彭 鋒

(湖南華達工程有限公司,湖南 長沙 410076)

0 引言

泥巖、頁巖、粉砂巖等地質(zhì)軟巖富含黏性土礦物成分，容易發(fā)生水物理化學反應(yīng)，從而導致力學性質(zhì)降低，即水環(huán)境下這些巖石通常會發(fā)生軟化反應(yīng)，表現(xiàn)出強度和剛度降低的現(xiàn)象[1-3]。巖石軟化效應(yīng)通常包括長期浸水條件下的力學性質(zhì)軟化[4-6]和干濕循環(huán)條件下的力學性質(zhì)軟化[1-11]。目前，干濕循環(huán)條件下的巖石力學性質(zhì)軟化研究主要針對靜力性質(zhì)，研究方法主要為單軸或三軸靜力抗壓試驗。例如，王輝等[8]結(jié)合單軸抗壓試驗數(shù)據(jù)研究了干濕循環(huán)作用對大理巖靜力損傷特性。郭要輝等[9]利用三軸抗壓試驗研究了干濕循環(huán)作用對不同圍壓下尾砂力學性質(zhì)的影響規(guī)律。

對于泥巖、頁巖、粉砂巖等軟巖隧道的開挖工程，爆破是首要問題，它屬于沖擊動力問題[12]?？紤]到干濕循環(huán)作用是影響軟巖隧道開挖效果的主要影響因素，開展干濕循環(huán)下巖石沖擊動力特性研究十分必要，可為實際工程中的爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。由于試驗條件限制，以往很少有研究是針對干濕循環(huán)條件下的巖石沖擊動力學性質(zhì)而開展的[13]。究其原因主要在于沖擊動力試驗對試驗條件要求比三軸或單軸靜抗壓等常規(guī)試驗高。例如，相比常規(guī)靜力試驗，沖擊動力試驗需要考慮試樣慣性的影響。隨著工程界對巖石沖擊動力性質(zhì)問題的日益重視以及試驗技術(shù)的不斷發(fā)展，平面波發(fā)生器試驗[14]、輕氣炮撞擊試驗[15]和分離式霍普金森壓桿試驗(以下簡稱SHPB試驗)[12-18]逐漸成為研究巖石沖擊動力性質(zhì)的主要方法，其中分離式霍普金森壓桿試驗最為常用。在SHPB試驗中，試樣撞擊破壞過程的應(yīng)變率是常數(shù)。袁璞等[13]設(shè)計了干濕循環(huán)條件下煤礦砂巖SHPB試驗，以研究干濕循環(huán)作用對煤礦砂巖沖擊強度等動力性質(zhì)的影響規(guī)律。

泥質(zhì)板巖屬于地質(zhì)軟巖，在我國分布較廣。在湖南、湖北和四川等地有許多泥質(zhì)板巖隧道工程建設(shè)項目。工程實踐表明，干濕循環(huán)是影響泥質(zhì)板巖隧道爆破開挖效果的重要原因之一。為此，本文通過設(shè)計干濕循環(huán)條件下的SHPB試驗，研究干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖的動強度、動彈模等參數(shù)的影響，揭示干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖沖擊動力性質(zhì)的影響規(guī)律，為泥質(zhì)板巖隧道開挖爆破參數(shù)設(shè)計等提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗儀器及基本原理

1.1.1試驗儀器

試驗設(shè)備為SHPB試驗機系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)主要由撞擊桿、入射桿、波形整形器、透射桿、吸收桿、阻尼減震器、撞擊測速儀和超動態(tài)應(yīng)變儀等組成。其中，入射桿和透射桿為圓軸桿，直徑均為50 mm，長度分別為2.0 m和1.5 m，材質(zhì)均為40Cr合金材料，密度均為7 810 kg/m3。

圖1 SHPB 試驗機系統(tǒng)

1.1.2試驗基本原理

試驗時，撞擊桿以一定速度碰撞帶波形整形器的入射桿，在入射桿中激發(fā)彈性波，撞擊桿速度由撞擊測速儀器測定。入射桿和透射桿之間是圓柱體試樣，試樣兩端底面分別和入射桿、透射桿接觸。彈性波穿過試樣進入透射桿內(nèi),透射能量最后由透射桿后方的吸收桿和減震阻尼器消耗。通過超動態(tài)應(yīng)變儀測定入射桿和透射桿中的應(yīng)力波參數(shù)，獲得試樣的加載應(yīng)變率以及該應(yīng)變率下的軸向動應(yīng)力-軸向動應(yīng)變關(guān)系，獲得試樣的動強度、動彈模等動力破壞與變形的參數(shù)。

1.2 試樣

泥質(zhì)板巖試樣取自湖南岳陽市，主要的礦物成分按照質(zhì)量百分比遞增排列依次為高嶺石、綠泥石、石英和白云母，礦物成分質(zhì)量百分比依次為8.5%、17.2%、28.2%和39.2%。由于入射桿件和透射桿件的直徑均為50 mm，因此，取試樣為圓柱體，高度為25 mm，直徑為50 mm。

1.3 試驗方法

1.3.1干濕循環(huán)設(shè)計

干濕循環(huán)過程:① 首先，利用烘干法制作干燥試樣：將烘干箱內(nèi)烘干溫度設(shè)置為105 ℃以烘干試樣。②得到干燥試樣后，利用自由浸水法飽和試樣：將干燥試樣放入水槽中浸沒試樣，讓試樣充分吸水，浸泡時間為12 h。從干燥到飽和，此過程為試樣的1次干濕循環(huán)作用過程。按此方法對試樣進行干濕循環(huán)處理。

1組干濕循環(huán)試驗中有5個試樣，設(shè)干濕循環(huán)次數(shù)用N表示，各個試樣受到的干濕循環(huán)次數(shù)分別為N=0、2、5、9、15?？紤]到巖石試樣的非均勻性通常會導致試驗結(jié)果出現(xiàn)一定的離散性，設(shè)置平行的3組干濕循環(huán)試驗，一共15個試樣。后續(xù)試驗結(jié)果處理取統(tǒng)計均值。

1.3.2加載

利用SHPB試驗機系統(tǒng)對經(jīng)過干濕循環(huán)處理的試樣開展試驗。其中:撞擊桿平均速度為3.5 m/s，試樣的沖擊應(yīng)變率范圍為15.5～51.4 s-1，平均應(yīng)變率為22.2 s-1。由試驗可獲得恒定應(yīng)變率下的單軸動抗壓強度、動彈性模量、動泊松比、峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變等參數(shù)[12-17]。

2 試驗成果及分析

2.1 軸向的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系分析

軸向的動應(yīng)力和動應(yīng)變分別用σ和ε表示，典型的σ-ε關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 典型的軸向動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)圖2，各干濕循環(huán)次數(shù)作用下泥質(zhì)板巖的軸向動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線形狀是相似的，均為應(yīng)變軟化型曲線，但各曲線并不重合。隨著軸向動應(yīng)變ε從0逐漸增大，軸向的動應(yīng)力σ也逐漸在增大。當軸向動應(yīng)變ε較小時，σ-ε關(guān)系曲線為向上凹的曲線；隨著ε繼續(xù)增大，σ-ε關(guān)系曲線近似為直線；直線段后，σ-ε關(guān)系為非線性遞增關(guān)系。當動應(yīng)力超過峰值點或者動強度時，σ-ε關(guān)系曲線不斷下降，此時，隨著軸向動應(yīng)變ε增大，軸向動應(yīng)力σ減小，這一階段為應(yīng)變軟化階段。

以上分析表明，泥質(zhì)板巖的沖擊動力應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的本質(zhì)為應(yīng)變軟化關(guān)系，干濕循環(huán)作用沒有改變應(yīng)變軟化的本質(zhì)，但是對軸向動應(yīng)力與軸向動應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展有重要影響。

2.2 干濕循環(huán)對沖擊動力破壞的影響

2.2.1干濕循環(huán)作用對動強度的影響

設(shè)動強度為σd，動強度為圖2曲線上的峰值應(yīng)力。圖3給出了干濕循環(huán)次數(shù)N和動強度σd之間的關(guān)系。根據(jù)圖3， 隨著N由 0增加到15，σd由23.6 MPa降低到18.7 MPa，降低幅值為20.7%，且σd漸趨于穩(wěn)定。因此，可知隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，σd顯著下降。這表明，干濕循環(huán)作用會導致泥質(zhì)板巖的沖擊動強度顯著降低。

圖3 動強度和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2.2.2干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖脆性的影響

峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變是軸向變形破壞的重要特征參數(shù)或者脆性指標。設(shè)該參數(shù)為εd，如圖4所示。εd越小，巖石的脆性越顯著。圖4給出了干濕循環(huán)次數(shù)N和εd之間的關(guān)系。從圖4看出，隨著N由 0增加到15，εd由0.001 44降低到0.001 20，降低幅值為16.7%，且εd漸趨于穩(wěn)定。因此，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，εd顯著下降。這表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泥質(zhì)板巖的沖擊動力脆性越顯著。

圖4 峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2.2.3干濕循環(huán)作用對動力變形性質(zhì)的影響

1)干濕循環(huán)作用對動彈性模量的影響。設(shè)動彈性模量為Ed，圖5給出了干濕循環(huán)次數(shù)N和Ed之間的關(guān)系。根據(jù)圖5，隨著N由 0增加到15，Ed由29.9 GPa降低到25.1 GPa，降低幅值為16.1%。因此，和σd-N、εd-N關(guān)系一樣，Ed隨N的增加而顯著降低。即干濕循環(huán)作用會顯著降低泥質(zhì)板巖的動彈性模量。

圖5 動彈性模量和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2)干濕循環(huán)作用對動泊松比的影響。設(shè)動泊松比為μd，干濕循環(huán)次數(shù)N和泊松比μd之間的關(guān)系如圖6所示。從圖6看出，隨著N從0增加到15，μd在0.37和0.28之間變化。即μd和N之間的關(guān)系無明顯變化規(guī)律。初步分析可知，泊松比對材料的均質(zhì)性最為敏感，而巖石本身具有非均質(zhì)性，非均質(zhì)性越強，泊松比的變化越無規(guī)律。泥質(zhì)板巖屬于非均質(zhì)材料，干濕循環(huán)作用通常由局部到整體,破壞試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，干濕循環(huán)作用使得泥質(zhì)板巖的非均勻性變得更顯著，從而使得泊松比隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而無明顯的變化規(guī)律。

圖6 動泊松比和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

3 結(jié)論

利用SHPB試驗研究干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖沖擊動力性質(zhì)的影響，由試驗獲得泥質(zhì)板巖的動強度、動彈性模量、動泊松比等力學特征參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1)干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖沖擊動力性質(zhì)起顯著地劣化作用。干濕循環(huán)作用會顯著降低泥質(zhì)板巖的動強度、動彈性模量，以及顯著增強泥質(zhì)板巖的脆性。

2)干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖的動強度影響最大，對動彈性模量和脆性的影響次之。

3)干濕循環(huán)作用對泊松比的影響無明顯規(guī)律。