李國梁，盧志堂，楊燦燦

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230009)

沉積巖是地球上分布最廣的巖類，沉積巖中層理面的存在使其具有各向異性的特征，加之后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得巖層的傾角發(fā)生變化，使得沉積巖的巖石力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)得更為復(fù)雜。中國西部地區(qū)進(jìn)行的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深部資源開采等活動(dòng)面臨著很多巖石靜動(dòng)力學(xué)問題，隨著往深地的不斷探索，面臨的巖石靜動(dòng)力學(xué)問題會(huì)越來越多。

近年來，對(duì)于層狀巖體的各向異性力學(xué)性質(zhì)問題，中外學(xué)者也進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)理論的研究，李地元等[1]分析了含孔洞層狀巖石動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的規(guī)律，得出了巖石試樣峰值強(qiáng)度、彈性模量及最大應(yīng)變隨著層理傾角的增加,均有先增大后減小的變化規(guī)律；Qiu等[2]研究了層狀巖石在不同傾角下的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)破裂模式，得出當(dāng)巖石在低應(yīng)變率狀態(tài)時(shí)，層狀巖石試樣破壞模式分為4種：沿層理和穿越層理的劈裂破壞、沿層理和穿越層理的剪切破壞；Zhao等[3]用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合方法研究了層理對(duì)煤的動(dòng)態(tài)間接抗拉強(qiáng)度的影響，得出在高應(yīng)變率條件下，巖石的傾角會(huì)對(duì)煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性產(chǎn)生重要影響；曾晟等[4]對(duì)層狀巖體模型進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)沖擊荷載較小時(shí)，層理的法向位移是導(dǎo)致層理巖體的位移的主要原因，隨著沖擊荷載的增大，沿著層理面逐漸出現(xiàn)裂紋擴(kuò)散貫通導(dǎo)致巖體被破壞；李地元等[5]對(duì)層狀砂巖進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，得出了層理傾角對(duì)砂巖動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，層間礦物組成成分含量的不同會(huì)導(dǎo)致層狀砂巖層理面之間的差異；Tavallali 等[6-7]研究層狀巖石在巴西實(shí)驗(yàn)下的力學(xué)特性，得出試樣平行于層理方向的主裂紋部分的長度與層理數(shù)量隨著軟弱礦物成分的增加而增加的正相關(guān)規(guī)律。趙平勞等[8]以天然層狀巖體為對(duì)象進(jìn)行研究，使用復(fù)合材料相關(guān)理論建立了層狀巖體的單向壓縮本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果十分相似；張威等[9]研究巖石礦物成分對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)礦物成分對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量有著較為明顯的影響，即巖體中礦物成分硬度比較大時(shí)，巖體單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量也比較大。盧志堂等[10]利用改進(jìn)的霍普金森壓桿對(duì)不同圍壓、不同應(yīng)變率下的巖樣進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)，分析了其在中高應(yīng)變率下的沖擊響應(yīng)特征與破壞模式。以上結(jié)果豐富了層狀巖石動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)與理論成果。

現(xiàn)以天然層狀砂巖為研究對(duì)象，對(duì)試樣分別進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)SHPB試驗(yàn)，分析層狀砂巖在靜力和動(dòng)力加載條件下相關(guān)力學(xué)特性隨層面傾角的變化規(guī)律，為相關(guān)工程提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)力沖擊試驗(yàn)采用霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，如圖1所示。試驗(yàn)裝置由撞擊桿、入射桿、透射桿、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，其中桿件材料均為40Cr合金鋼，其縱波波速為5 172 m/s，密度為7 810 kg/m3，彈性模量為210 GPa。在試驗(yàn)過程中，撞擊桿、入射桿和透射桿的長度分別為600、2 400、1 400 mm，入射桿等截面部分和透射桿部分直徑均為50 mm。

為了記錄兩個(gè)桿上應(yīng)變，在試驗(yàn)裝置的入射桿和透射桿上相應(yīng)位置分別粘上應(yīng)變片，為了減小彌散效應(yīng)，在入射桿前段貼上H62黃銅整形器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力加載過程中試樣的均勻變形和應(yīng)力平衡。

此次試驗(yàn)中采用DH5960超高速動(dòng)態(tài)采集儀和DHDAS6.19版動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)。

單軸壓縮試驗(yàn)采用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。該儀器最大試驗(yàn)力為600 kN，機(jī)架剛度為5×600 N/mm，具備良好的可靠性和自動(dòng)化程度，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)過程中，設(shè)置加載率為1.5 kN/s。

圖2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)Fig.2 Rock mechanics testing machine

1.2 動(dòng)力試驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)過程中，撞擊桿對(duì)心碰撞入射桿，波在入射桿中傳播，到達(dá)入射桿與試樣接觸處發(fā)生反射與透射，加載波在試樣中經(jīng)過多次反射與透射之后，試樣兩端的相對(duì)應(yīng)力差逐漸降低，達(dá)到相對(duì)平衡。應(yīng)變信號(hào)由粘貼在桿件上的兩個(gè)應(yīng)變片測量。

根據(jù)儀器所獲得的電信號(hào)并利用二波法公式[11]，即式(1)～式(3)，可以求出平均應(yīng)變、平均應(yīng)變率、平均應(yīng)力。

(1)

(2)

(3)

式中：εI、εT分別為入射波產(chǎn)生的應(yīng)變及透射波產(chǎn)生的應(yīng)變；E為彈性模量；Ab、As分別為壓桿和試樣的橫截面積；L為試樣的長度；C0為彈性波波速。

1.3 試樣制備

試驗(yàn)中所采用的層狀黃砂巖的試樣通過取芯機(jī)選取不同角度進(jìn)行鉆芯，從而獲得包含不同角度結(jié)構(gòu)面的圓柱試樣，兩端的不平行度和垂直度均滿足試驗(yàn)要求，靜力壓縮試樣尺寸為50 mm×100 mm動(dòng)力沖擊試樣的尺寸為25 mm×50 mm的短圓柱試樣。制備好的試樣如圖3所示。每種試驗(yàn)制作7組試樣，所制試樣傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)分組為A1～A7，每組試樣編號(hào)為J1～J5；沖擊試驗(yàn)分組為B1～B7，每組試樣編號(hào)為D1～D5，每組有5個(gè)試樣，共70個(gè)試樣。

β為試樣的傾角圖3 制備好的層狀砂巖試樣Fig.3 The prepared layered sandstone sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾角對(duì)強(qiáng)度的影響

對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出靜態(tài)單軸壓縮和霍普金森壓桿加載條件下的抗壓強(qiáng)度，見表1和表2。為了減小實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的離散性影響，表1和表2均值均為去掉每組試樣的最大值和最小值后得到的數(shù)據(jù)。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)下各試樣的抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of each sample under static uniaxial compression test

表2 沖擊試驗(yàn)下各試樣的抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strength of each sample under impact test

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)峰值強(qiáng)度隨傾角的變化如圖4所示。

圖4 峰值強(qiáng)度隨傾角的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between peak intensity and tilt angle

從圖4可以看出：在單軸抗壓實(shí)驗(yàn)中，層面傾角在0°～45°時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨著層面傾角的增加呈先增后減的趨勢，但整體變化不大，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度并沒有隨角度變化呈現(xiàn)出明顯的各向異性，層面傾角在45°～90°時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨著層面傾角的增加呈先減后增趨勢，且變化明顯，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨角度的變化呈現(xiàn)出明顯的各向異性，且在層面傾角為60°時(shí)，巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度最低，在傾角為30°時(shí)，巖石強(qiáng)度最高。在霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中，從整體上看，巖石的強(qiáng)度隨傾角的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，但層面傾角為30°～60°時(shí)，呈現(xiàn)平臺(tái)期，巖石的強(qiáng)度并未隨傾角增大有明顯變化，巖石的強(qiáng)度在層面傾角為60°時(shí)最低在層理水平時(shí)最高。兩種試驗(yàn)對(duì)比分析得出：兩種加載方式下，巖石的強(qiáng)度隨試樣層面傾角的變化規(guī)律具有一致性，且均在層面傾角為60°時(shí)達(dá)到最小值，在霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中，巖石的強(qiáng)度比單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的大，原因主要是因?yàn)閹r石在層理面處處于弱黏結(jié)部位，在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中。由于其應(yīng)變率較低，巖石內(nèi)部損傷會(huì)率先在此產(chǎn)生，使裂隙在發(fā)展時(shí)沿著內(nèi)部損傷進(jìn)行，動(dòng)力沖擊實(shí)驗(yàn)中，其應(yīng)變率較高，巖石試樣內(nèi)部的孔隙迅速閉合，使黏結(jié)度增大，從而改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)，增大了其強(qiáng)度[12]。

2.2 傾角對(duì)巖石彈性模量的影響

在每組試樣選擇有代表性的均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。部分試樣的靜載和動(dòng)載實(shí)驗(yàn)得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of typical specimen

由圖5可以看出：試樣在兩種加載方式下，均在應(yīng)變達(dá)到一定程度后出現(xiàn)應(yīng)力下降，這是由于試樣在應(yīng)變達(dá)到一定值后內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，變形加劇，導(dǎo)致承載力下降。靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)下各試樣的彈性模量見表3和表4。其中為了消除試樣離散性影響，將最大值和最小值去掉再計(jì)算均值。

表3 靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)下各試樣的彈性模量Table 3 Elastic modulus of each sample under static uniaxial compression test

表4 沖擊試驗(yàn)下各試樣的彈性模量Table 4 Elastic modulus of each sample under impact test

不同角度下兩種實(shí)驗(yàn)方法試樣的彈性模量變化規(guī)律如圖6所示。

從圖6可以得出：靜載實(shí)驗(yàn)的彈性模量隨角度增加整體上呈先減小再增加的“V”形，彈模最低時(shí)，層面傾角為60°，層理面傾角為90°時(shí)，彈性模量有最大值，靜載實(shí)驗(yàn)條件下，彈性模量隨角度的變化規(guī)律與強(qiáng)度的變化規(guī)律具有一致性，原因可能為層狀巖體層理面處壓密程度不高，在層面傾角為60°時(shí)，試樣破壞受層理面的影響較大，所以在層面傾角為60°時(shí)具有最小值，而在層面傾角為90°時(shí)彈性模量呈現(xiàn)最大值?；羝战鹕瓑簵U實(shí)驗(yàn)中，彈性模量隨角度的變化規(guī)律與強(qiáng)度的變化規(guī)律略有不同，主要表現(xiàn)在層面傾角在60°以后，彈性模量呈下降趨勢，原因可能在60°之后進(jìn)行沖擊，試樣上產(chǎn)生剪切變形，增大了試樣的應(yīng)變。整體上看，彈性模量隨巖層傾角的增加呈先增后減的趨勢。然而層理傾角為15°試樣的彈性模量比預(yù)期結(jié)果偏高,其原因可能是巖石試樣具有一定離散性,層理傾角15°試樣的層理弱面結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，產(chǎn)生的壓縮變形較少，因而其彈性模量比預(yù)期結(jié)果偏高，兩種試驗(yàn)方式對(duì)比來看，靜載條件下的巖石彈性模量普遍比動(dòng)載條件下的高，原因?yàn)閷用嫣幍奈镔|(zhì)壓密程度低，在動(dòng)力荷載的沖擊下快速壓密，產(chǎn)生了較大的應(yīng)變。

圖6 不同傾角下靜載和動(dòng)載試樣的彈性模量Fig.6 Elastic modulus of static and dynamic specimens under different inclination angles

2.3 傾角對(duì)破壞模式的影響

沖擊荷載作用下層狀砂巖試樣的靜力載荷、破碎形態(tài)如圖7所示。

圖7 動(dòng)力荷載條件下和單軸壓縮條件下各層面傾角試樣的破壞形態(tài)Fig.7 The failure modes of the specimens with different layers of dip angle under dynamic load and uniaxial compression

從圖7可以看出：動(dòng)力荷載條件下，層面傾角在0°～60°時(shí)，破壞模式?jīng)]有發(fā)生明顯變化，各層面傾角試樣的破壞形態(tài)較為一致，破碎部分均呈塊狀，破碎程度相差不大。對(duì)于75°和90°試樣，從破壞的形態(tài)上來看，為片狀和塊狀的混合體，層面顯著影響了其破壞模式，與層面傾角0°～60°試樣的破碎程度相比，較為破碎，并伴有沿層面發(fā)生的剪切滑動(dòng)破壞。對(duì)比單軸壓縮不同層面傾角試樣的破壞結(jié)果，可以看出，0°～75°試樣的破壞模式主要為剪切破壞，其中0°～45°試樣為直接貫穿各個(gè)層面的破壞，破壞模式未表現(xiàn)出與層面傾角變化的明顯關(guān)系，并且在層面傾角為15°和30°的試樣中，還可以發(fā)現(xiàn)破壞面的傾向不一定與層面傾向一致，這說明了層面低傾角情況下破壞模式不受層面傾角的影響。而傾角為60°和75°試樣的破壞主要沿著層面進(jìn)行發(fā)展，表現(xiàn)出與層面傾角變化明顯的相關(guān)性，傾角為90°試樣的破壞模式主要為劈裂和剪切混合破壞。

3 結(jié)論

對(duì)不同層面傾角的砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和霍普金森壓桿試驗(yàn)，研究分析力學(xué)性質(zhì)隨層面傾角變化和應(yīng)變率的規(guī)律，對(duì)比靜力和動(dòng)力加載作用下兩者結(jié)果的不同。

(1)層狀砂巖峰值強(qiáng)度隨層面傾角增大均先減小再增大，峰值強(qiáng)度均在層面傾角為60°時(shí)出現(xiàn)最小值。

(2)試樣的動(dòng)力加載狀態(tài)和靜力加載方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)：對(duì)傾角相同的巖石，當(dāng)動(dòng)力加載時(shí)，峰值強(qiáng)度較大。

(3)靜載條件下，隨角度的增大，彈性模量與強(qiáng)度均而先增加后減小再增加，霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中，彈性模量隨角度的變化規(guī)律與強(qiáng)度的變化規(guī)律略有不同，主要表現(xiàn)在層面傾角在60°以后，彈性模量呈下降趨勢。

(4)動(dòng)力沖擊實(shí)驗(yàn)中，層面傾角為0°～60°時(shí)，試樣的破壞模式?jīng)]有明顯差異，傾角為75°和90°時(shí)，破壞模式發(fā)生了明顯變化。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，層面傾角為0°～75°時(shí)，試樣主要發(fā)生剪切破壞，破壞模式未表現(xiàn)出與層面傾角變化的明顯關(guān)系，層面低傾角情況下破壞模式可以不受層面傾角的影響。其中60°和75°巖層剪切破壞沿著層理面，90°時(shí)破壞模式為剪切和劈裂的混合模式。