壓桿出現(xiàn)了應(yīng)力卸載，且這一過程是在沖擊瞬間完成的.因此，空沖過程中入射桿上應(yīng)變片采集到反射拉伸波卸載信號(hào)正是彈性壓桿出現(xiàn)不均勻的瞬間應(yīng)力卸載造成的.由于入射波和透射波采集到的是壓縮信號(hào)，入射波峰值與透射波峰值基本一致.

圖5 σA=30 MPa試樣沖擊及空沖波形

此外，由圖5還可看出，當(dāng)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊時(shí)，反射波的前段與空沖反射波的前段重合，后段開始出現(xiàn)差異.入射桿上的應(yīng)變片采集到的反射波信號(hào)是彈性桿應(yīng)力瞬時(shí)卸載的反射波信號(hào)與入射桿同試樣界面處反射回入射桿中的拉伸卸載信號(hào)疊加后的結(jié)果.此外，無論是空沖還是夾持試樣沖擊，可以排除是由于入射桿和透射桿未對(duì)齊或者試樣加工精度不高而造成反射波出現(xiàn)與σA=0時(shí)反射波不同的現(xiàn)象.因?yàn)闆_擊試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射桿和透射桿沒有對(duì)齊或試樣加工精度不高時(shí)，施加軸壓時(shí)彈性桿容易發(fā)生“跳桿”現(xiàn)象，而在本次施加軸壓的循環(huán)沖擊試驗(yàn)中，即使當(dāng)σA=120 MPa時(shí)，彈性桿并未出現(xiàn)異常.

通過以上分析可知，在對(duì)施加軸壓試樣的波形圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)將試樣沖擊波形圖中的反射波減去空沖波形圖中的反射波，據(jù)此可得出試樣本身在沖擊荷載下入射桿與試樣界面處反射或透射至入射桿中的拉伸卸載信號(hào).圖6(a)為σA=30 MPa試樣首次沖擊反射波減去空沖反射波后得到的波形圖，可以看出，處理后的反射波經(jīng)上述處理后有明確的“起跳點(diǎn)”，這樣就可以根據(jù)式(1)～(3)求得各種力學(xué)特性參數(shù).圖6(b)為σA=30 MPa試樣首次沖擊反射波減去空沖反射波后的應(yīng)力均勻圖，入射波與處理后的反射波之和與透射波曲線在峰值應(yīng)力之前基本重合，說明施加軸壓時(shí)試樣沖擊過程中應(yīng)力也能達(dá)到均衡，滿足SHPB沖擊的應(yīng)力均勻性要求.

圖6 σA=30 MPa試樣首次沖擊處理后的波形及其應(yīng)力均勻圖

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析

不同軸壓下花崗巖試樣的循環(huán)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，可見無論是在未施加軸壓下還是在施加軸壓下，不同軸壓下花崗巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)相似的曲線特征.在加載初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為一條直線，此時(shí)可認(rèn)為巖石處于彈性變形階段.而后，隨著應(yīng)力的逐漸增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的切線斜率逐漸降低，表明試樣內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)展，損傷不斷增加，直至達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn).接著，隨應(yīng)力的降低達(dá)到最大應(yīng)變(即應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變的最大值).最后，應(yīng)變呈逐漸減小趨勢(shì)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的“回彈”現(xiàn)象，表現(xiàn)為“Ⅱ”型應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖7 不同軸壓下花崗巖試樣的循環(huán)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 平均應(yīng)變率隨沖擊次數(shù)的變化

相同循環(huán)沖擊荷載不同軸壓下花崗巖試樣的平均應(yīng)變率隨沖擊次數(shù)的變化如圖8所示，可見首次沖擊時(shí)，σA=0，30，60，90和120 MPa試樣的平均應(yīng)變率分別為33.18，29.81，27.87，28.70和36.78 s-1，平均應(yīng)變率隨軸壓的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，施加不同的一維靜應(yīng)力影響了試樣在相同沖擊荷載下的動(dòng)力學(xué)特性.此外，σA=0，30，90和120 MPa試樣的平均應(yīng)變率隨著沖擊次數(shù)的增加逐漸增大.根據(jù)一維應(yīng)力波理論，應(yīng)力波在入射桿、試樣和透射桿之間發(fā)生反射和透射，若僅考慮一次透反射，存在以下關(guān)系[17]：

(7)

εr(t)=Fεi(t),

(8)

εt(t)=(1-F2)εi(t).

(9)

式中：ρ1c1、ρ2c2分別表示彈性桿和巖石的波阻抗，F(xiàn)為反射系數(shù).

隨著沖擊次數(shù)的增加，在沖擊損傷軟化作用下，試樣內(nèi)部的損傷逐漸增加，試樣的波阻抗將逐漸減小.根據(jù)式(7)，這將使得反射系數(shù)F逐漸減小.對(duì)于同一試樣(σA=0，30，90和120 MPa)的循環(huán)沖擊，式(8)顯示在相同的入射波εi(t)下，反射波εr(t)將逐漸增加.根據(jù)式(4)，平均應(yīng)變率與反射波成正比.因此，試樣的平均應(yīng)變率將隨著沖擊次數(shù)的增加而增加.與此同時(shí)，σA=0和120 MPa試樣的平均應(yīng)變率隨沖擊次數(shù)快速增加，相比而言，σA=30和90 MPa試樣的平均應(yīng)變率增長較為緩慢，但在最后一次沖擊時(shí)應(yīng)變率增加幅度明顯.與σA=0，30，90和120 MPa試樣不同，σA=60 MPa試樣的平均應(yīng)變率在第2次沖擊時(shí)的平均應(yīng)變率小于首次沖擊.這是由于壓密作用使得內(nèi)部微裂紋得到閉合，巖石變得更加致密，力學(xué)性能得到了改善.隨后，平均應(yīng)變率在第2～11次沖擊時(shí)呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，在最后一次沖擊時(shí)平均應(yīng)變率突然增加，不同軸壓下平均應(yīng)變率的平均增加速率分別為11.64，2.73，0.61，2.24和10.51 s-1/次.

圖8 不同軸壓下花崗巖試樣的平均應(yīng)變率隨沖擊次數(shù)的變化

2.4 峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的變化

圖9為相同循環(huán)沖擊荷載不同軸壓下花崗巖試樣的峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的變化，可見首次沖擊時(shí)，σA=0，30，60，90和120 MPa試樣的峰值應(yīng)力分別為175.89，183.26，186.65，181.23和174.36 MPa，在σA=60 MPa時(shí)峰值應(yīng)力最大.此外，4種軸壓下試樣的峰值應(yīng)力隨著沖擊次數(shù)的增加而不斷減小.這同樣是由于在沖擊損傷軟化作用下，巖石的波阻抗不斷減小，使得反射系數(shù)F漸小.根據(jù)式(9)，在相同的入射波εi(t)下，隨著沖擊次數(shù)的增加，透射波εt(t)將不斷減小.根據(jù)式(6)，峰值應(yīng)力與透射波成正比.因此，試樣的峰值應(yīng)力將隨著沖擊次數(shù)的增加而逐漸減小，承載能力不斷降低.從圖9還可看出，σA=0和120 MPa試樣的峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增加快速減小.σA=30和90 MPa試樣的峰值應(yīng)力分別在前4次和前5次緩慢減小，最后一次沖擊時(shí)峰值應(yīng)力快速減小.與σA=0，30，90和120 MPa試樣不同，σA=60 MPa試樣的峰值應(yīng)力在第2次沖擊時(shí)達(dá)到最大值，這是由壓密作用所致.從第2次開始，峰值應(yīng)力呈現(xiàn)“緩慢減小—平緩發(fā)展—快速降低”3個(gè)階段.不同軸壓下峰值應(yīng)力的平均減小速率分別為8.58，4.19，1.18，2.78和8.47 MPa/次.

圖9 不同軸壓下花崗巖試樣的峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的變化

2.5 峰值應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的變化

圖10為不同軸壓下花崗巖試樣的峰值應(yīng)變(峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變)隨沖擊次數(shù)的變化.在相同的沖擊荷載下，首次沖擊時(shí)σA=0，30，60，90和120 MPa試樣的峰值應(yīng)變分別為0.003 18，0.002 96，0.002 87，0.002 92和0.003 43.σA=0和120 MPa試樣的峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加快速增加，表明試樣的變形能力快速增加.σA=30和90 MPa試樣的峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，但分別在前4次和前5次增加速度較緩，最后一次沖擊時(shí)峰值應(yīng)變明顯增加，顯現(xiàn)跳躍的特點(diǎn).不同于σA=0，30，90和120 MPa試樣，σA=60 MPa試樣的峰值應(yīng)變?cè)诘?次沖擊相比第1次有所降低，第3次峰值應(yīng)變有所增加，第4～11次峰值應(yīng)變緩慢增加，最后一次沖擊時(shí)峰值應(yīng)變快速增加.不同軸壓下峰值應(yīng)變的平均增加速率分別為0.001 37，0.000 300，0.000 062 7，0.000 194和0.001 28/次.

圖10 不同軸壓下花崗巖試樣的峰值應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的變化

2.6 彈性模量隨沖擊次數(shù)的變化

由圖7可以看出，循環(huán)沖擊下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上加載段并無明顯的直線部分.因此，為更好地反映加載段的變形整體特征，選擇應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載段上對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力的20%和80%兩點(diǎn)間的割線斜率作為加載段的彈性模量[18].其計(jì)算式為

(10)

式中：下標(biāo)1和2分別表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)0.8σmax和0.2σmax的兩點(diǎn)，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變.

循環(huán)沖擊荷載下花崗巖試樣的彈性模量隨沖擊次數(shù)的變化如圖11所示，可以看出，首次沖擊時(shí)，相同沖擊荷載下σA=0，30，60，90和120 MPa下的彈性模量分別為58.37，68.78，74.12，67.61和56.59 GPa，隨軸壓增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，即σA=60 MPa時(shí)最大，σA=0和120 MPa時(shí)，試樣彈性模量隨著沖擊次數(shù)增加而快速減小，表明試樣抗變形能力快速降低；σA=30和90 MPa試樣的彈性模量隨著沖擊次數(shù)的增加而減小，但相對(duì)于σA=0和120 MPa試樣彈性模量降低速率較緩；σA=60 MPa試樣彈性模量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在第2次沖擊時(shí)彈性模量達(dá)到最大值78.36 GPa.從第2次開始，呈現(xiàn)出“快速下降—緩慢降低—快速降低”趨勢(shì).不同軸壓下彈性模量平均降低速率分別為21.40，5.06，1.31，4.17和13.928 GPa/次.

圖11 不同軸壓下花崗巖試樣的彈性模量隨沖擊次數(shù)的變化

3 循環(huán)沖擊荷載下軸壓影響機(jī)理分析

在單軸靜態(tài)壓縮下，脆性巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以劃分為3個(gè)階段：Ⅰ壓密階段、Ⅱ彈性變形階段、Ⅲ裂紋起始及穩(wěn)定增長階段、Ⅳ裂紋擴(kuò)展非穩(wěn)定增長階段和Ⅴ破壞及峰后階段，如圖12所示.Brace等[19]提出了利用脆性巖石在單軸壓縮下的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)力-橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)力-體積應(yīng)變計(jì)算起裂應(yīng)力和非裂紋增長應(yīng)力的方法.非穩(wěn)定裂紋增長應(yīng)力為體積應(yīng)變最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力.起裂應(yīng)力可由軸向應(yīng)力-橫向應(yīng)變曲線中的橫向應(yīng)變響應(yīng)(ΔLSR)求得，如圖13所示.據(jù)此，可求得花崗巖試樣的起裂應(yīng)力為58.63 MPa，非穩(wěn)定裂紋增長應(yīng)力為95.03 MPa.

圖12 花崗巖試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖13 橫向應(yīng)變響應(yīng)(ΔLSR)法計(jì)算裂紋起裂應(yīng)力

在一維靜應(yīng)力下的循環(huán)沖擊試驗(yàn)中，施加軸壓的過程近似于常規(guī)無側(cè)限靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，但所施加的軸壓值要小于花崗巖的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度(即試樣未出現(xiàn)宏觀破壞).因此，可利用靜態(tài)壓縮過程中巖樣內(nèi)部損傷演化規(guī)律探析后續(xù)循環(huán)沖擊荷載施加前軸壓對(duì)花崗巖樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理.當(dāng)σA=30 MPa時(shí)，試樣進(jìn)入彈性變形階段.相比σA=0，試樣內(nèi)部的微裂紋得到部分閉合，壓密作用導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)有所改善，表現(xiàn)為首次沖擊時(shí)平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變有所減小，峰值應(yīng)力和彈性模量得到提高，故總循環(huán)沖擊次數(shù)有所增加，但平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的平均增加速率出現(xiàn)降低，峰值應(yīng)力和彈性模量隨沖擊次數(shù)的平均降低速率有所減?。划?dāng)σA=60 MPa時(shí)，靜應(yīng)力處于彈性變形的末端，剛進(jìn)入裂紋起始及穩(wěn)定增長階段，此時(shí)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋較少，靜應(yīng)力的增加使得壓密程度更高，從而使得σA=60 MPa的總循環(huán)沖擊次數(shù)最大，平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的平均增加速率最小，峰值應(yīng)力和彈性模量隨沖擊次數(shù)的平均降低速率最小；當(dāng)σA=90 MPa時(shí)，試樣已進(jìn)入裂紋起始和裂紋穩(wěn)定增長階段，此時(shí)巖石內(nèi)部的裂紋已有所萌生，巖石的力學(xué)性能得到部分劣化，從而使得其總循環(huán)沖擊次數(shù)相比σA=60 MPa有所降低，各力學(xué)參數(shù)隨沖擊次數(shù)的劣化速率增加；當(dāng)σA=120 MPa時(shí)，巖樣進(jìn)入裂紋非穩(wěn)定增長階段，其力學(xué)性能嚴(yán)重劣化，從而使得其總循環(huán)沖擊次數(shù)較小，平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變隨沖擊次數(shù)的平均增加速率增大，峰值應(yīng)力和彈性模量隨沖擊次數(shù)的平均降低速率增大.

此外，可利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測靜應(yīng)力下巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)育過程.圖14為花崗巖試樣單軸壓縮過程中聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)與單軸壓縮軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的關(guān)系.可以看出，在0～60 MPa，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)很低，基本可以忽略.說明此應(yīng)力范圍內(nèi)，巖石內(nèi)部裂紋并未有明顯的萌生或擴(kuò)展，該階段巖石處于壓密或彈性變形階段；60～90 MPa，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)開始緩慢增加，說明巖石內(nèi)部的裂紋開始逐漸被激活；90～120 MPa，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)增加更為明顯，裂紋逐漸開始擴(kuò)展；120～134.92 MPa，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)快速增大，此時(shí)巖石內(nèi)部裂紋迅速匯聚擴(kuò)展并逐步貫通直至試樣發(fā)生宏觀破壞.

圖14 聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)與單軸壓縮軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的關(guān)系

4 結(jié) 論

1)在相同的循環(huán)沖擊荷載下，試樣的總循環(huán)沖擊次數(shù)隨軸壓的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在σA=60 MPa時(shí)達(dá)到最大.施加軸壓時(shí)沖擊波形中的反射波不同于σA=0時(shí)試樣，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需利用空沖反射波對(duì)其進(jìn)行處理.5種軸壓下的試樣都表現(xiàn)為典型的Ⅱ型應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

2)在軸壓σA=0，30，90和120 MPa下，試樣的平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，峰值應(yīng)力和彈性模量變化規(guī)律相反.σA=0和120 MPa下試樣的力學(xué)參數(shù)劣化速率較快，σA=60 MPa下試樣的平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，峰值應(yīng)力和彈性模量則反之，且力學(xué)參數(shù)劣化變緩.

3)通過花崗巖靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)可看出，當(dāng)軸壓小于起裂應(yīng)力時(shí)，壓縮作用將導(dǎo)致循環(huán)沖擊荷載下巖石的動(dòng)力學(xué)性能有所改善；當(dāng)軸壓大于起裂應(yīng)力時(shí)，由于巖石內(nèi)部微裂紋的萌生、成核和擴(kuò)展，巖石的動(dòng)力學(xué)性能將會(huì)出現(xiàn)下降.