陸 華,王建國,馬肖彤,馬 艷,王 輝

(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)

巖石自身都存在大量的缺陷，如孔洞、節(jié)理、斷層、裂紋等，這些缺陷的存在使得巖石的變形及破壞與連續(xù)介質不同。同時在巖土工程中，復雜的地質條件和施工工藝會對巖體產生擾動，尤其是在礦巖破碎、常規(guī)爆炸以及滑坡、巖爆、地震等自然災害及沖擊荷載作用下巖體會受到循環(huán)動力荷載的作用，目前對于巖石材料的研究多集中在靜態(tài)循環(huán)載荷下的巖石力學特性方面，對于巖石在循環(huán)荷載下動態(tài)特性的研究還較少。而巖石所具有的天然復雜性及非均質性使得巖石材料具有顯著的非線性變形特征，所以巖石在循環(huán)載荷作用下的力學特性與簡單載荷作用下的力學特性相比，有明顯差異。

HILTL M等[1]通過實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)等[2-3]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實驗研究；夏昌敬等[4]得到了沖擊荷載下孔隙砂巖的本構關系。在巖石循環(huán)方面的研究中，BAGDE M N等[5]分別對飽和和干燥砂巖進行了不同振幅的循環(huán)實驗，得到飽和砂巖的疲勞強度和楊氏模量劣化趨勢明顯。李夕兵等[6]利用異形沖頭在大桿徑SHPB壓桿實驗條件下對花崗巖進行低強度的循環(huán)荷載沖擊，得出當沖擊條件下得到的峰值應力小于巖體靜態(tài)峰值應力時，循環(huán)沖擊基本不能增加巖石內部的損傷程度。林大能等[7]，許金余等[8]均對循環(huán)沖擊荷載下圍壓對巖石力學性能的影響做了研究。金解放[9]對循環(huán)動力荷載下砂巖動力特性及損傷演化進行了研究，包括巖石在不同圍壓和軸壓下，循環(huán)沖擊載荷作用下巖石的強度、變形、能量耗散、破壞模式及機理。高全臣等[10]采用分離式霍普金森壓桿沖擊實驗系統(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實驗，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。朱晶晶等[11]對花崗巖進行單軸循環(huán)沖擊實驗，基于Weibull分布的動態(tài)損傷本構模型計算了花崗巖的累計損傷，并分析了其累計損傷的演化規(guī)律，得到變形模量、屈服應變、峰值應力等隨循環(huán)次數的變化規(guī)律。金解放等[12]研究了靜載荷與循環(huán)沖擊組合作用下巖石損傷特性，建立靜載荷與循環(huán)沖擊作用下巖石損傷累積演化模型，并探討模型中參數的物理意義。LI等[13]從聲學特性、能量耗散、變形特征和微裂紋演變的角度研究了綠砂巖損傷演化的內在機制。張婧等[14]研究了不同振動次數對粉砂巖力學特性的影響關系。祝艷波等[15]研究表明循環(huán)荷載下石膏質巖的疲勞損傷特征明顯，塑性特性顯著。趙奎等[16]對紅砂巖進行了單軸循環(huán)加、卸載次聲波實驗，并對比分析了能量法和次聲波法表征巖石損傷演化破壞特征。閆雷等[17]對弱風化花崗巖進行了等速循環(huán)沖擊，得到其峰值應力遞減，應變率呈先增后減的趨勢，并建立了雙參數損傷演化模型。翟健等[18]利用改進的SHPB裝置進行等速循環(huán)沖擊，結合GDS-VIS三軸滲流實驗分析風化花崗巖循環(huán)沖擊后的破壞模式,并研究有效孔隙度對循環(huán)動荷載前后巖石滲透性變化規(guī)律的影響。

以上學者對巖石在循環(huán)荷載下的動力性能和損傷特性均做了相關研究，但是對紅砂巖這種大孔隙率強度低的巖石在循環(huán)荷載下的動力特性和損傷研究較少，本文采用SHPB實驗設備，基于“三波”法，分析不同孔隙率紅砂巖在循環(huán)沖擊荷載作用下的動力特性和損傷，初步探討孔隙率對巖石峰值應力、峰值應變和損傷的影響。

1 試樣制備

本實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，用鉆機取芯，直徑50 mm。盧芳云等[19]研究表明：加載波在試樣中來回反射3次以上可以達到試樣中應力平衡的要求，同時本實驗為了充分反映不同孔隙率巖石的動力傳遞、衰減和破壞特性，試件過短則試件孔隙率的測定不易準確，也很難看出試件的破壞模式，同時為避免紅砂巖試樣的計算長度過短而導致試樣加工困難和實驗中出現較大誤差，因此綜合以上因素，采用了直徑50 mm，長度100 mm的紅砂巖試件進行測試。將經切割、端面打磨后制作而成的標準試件根據實驗規(guī)定[20]測定巖樣的孔隙率，并在加工前測試試件的縱波波速。實驗前，需將試件放在干燥環(huán)境下7 d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。

2 實驗系統(tǒng)

沖擊實驗采用中國礦業(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實驗系統(tǒng)(見圖1)，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[21]。

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

動力系統(tǒng)中選用尺寸φ50 mm×800 mm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。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 典型動力波形分析

因為設備誤差，本次實驗在速度上難以達到十分一致，相差較大，為了對實驗波形的比對清晰，本次選取了速率相近的波形進行分析研究。5#巖石孔隙率為5.856%，5次循環(huán)沖擊下達到破壞?？紫堵蕿?.856%的紅砂巖在循環(huán)荷載下的入、反射波形和透射波形，分別如圖2和圖3所示。圖中第1個數字為試件編號，第2個數字為第幾次沖擊，第3個數字為速率，以下類同。

圖2 紅砂巖循環(huán)荷載下入、反射波Fig.2 The incident and reflection waves of red sandstone under cyclic loading

圖3 紅砂巖循環(huán)荷載作用下透射波Fig.3 The transmission waves of red sandstone under cyclic loading

由圖2～圖3知，入射波幅值隨著速度的增大線性增大，反射波和透射波的幅值也基本呈現同樣的情況，并且第2次反射波的峰值出現的比第3次和第4次早，第3次和第4次的反射波峰值出現時間相差很小，同時第2次沖擊透射波的峰值早于第3和第4次的透射波峰值。本次實驗只有第2次的反射波峰明顯晚于第3和第4次的波峰，分析造成這種現象的原因除去入射能量不盡相同之外，本次研究的紅砂巖屬于多孔隙巖石，并且?guī)r性比較脆，因此在沖擊作用下的能量一部分用于對孔隙的壓縮變形，另一部分用于裂隙的擴展，并且在循環(huán)沖擊作用下，紅砂巖的巖性變化不能簡單的線性疊加，即在沖擊作用中，損傷應該不是簡單累加的。在本次實驗中相鄰沖擊作用下其損傷相差不大，所以其波形變化不是非常明顯，為了充分分析大孔隙紅砂巖的動力特性，我們選取了不同孔隙率的紅砂巖進行動力特性分析。

4 動力響應分析

由孔隙率為5.856%的紅砂巖在循環(huán)荷載下應力—應變(見圖4)可以看出，第2次沖擊荷載到達其峰值應力的應變大于第3和第4次，變化趨勢與其波形圖是一致的。第3次撞擊和第4次撞擊的應力—應變曲線比較接近，第3次撞擊曲線上升段斜率大于第4次的斜率，說明紅砂巖在第2次撞擊后孔隙大部分已經閉合，第3次的撞擊后產生了新的裂紋，導致巖石的損傷增加，因此第4次沖擊的變形模量和峰值應力都小于第3次的，并且從峰后曲線來看，第4次的塑性特征明顯比第3次的明顯，這樣從另一方面驗證了我們對大孔隙巖石動力特性分析的理論性。

圖4 紅砂巖循環(huán)荷載作用下應力—應變Fig.4 Stress-strain of red sandstone under cyclic loading

10#紅砂巖孔隙率為7.095%，5次循環(huán)沖擊下達到破壞。由10#紅砂巖在循環(huán)沖擊荷載下的應力—應變(見圖5)可以看出巖石的初始彈性模量同5#巖石一樣也是隨著速度的增大而增大。第2次沖擊荷載下峰值前后曲線比較平緩，說明此時巖石在沖擊能量下較多孔隙處于閉合階段，而第3次的應力—應變曲線其峰值前曲線相應于第2次的變得陡峭，說明曲線在此階段大部分孔隙在第3次沖擊能量下已經閉合，出現了硬化效應。而此后的第4次和第5次沖擊作用下應力—應變曲線在峰值應力前后都比較平緩，尤其是第5次的更加明顯，說明此時孔隙已經完全閉合，紅砂巖在沖擊作用下產生了更多新的裂隙，損傷的累加使巖石出現了應變軟化效應，致使峰值變化減緩，峰值應變增加，并且隨著加載次數的增加，其峰后曲線表現出了較明顯的塑性特性。為了更加清楚地說明孔隙率對紅砂巖循環(huán)沖擊動力特性的影響，對比了不同孔隙率紅砂巖在循環(huán)沖擊荷載作用下的應力—應變特征(見表1)，不同孔隙率紅砂巖在循環(huán)荷載、不同沖擊次數下的峰值應力分別如圖6和圖7所示。

圖5 大孔隙率紅砂巖循環(huán)荷載作用下應力—應變Fig.5 Stress-strain of red sandstone with big porosity under cyclic loading

表1 循環(huán)沖擊作用下不同孔隙率紅砂巖應力-應變特征

圖6 不同孔隙率紅砂巖在不同速度下的峰值應力Fig.6 Peak stress of red sandstone with different porosity under different velocities

從表1及圖6可以看出，孔隙率對峰值應力的影響較大，孔隙率小的峰值應力即單軸抗壓強度高于孔隙率大的，說明孔隙率小的5#紅砂巖對外部沖擊的抵抗能力大于孔隙率大的10#紅砂巖。另外從其對應的應變來看，在相似的速率下，10#紅砂巖大于5#紅砂巖，說明10#紅砂巖更容易變形，在沖擊能量近似的情況下，更多的能量消耗于巖石的變形中，因此其峰值應力小于孔隙率小的紅砂巖，并且5#和10#紅砂巖的峰值應力隨著速度的增大而增大。

由圖7可以看出，在相同沖擊荷載次數及相似速度的作用下，10#紅砂巖峰值應力的下降趨勢大于孔隙率小的5#紅砂巖，10#紅砂巖在最后一次沖擊荷載下的峰值應力高于第4次，主要原因在于實驗中子彈速度的控制誤差導致，并且雖然在較大的速度下，10#紅砂巖的峰值應力也小于5#巖石的峰值應力，從另一個角度印證了孔隙率對巖石在循環(huán)荷載下的動力特性有較大的影響。

5 損傷特性研究

聲波測試的基本原理是用人工的方法在巖土介質和結構中激發(fā)一定頻率的彈性波，這種彈性波以各種波形在材料和結構內部傳播并利用接收儀器接收，通過分析接收和記錄下來的波動信號，研究巖石動態(tài)損傷特性及其破壞程度與超聲波波速變化的關系，從而利用聲波測試結果來評價巖石動態(tài)損傷程度。巖石的損傷變量反映巖石內部損傷的情況，巖石中聲波的傳播速度與巖石的彈性性質密切相關，故損傷造成的巖石響應情況必然反映到巖石中聲波傳播速度的變化上，通過測量波速在損傷前后的變化，分析巖石的綜合損傷程度[21]，表示為

(1)

利用聲波測損得到的不同孔隙率紅砂巖在循環(huán)荷載下的損傷度比對如表2所示。

表2 不同孔隙率氣固紅砂巖在循環(huán)荷載下的損傷度

從表2可以看到，隨著沖擊次數的增加，紅砂巖的累計損傷度也在增加，說明紅砂巖的沖擊損傷效應具有累加性，值得注意的是，第1次的沖擊速度雖然小，但是損傷度相對來說較大，說明在第1次的沖擊中，孔隙被壓縮，在第2次和第3次的沖擊中，雖然速度較大，但損傷度逐漸減小，說明在沖擊中一方面孔隙逐漸被壓實，減緩了波速的的降低程度；另一方面初次損傷造成的孔隙、裂隙增加對后續(xù)沖擊作用具有緩沖吸能效應，減弱了損傷的增大幅度。在第4次的沖擊下，損傷度大于第3次的損傷，在屢次沖擊下，裂隙增多，降低了巖石的剛度，其損傷呈增大趨勢，直至最后一次沖擊下破壞。

對比表2中5#和10#紅砂巖試件，其沖擊次數都是5次，并對不同孔隙率的損傷過程(見圖8和圖9)進行比對分析可以得到如下的結果：

1)多孔隙紅砂巖的沖擊損傷效應具有累加性，但不具有線性疊加效應，隨著荷載沖擊次數的增加，其損傷度呈現先減小后增大的趨勢；

2)從損傷累計度來看，孔隙率大的10#紅砂巖在沖擊作用下，破壞前的累計損傷度為0.731，而孔隙率小的則為0.495，相差較大，從損傷的角度印證了孔隙率對巖石特性的影響程度較大；

3)5#和10#紅砂巖損傷過程都是在前2次的沖擊中表觀無明顯的宏觀裂紋，在后面的沖擊中從透射桿端部開始出現裂紋并逐漸開展最后直至破壞，印證了之前對其應力—應變時程的分析。

圖8 5#巖石損傷Fig.8 5# sandstone damage

圖9 10#巖石損傷Fig.9 10# sandstone damage

6 結論

1)紅砂巖在循環(huán)荷載下的動力波形反映出紅砂巖由于孔隙大，脆性大的巖性使其在循環(huán)沖擊的作用下的的能量一部分用于孔隙的壓縮變形，另一部分用于裂隙的擴展。

2)不同孔隙率的紅砂巖試件在循環(huán)荷載下的應力時程基本一致，紅砂巖隨循環(huán)次數的遞增經歷了孔隙閉合-裂隙開展-應力硬化-應變軟化直至破壞的階段，其變形模量和峰值應變呈現出先減小，再增大，再減小的趨勢，峰值應力與速率呈正相關的關系。隨著循環(huán)次數的遞增，孔隙率大的巖石的峰值應力下降趨勢大于孔隙率小的巖石，并且由于損傷累積使巖石在沖擊破壞前表現出了較明顯的塑性特征。

3)不同孔隙率紅砂巖的損傷效應具有累加性，但不呈線性增長，其損傷度變化趨勢基本是先增大后減小，孔隙率大的巖石累計損傷度大于孔隙率小的巖石。

4)不同孔隙率紅砂巖在循環(huán)荷載下的損傷過程都是在前2次的沖擊中表觀無明顯的宏觀裂紋，在之后的沖擊中損傷裂紋都是從透射端部開始，然后逐漸擴展直至破壞。