賈 健，陶鐵軍，田興朝，婁乾星，謝財進(jìn)，何 軍，虞培忠，王志濤

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550025；2.中國建筑工程(香港)有限公司，香港 999077)

巖石是由多種礦物顆粒及內(nèi)部孔隙的膠結(jié)物和微觀裂隙組成的一種非均質(zhì)天然材料[1]。從巖石固體相物質(zhì)成分及細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究動靜荷載作用下灰?guī)r和白云巖力學(xué)特性及破壞機理，對我國西南地區(qū)隧洞建設(shè)具有重要意義。

目前，諸多學(xué)者對巖石的力學(xué)性能進(jìn)行了大量分析研究：Hao Li等[2]通過實驗研究循環(huán)荷載作用下化學(xué)腐蝕石灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)損傷演化，建立了循環(huán)荷載作用下化學(xué)腐蝕石灰?guī)r的損傷模型。Ronghua SHU等[3]利用SHPB試驗系統(tǒng)研究熱處理對花崗巖在循環(huán)沖擊作用下能量耗散的影響，分析了能量耗散與溫度的相關(guān)性、能量耗散與沖擊次數(shù)的關(guān)系以及熱效應(yīng)對吸收能量的影響規(guī)律。楊仁樹等[4]利用SHPB試驗系統(tǒng)分析了巖石在沖擊荷載下的應(yīng)力波傳播特征、動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及破碎塊度分形特征同時受波阻抗、應(yīng)變率及沖擊速度的影響。李松等[5]利用NMR系統(tǒng)得出巖樣沖擊前后的孔隙度，探究動載下弱風(fēng)化花崗巖的孔隙度變化規(guī)律及損傷特性。閆雷等[6]對單軸循環(huán)沖擊下弱風(fēng)化花崗巖的損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究，分析爆破應(yīng)力波作用下弱風(fēng)化花崗巖的力學(xué)特性及損傷演化機理。劉漢香等[7]通過巖石單軸壓縮及聲發(fā)射試驗研究巖石損傷破壞過程中聲發(fā)射參數(shù)演化規(guī)律與其應(yīng)力響應(yīng)之間的相關(guān)性。劉連生等[8]進(jìn)行了頻繁生產(chǎn)爆破加載下飽水巖體累積損傷效應(yīng)現(xiàn)場聲波測試研究，分析巖體累積損傷增長規(guī)律，對爆破方案及參數(shù)提出了優(yōu)化建議。王春等[9]利用改進(jìn)的SHPB試驗裝置進(jìn)行深部巖石的三維高靜載頻繁動態(tài)擾動試驗，分析動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一般特征。李兵磊等[10]利用SHPB系統(tǒng)結(jié)合核磁共振試驗研究不同沖擊速度和次數(shù)下灰?guī)r的動力學(xué)特性并分析了能量耗散規(guī)律。翟健等[11]利用改進(jìn)的SHPB裝置及GDS-VIS三軸滲流試驗，研究有效孔隙度對巖石滲透性變化規(guī)律的影響。劉偉等[12]通過逐級循環(huán)沖擊實驗及沖擊后的靜態(tài)壓縮實驗，測量試件的孔隙度和滲透系數(shù)，為爆破增滲工藝提供了理論依據(jù)。王志亮等[13]利用SHPB試驗系統(tǒng)進(jìn)行等幅循環(huán)沖擊試驗，分析其動力學(xué)特性。方正峰等[14]利用RMT-150C多功能實驗機和改進(jìn)的SHPB實驗裝置，研究灰?guī)r和白云巖試件的靜態(tài)力學(xué)特性和在5種不同應(yīng)變率等級下的動態(tài)力學(xué)性能。

研究不同巖石在不同加載條件下動力學(xué)特性、損傷演化機理、滲透率演化規(guī)律及破壞形式的成果頗豐。但從巖石固體相及細(xì)觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，對灰?guī)r及白云巖的動靜破壞差異性研究卻鮮有報道。本文通過X射線衍射分析儀和掃描電子顯微鏡分析灰?guī)r和白云巖的固體相和微觀結(jié)構(gòu)的差異性，利用TAJW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機及分離式HSPB壓桿測試系統(tǒng)ALT100配合高速攝影儀對兩類巖石的動靜力學(xué)特性進(jìn)行分析，探究固體相物質(zhì)成分在動靜破壞差異性中發(fā)揮的重要作用，探明巖石在動靜荷載作用下的破壞機理。

1 實驗內(nèi)容

1.1 試樣制備

試樣取自蘭海高速桐梓隧道施工現(xiàn)場，為減小試件的離散型，避免巖石試件在組成成分和結(jié)構(gòu)上的差異，實驗所用同一類型試件取自同一巖塊。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)對巖樣在力學(xué)實驗中尺寸[10,15]的要求將試樣加工打磨制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.2 X射線衍射、SEM分析

為探究兩類巖石的固體相及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異性，使用日本理學(xué)Rigaku Ultima IV型X射線衍射分析儀和ZeissMerlin Compact型掃描電子顯微鏡SEM對灰?guī)r、白云巖進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析和電鏡掃描分析。

1.3 動靜荷載試驗

采用TAJW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機開展三組巖石單軸壓縮試驗(Φ50 mm×100 mm)及巴西劈裂試驗(Φ50 mm×50 mm)，加載控制方式為等位移速率，加載速率為0.005 mm/s，如圖1所示。

圖1 微機控制電液伺服巖石三軸試驗機Fig.1 Electro-hydraulic servo rock triaxial testing machine controlled by microcomputer

采用阿基米德工業(yè)科技有限公司研制的分離式Hopkinson壓桿測試系統(tǒng)ALT100配合高速攝影儀，分別在0.1、0.2、0.3 MPa的沖擊氣壓下開展三組灰?guī)r及白云巖沖擊壓縮實驗(Φ50 mm×25 mm)，實驗時涂抹潤滑脂減小試件和壓桿之間的端面摩擦效應(yīng)，其中壓桿密度為7.81 g/cm3，彈性模量210 GPa，縱波波速5 410 m/s，如圖2所示。

圖2 分離式Hopkinson壓桿測試系統(tǒng)Fig.2 Separate Hopkinson pressure bar test system

2 實驗結(jié)果分析

2.1 X射線衍射分析

使用日本理學(xué)Rigaku Ultima IV型X射線衍射分析儀對灰?guī)r及白云巖進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，設(shè)置波長為1.541 8、電壓40 kV、電流40 mA，測試結(jié)果如圖3所示?；?guī)r中CaCO3及SiO2物質(zhì)成分占比較大，而白云巖中CaCO3及MgCO3的絡(luò)合物CaMg(CO3)2為其主要物質(zhì)成分，且白云巖中各項雜質(zhì)含量較多，這與周宗紅等[16]的測試結(jié)果較為吻合。

圖3 XRD分析結(jié)果Fig.3 Results of XRD analysis

SiO2為原子晶體，是以硅氧四面體為基本結(jié)構(gòu)形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在其晶體結(jié)構(gòu)中，硅原子的4個價電子與4個氧原子形成4個共價鍵，Si原子處在正四面體中心，O原子位于四面體頂點。CaCO3、MgCO3為離子晶體，Ca2+、Mg2+與CO3-2之間形成離子鍵。共價鍵較離子鍵更為穩(wěn)定，因此SiO2晶體硬度較大，難溶于水，灰?guī)r內(nèi)部富存SiO2使其力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于白云巖。

2.2 SEM分析

使用ZeissMerlin Compact型掃描電子顯微鏡SEM對灰?guī)r及白云巖進(jìn)行電鏡掃描分析，能譜型號為牛津的X-MAX-20 mm2，分析結(jié)果如圖4所示。相對于灰?guī)r，白云巖內(nèi)部孔隙較多，結(jié)構(gòu)排列較為松散，結(jié)構(gòu)面頗為發(fā)育，這也是白云巖的抗壓強度、抗拉強度低于灰?guī)r的重要原因。

圖4 SEM分析結(jié)果Fig.4 Results of SEM analysis

2.3 靜力學(xué)實驗分析

灰?guī)r及白云巖單軸壓縮實驗后，分別取3個典型試樣，做出其靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示，并分析其靜單軸壓縮下的破壞形式靜力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖5 灰?guī)r和白云巖的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變Fig.5 Static stress-strain of limestone and dolomite

表1 灰?guī)r及白云巖靜力學(xué)參數(shù)

此次實驗灰?guī)r和白云巖形狀尺寸、實驗條件以及加載方式均相同，灰?guī)r整體力學(xué)性能優(yōu)于白云巖。在靜單軸壓縮荷載作用下，灰?guī)r的破壞形式主要以剪切面破壞為主，白云巖的破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞并存，以劈裂破壞為主。同一類型的巖石基本表現(xiàn)為同種破壞模式，而灰?guī)r與白云巖的破壞模式卻表現(xiàn)出差異性，認(rèn)為主要原因是巖石內(nèi)部固體相物質(zhì)成分差異性及。

2.4 動力學(xué)實驗結(jié)果分析

2.4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為保證實驗數(shù)據(jù)的有效性，對分離式Hopkinson壓桿ALT100裝置進(jìn)行空沖實驗，入射桿與投射桿波阻抗相同，入射波幾乎全部轉(zhuǎn)化為透射波，有極少部分反射波。動態(tài)壓縮時灰?guī)r的透射電壓遠(yuǎn)大于白云巖，而反射電壓遠(yuǎn)小于白云巖，這與巖石材料的性質(zhì)如物質(zhì)成分、靜力學(xué)特性以及孔隙率等密不可分，由圖4可知，相比于灰?guī)r，白云巖內(nèi)部孔隙較多，結(jié)構(gòu)面更為發(fā)育，入射波在孔隙及結(jié)構(gòu)面中多次反射，形成較大反射波，同時入射波能量耗散，透射波較少。試驗沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，沖擊壓縮結(jié)果如表2所示。

圖6 灰?guī)r及白云巖動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變Fig.6 Dynamic stress-strain of limestone and dolomite

表2 試樣沖擊壓縮實驗結(jié)果

灰?guī)r在0.1、0.2、0.3 MPa的沖擊氣壓下抗壓強度分別是靜單軸抗壓強度的2.13、2.26、2.33倍，白云巖在0.1、0.2、0.3 MPa的沖擊氣壓下抗壓強度分別是是靜單軸抗壓強度的2.21、2.46、2.61倍，在動態(tài)沖擊過程中，其抗壓強度均得到了不同程度的提高。白云巖試件的平均應(yīng)變率普遍大于灰?guī)r，相應(yīng)的峰值應(yīng)變也大于灰?guī)r試件，而對應(yīng)的峰值應(yīng)力卻小于灰?guī)r，說明白云巖試件的變形性能大于灰?guī)r，可認(rèn)為灰?guī)r試件比白云巖有更高的抗沖擊壓縮強度和較低的變形性能，進(jìn)而表現(xiàn)出更顯著的動態(tài)脆性。

以0.2 MPa沖擊荷載作用下為例，分析灰?guī)r和白云巖沖擊破壞前應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖4個階段的變化過程。

1)壓密階段(A區(qū)域)：其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈下凹型，白云巖的壓密階段要長于灰?guī)r。這與試樣內(nèi)部密集的微孔隙以及微裂紋密切相關(guān)，試樣在高速沖擊荷載作用下，微孔隙迅速收縮，微裂紋逐漸閉合，較小的應(yīng)力即可讓試樣產(chǎn)生較大應(yīng)變。由SEM分析結(jié)果可知，白云巖內(nèi)部微孔隙及微裂紋明顯多于灰?guī)r，因此白云巖的壓密階段要長于灰?guī)r。

2)彈性變形階段(B區(qū)域)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈直線型，壓密階段后，微孔隙及微裂紋密基本閉合，試樣內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變呈線性變化，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈線性增大，動態(tài)彈性模量幾乎保持不變，此階段試樣應(yīng)變率效應(yīng)較弱。相較于灰?guī)r，白云巖彈性變形階段較短，表明白云巖保持彈性變形、約束塑性變形產(chǎn)生的能力較弱。

3)微裂紋演化階段(C區(qū)域)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈略上凸型，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加緩慢增長，此階段試樣內(nèi)部微裂紋逐漸擴展(擴展速度較慢)，伴隨新微裂紋產(chǎn)生，此時微裂紋之間還未相互貫通，試樣內(nèi)部逐漸產(chǎn)生塑性變形。白云巖微裂紋演化階段短于灰?guī)r，微裂紋的生長速度快于灰?guī)r，與白云巖的內(nèi)部微孔隙和裂紋明顯多于灰?guī)r相符合。

4)裂紋非穩(wěn)定擴展階段(D區(qū)域)：此階段灰?guī)r和白云巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈明顯上凸型，較小應(yīng)力即可使試樣產(chǎn)生較大塑性變形，此階段原有裂紋迅速擴展，并快速大量的形成新裂紋，微裂紋不斷聚集，最終形成宏觀裂紋，導(dǎo)致試樣貫穿破壞，此階段試樣所能承受的最大應(yīng)力即為試樣的動態(tài)抗拉強度。

2.4.2 應(yīng)變率效應(yīng)分析

對灰?guī)r及白云巖的動態(tài)抗壓強度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系進(jìn)行線性擬合，如圖7所示。

圖7 巖石動態(tài)抗壓強度和單位吸收能與應(yīng)變率關(guān)系Fig.7 Relationships between dynamic compressive strength, unit absorbed energy and strain rate of rock

灰?guī)r和白云巖的動態(tài)抗壓強度均隨應(yīng)變率的增大呈線性增加趨勢，這是因為隨著應(yīng)變率的增大，試樣本身需要更大的能量來驅(qū)使更多的微裂紋參與擴展貫通破壞，而高速沖擊荷載作用在一瞬間完成，試樣本身來不及積累大量的能量，因此只能提高自身的抗壓應(yīng)力來平衡外界的能量[17]，故試件的動態(tài)抗壓強度表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。

灰?guī)r對平均應(yīng)變率的相關(guān)性更加顯著，隨著平均應(yīng)變率的增加，灰?guī)r試件的動態(tài)抗壓強度增加幅度遠(yuǎn)大于白云巖，應(yīng)變率硬化效應(yīng)更加顯著。無論是微裂紋的擴展還是宏觀裂紋的貫通，從根本上來講，是因為原子之間的共價鍵、離子之間的離子鍵斷裂造成，灰?guī)r內(nèi)部含有較多的SiO2，破壞Si原子與O原子之間的共價鍵需要消耗大量能量，因此灰?guī)r具有顯著的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。

巖石試件的破壞過程也就是試件吸收能量造成裂紋擴展的過程，研究巖石試件在沖擊壓縮實驗過程中的能量吸收情況，有利于揭示巖石試件整體破壞的本質(zhì)特征。忽略壓桿與試件接觸面摩擦所產(chǎn)生的摩擦能，采用單位體積吸收能W′L(t)[10]來表示灰?guī)r及白云巖在不同應(yīng)變率下單位體積吸收能量的能力：

(1)

式中：E、A0和C分別為壓桿的彈性模量、橫截面積、縱波波速；V為巖石試樣的體積；εI、εR、εT分別為入射桿接受的入射、反射應(yīng)變信號以及透射桿接受的透射應(yīng)變信號。

灰?guī)r及白云巖單位體積吸收能與應(yīng)變率的關(guān)系如圖8所示。單位體積吸收能均隨應(yīng)變率的增大而顯著增加，表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率效應(yīng)，這是因為隨著應(yīng)變率的增加，巖石試件中產(chǎn)生更多的新裂紋，而產(chǎn)生新裂紋所需能量要比原有裂紋擴展所需能量多，因而試件吸收的能量就更多。在相同沖擊氣壓下，灰?guī)r單位體積吸收能分別是白云巖的2.68、1.63、1.53倍。說明沖擊荷載作用下，巖石固體相成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異性是導(dǎo)致試樣吸能、抗壓能力不同的重要原因。

2.4.3 沖擊壓縮破壞過程

灰?guī)r及白云巖在沖擊荷載作用下的破壞過程如圖8所示。

圖8 沖擊荷載作用下試樣破壞過程Fig.8 Failure process of specimens under impact load

灰?guī)r在沖擊荷載作用下試樣偏上部分首先沿軸向產(chǎn)生1條主裂紋，隨后主裂紋逐漸貫通，并產(chǎn)生第2條平行裂紋，隨著軸向荷載的作用，第2條平行裂紋逐漸貫通，并在兩條平行裂紋之間開始萌生環(huán)向裂紋，接著環(huán)向裂紋逐漸貫通兩條平行裂紋，同時在試樣偏下部分迅速產(chǎn)生多條軸向裂紋，試樣逐漸破壞，從裂紋產(chǎn)生至試樣完全破壞用時較長。

白云巖在沖擊荷載作用下，首先在入射桿與試樣交界面上產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，小范圍內(nèi)萌生了多條微裂紋，原因可能是試樣底面在此處稍有不平整或者入射桿底面殘有未完全清理干凈的巖石碎屑，隨后微裂紋迅速擴展，形成多條軸向貫通裂紋，并迅速導(dǎo)致試樣破壞，整個破壞過程用時較短。

3 結(jié)論

1)灰?guī)r固體相組成物質(zhì)中CaCO3及SiO2占比較大；而白云巖以CaCO3及MgCO3的絡(luò)合物CaMg(CO3)2為其主要物質(zhì)成分，且各項雜質(zhì)含量較多；相對于灰?guī)r，白云巖內(nèi)部孔隙較多，結(jié)構(gòu)排列較為松散，結(jié)構(gòu)面頗為發(fā)育。

2)靜荷載作用下灰?guī)r以剪切面破壞為主，白云巖的破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞并存，并以劈裂破壞為主；動態(tài)沖擊壓縮作用下灰?guī)r主要呈現(xiàn)軸向劈裂破壞，而白云巖主要呈壓碎破壞形式，破碎程度更為嚴(yán)重。

3)灰?guī)r和白云巖動態(tài)抗壓強度、單位體積吸收能均隨應(yīng)變率的增加顯著增大，且灰?guī)r的應(yīng)變率硬化效應(yīng)更加顯著，灰?guī)r單位體積吸收能分別是白云巖的2.68、1.63、1.53倍。