柳镕林， 曾亞武， 葉陽(yáng)， 孫翰卿， 劉洋

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 武漢 430000)

落石是山區(qū)地區(qū)常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性高、隨機(jī)性強(qiáng)特點(diǎn)，極大影響山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。對(duì)于落石災(zāi)害，防治核心工作之一是研究塊石的運(yùn)動(dòng)軌跡，而塊石沿邊坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中破碎現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，塊石破碎會(huì)影響塊石的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而影響防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[3-4]。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)塊石的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要深入開(kāi)展塊石碰撞破碎特征研究，而在復(fù)雜接觸條件下進(jìn)行塊石撞擊模擬則是準(zhǔn)確研究撞擊破碎特征的關(guān)鍵。

在沖擊試驗(yàn)方面，中外學(xué)者利用大理石系統(tǒng)開(kāi)展了巖石塊體碰撞試驗(yàn)[5-7]，詳細(xì)研究沖擊角度、沖擊速度、沖擊力等[8-13]主要因素對(duì)塊石損傷破碎的影響。大量有關(guān)落石沖擊角度的研究表明，落石大多發(fā)生在坡度角50°～90°的斜坡處，而且斜坡坡度越大，越有利于形成危巖的形成[8-9]。在實(shí)際工程中落石的撞擊速度通常大于7 m/s，小于25 m/s[9-12]，楊少軍等[13]建議試驗(yàn)時(shí)將落石沖擊最大速度規(guī)定為25 m/s左右。沖擊力方面，許澤鵬等[14]展開(kāi)室外中低速落石沖擊試驗(yàn)研究，揭示出落石最大沖擊力與速度之間符合冪函數(shù)關(guān)系。在試樣破碎度分析方面，Deniz[15]的研究介紹了t10指標(biāo)，即量篩篩析通過(guò)初始平均粒徑十分之一的碎片百分比，在粉碎、化工和礦物工程中被廣泛用于評(píng)價(jià)顆粒的破碎程度。Narayanan等[16]提出t10指標(biāo)與沖擊能量的關(guān)聯(lián)方程，以此分析特定條件下試樣沖擊時(shí)的粉碎能量。

在對(duì)塊石進(jìn)行沖擊試驗(yàn)探究裂紋擴(kuò)展及破壞過(guò)程時(shí)，分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)加載試驗(yàn)系統(tǒng)被廣泛使用[17-19]。范翔宇等[20]利用SHPB系統(tǒng)研究加載速率等因素對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展演化的影響；陳俊宇等[21]通過(guò)SHPB系統(tǒng)對(duì)砂巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)，并觀察試樣在微觀條件下的破壞模式。

綜上所述，針對(duì)塊石撞擊模擬分析破碎特征的研究已經(jīng)積累了一定成果，但相關(guān)研究主要局限于某種特定接觸模式下落石撞擊的沖擊模擬，并不能全面地分析塊石沖擊時(shí)的各種復(fù)雜接觸模式，而且選取SHPB系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究雖有涉及，但仍顯欠缺，值得開(kāi)展進(jìn)一步的研究和探討。

為此，現(xiàn)針對(duì)如沖擊角度、接觸面粗糙度、沖擊速度等主要影響因素，依托SHPB系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新型改進(jìn)，并對(duì)大理石球礫進(jìn)行撞擊模擬實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析相關(guān)因素對(duì)試樣破碎時(shí)臨界速度、破碎特征以及尺寸分布的影響，進(jìn)一步探究并分析大理石球礫撞擊破碎特征，以期為落石災(zāi)害防治提供思路。

1 試驗(yàn)與研究方法

1.1 試樣及墊塊制備

制備了一批直徑為40 mm的大理巖巖球和13種不同角度、粗糙度的鋼質(zhì)墊塊來(lái)開(kāi)展球礫碰撞破碎試驗(yàn)。所有大理巖巖球均由湖南耒陽(yáng)采石場(chǎng)中一塊約1.5 m3的大理巖巖塊加工而成，以保證巖球力學(xué)性能的一致性。制備巖球試樣前，首先將大理巖巖塊切割成邊長(zhǎng)約為50 mm的立方體。隨后，利用圓柱形磨床將立方體加工成直徑40 mm的大理巖巖球。最后，通過(guò)拋光機(jī)對(duì)大理巖球進(jìn)行拋光處理，以提高球體的加工精度。巖球加工完成后，為了減小缺陷(如節(jié)理)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，篩除了含有節(jié)理的大理巖球[22]。

圖1 試驗(yàn)所用大理巖球Fig.1 The marblespheres used in the experimental tests

其中大理石球的球度φ[22]計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：de為巖球的等效直徑；dl在球體三維方向中最長(zhǎng)的直徑；M為球體質(zhì)量；ρ為球體密度。使用精度為±0.01 g的電子秤和精度為±0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量球體質(zhì)量為(90.69±4.9) g，直徑為(40.12±0.56) mm。因此，試驗(yàn)所制備的巖球平均球度為0.983，精度較高，可以滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)中墊塊為Cr12MoV鋼材。鋼墊塊與大理巖球礫的基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。墊塊的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大理巖球礫，因此撞擊時(shí)接觸區(qū)不會(huì)發(fā)生塑性變形或碎裂[5]。

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)設(shè)置不同類型的墊塊來(lái)改變大理石球礫沖擊時(shí)的沖擊角度和接觸面粗糙度。沖擊角度θ為入射速度矢量與上半碰撞面之間的夾角[23]，均布尖齒角度為α，如圖2所示。所有墊塊表面均布尖齒，墊塊的沖擊角度θ及均布尖齒角度α如表2所示，其中10號(hào)墊塊均布尖齒高度為2 mm，其余所有墊塊均布尖齒高度均為1 mm。

表1 大理巖球礫和墊塊鋼基本性能力學(xué)參數(shù)[5]

圖2 沖擊角度θ及均布尖齒角度α示意圖Fig.2 Illustration of the impact angle θ and the serration tooth angle α

表2 各墊塊沖擊角度及均布尖齒角度表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

沖擊試驗(yàn)在武漢大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的分離式霍普金森桿加載試驗(yàn)系統(tǒng)(SHPB)上進(jìn)行。壓桿直徑為50 mm，入射桿長(zhǎng)為2 500 mm，動(dòng)彈性模量為250 GPa，密度為7 784 kg/m3，彈性波速度為5 667.2 m/s。試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射腔內(nèi)部放入圓杯形鋼套筒，鋼套筒內(nèi)徑50.34 mm，外徑62.38 mm，長(zhǎng)度為176.92 mm。鋼套筒外部涂抹碳粉，并壓實(shí)置于發(fā)射腔中。試驗(yàn)過(guò)程種，鋼套筒攜帶試樣撞擊在入射桿上。圖3為試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)時(shí)，在墊塊與入射桿撞擊面相接處適度涂抹抗磨鋰基脂薄層，并用墊塊環(huán)固定，放置攝影燈以及高速攝影機(jī)于距設(shè)備500～700 mm處，設(shè)置每秒傳輸幀數(shù)為17 500～22 500 幀[24]后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 改進(jìn)SHPB試驗(yàn)裝置示意圖[25]Fig.3 The advanced diagrammaticFigure of the SHPB test device[25]

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后，利用PFA軟件分析高速攝影機(jī)拍攝圖樣，分析試樣的速度以及撞擊破碎模式。根據(jù)Narayanan等[16]的研究，試樣破碎后通過(guò)平均尺寸的1/n的試樣碎片累積分?jǐn)?shù)與t10指標(biāo)有關(guān)，確定試樣破碎后t10指標(biāo)可以確定試樣破碎后的碎片的尺寸分布，而且t10指標(biāo)與試樣沖擊時(shí)的粉碎能量有關(guān)，因此將試樣碎樣通過(guò)4 mm量篩進(jìn)行篩分，來(lái)評(píng)估試樣的破碎程度。而分析撞擊破碎圖樣可知，隨速度增加，試樣撞擊時(shí)變形逐漸累積[26]，會(huì)經(jīng)歷4種典型裂紋發(fā)育階段，如圖4所示。

圖4 4種試樣撞擊典型破碎階段Fig.4 Four typical impact failure stages of specimens

如圖4所示，第1階段為無(wú)宏觀裂紋階段(non-macroscopic cracks)，試樣在撞擊后產(chǎn)生彈性形變回彈，并無(wú)宏觀縱貫裂紋；第2階段為赤道面裂紋階段(equatorial plane cracks)，試樣撞擊產(chǎn)生彈塑性變形，在試樣赤道面接觸變形邊界處產(chǎn)生拉伸應(yīng)力并引發(fā)縱貫裂紋[27]，試樣開(kāi)始破壞；第3階段為緯線裂紋階段(parallel cracks)，碰撞速度的增加導(dǎo)致了撞擊時(shí)接觸圓直徑的增加和錐狀區(qū)域的擴(kuò)大，彈塑性變形延伸到接觸面產(chǎn)生的環(huán)拉應(yīng)力發(fā)育出與赤道面平行的緯線裂紋并形成破碎細(xì)錐[27]；第4階段為次生裂紋階段(secondary cracks)，此時(shí)試樣在撞擊側(cè)失去了圓錐形或半橢球形的形狀，形成不平行于緯線裂紋，且大多垂直于緯線裂紋的次生裂紋，并沿著撞擊的方向傳播[27-28]，此時(shí)試樣裂紋充分發(fā)育，較高的沖擊速度使細(xì)錐膨脹，從而使試樣的剩余部分減小。

2.1 沖擊角度θ=90°、尖齒角度α=180°時(shí)球礫碰撞試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 臨界速度及破壞模式

表3所示為當(dāng)沖擊角θ=90°，尖齒角α=180°時(shí)，試樣在各沖擊破壞典型階段間臨界速度及沖擊力。試樣沖擊速度為5.76 m/s，沖擊力達(dá)到31.86 kN時(shí)出現(xiàn)縱貫裂紋，發(fā)生彈塑性形變進(jìn)而破壞；而后沖擊力每增加10～15 kN則轉(zhuǎn)換破壞模式。

圖5為當(dāng)沖擊角度θ=90°、尖齒角度α=180°時(shí)，墊塊傳遞的最大沖擊力F隨沖擊速度v的變化曲線，由圖5可知，F(xiàn)相對(duì)v呈冪函數(shù)正相關(guān)增大趨勢(shì)，其關(guān)系大體上接近于冪函數(shù)[14]，且隨著速度增大，沖擊力F相比速度的變化率逐漸降低。由圖5可知，曲線在速度為9 m/s處前后有較大的斜率差異，結(jié)合表3可知，原因在于此時(shí)試樣裂紋變化分別處于從赤道面裂紋階段到緯線裂紋階段的過(guò)程中，試樣破碎模式發(fā)生變化，試樣內(nèi)部空隙和破碎細(xì)錐數(shù)量增多，錐狀區(qū)域的擴(kuò)張，墊塊對(duì)于最大沖擊力的傳遞能力也因此而發(fā)生變化。

表3 θ=90°、α=180°時(shí)試樣在各沖擊破壞典型階段 所需臨界速度及沖擊力(齒高1 mm)Table 3 The required velocityand impact force of the sample at each impact failure typical stage node when θ=90° & α=180° (The tooth height is 1 mm)

圖5 θ=90°, α=180°時(shí)最大沖擊力-速度變化曲線圖Fig.5 The maximum-impact-force-velocity behavior when θ=90° & α=180°

2.1.2 碎片篩析結(jié)果

圖6為沖擊角度θ=90°、尖齒角度α=180°時(shí)，試樣沖擊后進(jìn)行4 mm粒徑篩析得出的t10指標(biāo)數(shù)值隨沖擊速度變化的曲線。

圖6 θ=90°，α=180°時(shí)t10指標(biāo)數(shù)值-速度變化曲線圖Fig.6 The t10-value-velocity behavior when θ=90°& α=180°

由圖6可知，θ=90°、α=180°時(shí)t10數(shù)值區(qū)間為[0，0.18]，t10指標(biāo)數(shù)值隨著速度增加而逐漸增大。當(dāng)試樣處于無(wú)宏觀裂紋階段時(shí)試樣破壞率較小，t10數(shù)值接近0；而處于赤道面裂紋和緯線裂紋階段時(shí)試樣開(kāi)始逐步破壞，由于環(huán)向拉力導(dǎo)致錐狀區(qū)域的擴(kuò)張和破壞率增加，t10數(shù)值接近0.055；次生裂紋階段試樣開(kāi)始發(fā)展出次生裂紋，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增加，沖擊時(shí)進(jìn)一步破壞，裂紋隨機(jī)發(fā)育，破壞率達(dá)到最大，t10數(shù)值達(dá)到0.18，裂紋擴(kuò)展隨機(jī)，試樣大部均破裂為8 mm左右的碎屑。

2.2 沖擊角度θ變化、尖齒角度α=180°時(shí)球礫碰撞試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 臨界速度及破壞模式

當(dāng)沖擊角度θ分別為80°、60°、45°，尖齒角度α=180°時(shí)，按照不同沖擊角度進(jìn)行沖擊試樣在各沖擊破壞典型階段間的臨界速度如表4所示。

表4 沖擊角θ變化、尖齒角度α=180°時(shí)試樣在 各沖擊破壞典型階段所需臨界速度(齒高均為1 mm)Table 4 The required velocity of the sample at each impact failure typical stage node when θ changes & α=180° (The tooth height is 1 mm)

由表4可知，沖擊角度θ越大，試樣在各沖擊破壞典型階段所需臨界速度越小，即速度一定時(shí)，試樣越容易破裂發(fā)育裂紋并進(jìn)入下一個(gè)破壞階段，但趨勢(shì)不明顯。而速度一定時(shí)，試樣在撞擊時(shí)沖擊力的法向分量隨著沖擊角度θ的減小而減小，而結(jié)合Ye等[29]的研究，此時(shí)沖擊力的法向分量主導(dǎo)破碎，因此沖擊角度越小，試樣越不易破碎發(fā)育裂紋。而由圖7分析試樣破壞圖樣可知，沖擊力切向分量使得試樣部分區(qū)域產(chǎn)生剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，并在特定區(qū)域內(nèi)延伸彈塑性變形，而法向分量較小時(shí)，相比正碰作用試樣較難發(fā)育出整體性赤道面裂紋等縱貫裂紋[1]，反而出現(xiàn)上半部分破碎，下半部分較完整的情況。

圖7 沖擊角度45°≤θ<90°時(shí)試樣破壞特征示意圖Fig.7 The failure characteristics of specimens when 45°≤θ<90°

而且沖擊角度θ分別為80°、60°、45°時(shí)，試樣在從無(wú)宏觀裂紋階段進(jìn)入赤道面裂紋階段所需速度分別為沖擊角度θ=90°時(shí)所需速度的1.661倍、1.665倍、1.681倍，這說(shuō)明沖擊角度45°≤θ<90°時(shí)試樣從無(wú)宏觀裂紋階段發(fā)育出第一條赤道面縱貫裂紋進(jìn)而破壞相比θ=90°具有較大的阻礙作用，而且分析表3及表4可知阻礙作用隨著沖擊角度θ的減小而增大，沖擊角度θ一定時(shí)隨著速度的增加而減小。

2.2.2 碎片篩析結(jié)果

圖8為沖擊角度θ分別為80°、60°、45°，尖齒角度α=180°時(shí)，試樣沖擊后進(jìn)行4 mm粒徑篩析得出的t10指標(biāo)數(shù)值隨沖擊速度變化的曲線，各墊塊的t10隨著速度增加而逐漸增大。由圖8可知保持α=180°不變，θ=80°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.157]；θ=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.134]；θ=45°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.107]，相比于θ=90°時(shí)破壞率均有所減小，說(shuō)明45°≤θ≤90°時(shí)試樣最終的破壞率隨著沖擊角度θ的減小而降低。

圖8 沖擊角度θ變化，尖齒角度α=180°時(shí) t10-速度變化曲線圖Fig.8 The t10-velocity behavior when θ changes & α=180°

由圖8可知，沖擊角度越大則t10相對(duì)速度的變化率越小，但一定速度下沖擊角度越大，試樣的破壞率越大，試樣越容易破碎，與上文分析結(jié)論一致。

2.3 沖擊角度θ=90°、尖齒角度α變化時(shí)球礫碰撞試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 臨界速度及破壞模式

表5為沖擊角度θ=90°，尖齒角度60°≤α≤120°時(shí)，試樣在各沖擊破壞典型階段所需臨界速度及沖擊力。結(jié)合表3可知，尖齒高度固定，尖齒角度60°≤α≤120°時(shí)，尖齒角度α越小，試樣在各沖擊破壞典型階段所需臨界速度越小，即速度一定時(shí)，試樣越容易破裂發(fā)育裂紋并進(jìn)入下一個(gè)破壞階段，但趨勢(shì)不明顯。尖齒角度α一定時(shí)，尖齒高度越小，試樣在各沖擊破壞典型階段所需臨界速度越小，即速度一定時(shí)，試樣越容易破裂發(fā)育裂紋或進(jìn)入下一個(gè)破壞階段。

齒高不變時(shí)，而且尖齒角度α分別為60°、90°、120°時(shí)，試樣在從無(wú)宏觀裂紋階段進(jìn)入赤道面裂紋階段所需速度分別為尖齒角度α=180°時(shí)所需速度的2.162倍、2.183倍、2.237倍，這說(shuō)明尖齒角度60°≤α≤120°時(shí)試樣從無(wú)宏觀裂紋階段發(fā)育出第一條赤道面縱貫裂紋進(jìn)而破壞相比α=180°具有較大的阻礙作用，而且綜合分析表5及表3可知阻礙作用隨著尖齒角度α的增大而增大，尖齒角度α一定時(shí)隨著速度的增加而減小。

由圖9分析試樣破壞圖樣可知，尖齒角度60°≤α≤120°時(shí)試樣撞擊到墊塊時(shí)內(nèi)部存在可以引發(fā)裂紋的環(huán)拉應(yīng)力，但是接觸面的尖齒增大表面摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生環(huán)箍效應(yīng)，限制接觸面破碎細(xì)錐膨脹擴(kuò)張和裂紋發(fā)育，增強(qiáng)了試樣的沖擊剛度[30]，因此α=180°試樣沖擊破碎時(shí)緯線裂紋互相平行，且與接觸平面垂直，而在60°≤α=≤120°試樣沖擊時(shí)緯線裂紋呈相交于接觸面的趨勢(shì)。

表5 沖擊角θ=90°，尖齒角度α變化時(shí)在各沖擊破壞典型階段所需臨界速度及沖擊力Table 5 The required velocity & impact force of the sample at each impact failure typical stage node when θ=90° & α changes

圖9 尖齒角度α=180°及60°≤α≤120°時(shí)試樣 破壞特征對(duì)比圖Fig.9 The comparison diagram of specimen failure characteristics when α=180° and 60°≤α≤120°

另外結(jié)合表5及表3可知，沖擊角度θ=90°、尖齒角α變化、齒高為1 mm時(shí)，試樣在各沖擊破壞典型階段所需的臨界沖擊力F滿足Fα=180°

圖10 θ=90°、齒高為1 mm、α變時(shí)墊塊最大 沖擊力-速度變化曲線圖Fig.10 The maximum-impact-force-velocity behavior when θ=90°, tooth height=1 mm & α changes

圖10為當(dāng)沖擊角度θ=90°，齒高為1 mm，尖齒角度α分別為60°、90°和120°時(shí)，墊塊傳遞的最大沖擊力F隨沖擊速度v的變化曲線，F(xiàn)與v呈冪函數(shù)正相關(guān)增大趨勢(shì)，其關(guān)系大體上接近于冪函數(shù)[14]。由圖10可知，墊塊尖齒齒高不變時(shí)，試樣能傳遞到墊塊的沖擊力相對(duì)于速度的變化率隨尖齒角度增大而減小，而且速度一定時(shí)，θ=90°，60°≤α≤120°時(shí)，α越大則墊塊傳遞的沖擊力越小。另外由圖10可知當(dāng)齒高為1 mm，沖擊速度v在7 m/s左右時(shí)，試樣裂紋發(fā)育處于無(wú)宏觀裂紋階段，尖齒角度α=90°與α=120°時(shí)墊塊對(duì)于沖擊力的傳遞能力相似，沖擊力均約為25 kN；當(dāng)齒高為1 mm，沖擊速度v在15m/s左右，試樣裂紋發(fā)育處于赤道面裂紋及緯線裂紋階段轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)，尖齒角度α=90°與α=60°時(shí)墊塊對(duì)于沖擊力的傳遞能力相似，沖擊力均約為58 kN。

圖11為當(dāng)沖擊角度θ=90°，尖齒角度α=90°，齒高變化時(shí)，墊塊傳遞的最大沖擊力F隨沖擊速度v的變化曲線，F(xiàn)與v呈冪函數(shù)正相關(guān)增大趨勢(shì)，其關(guān)系大體上接近于冪函數(shù)[14]。由圖11可知，當(dāng)沖擊角度和尖齒角度不變，試樣能傳遞到墊塊的沖擊力相對(duì)于速度的變化率隨尖齒高度增大而減小。而且速度一定、θ=90°、60°≤α≤120°時(shí)，尖齒高度越大則墊塊傳遞的沖擊力越小。

圖11 θ=90°、α=90°、齒高變化時(shí)墊塊最大 沖擊力-速度變化曲線圖Fig.11 The maximum-impact-force-velocity behavior when θ=90°, α=90° & the tooth height changes

2.3.2 碎片篩析結(jié)果

圖12為沖擊角度θ=90°、尖齒角度α變化時(shí)、試樣沖擊后進(jìn)行4 mm粒徑篩析得出的t10隨沖擊速度變化的曲線，各墊塊的t10隨著速度增加而逐漸增大。由圖可知保持θ=90°不變，α=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.14]；α=90°，齒高為1 mm時(shí)t10區(qū)間為[0，0.136]；α=90°時(shí)，齒高為2 mm時(shí)t10區(qū)間為[0，0.056]，α=120°時(shí)，t10區(qū)間為[0，0.08]，相比于α=180°時(shí)破壞率均有所減小，說(shuō)明60°≤α≤120°時(shí)試樣最終的破壞率隨著尖齒角度α的增加而降低，隨著尖齒高度的增加而降低。

圖12 沖擊角度θ=90°、尖齒角度α變化時(shí) t10-速度變化曲線圖Fig.12 The t10-velocity behavior when θ=90° & α changes

另外由圖12可知，接觸面尖齒齒高不變時(shí)，t10數(shù)值相對(duì)速度變化率絕對(duì)值隨尖齒角度增大而減??；而當(dāng)尖齒角度不變，t10相對(duì)速度變化率絕對(duì)值隨尖齒高度增大而減小。由2.3.1節(jié)可知，當(dāng)試樣沖擊速度為15 m/s左右時(shí)，尖齒角度α=90°與α=60°時(shí)墊塊對(duì)于沖擊力的傳遞能力相似，結(jié)合圖12可知，此時(shí)t10,α=90°

2.4 沖擊角度和尖齒角度的影響

2.4.1 臨界速度及破壞模式

表6和表7為沖擊角θ變化、尖齒角度α變化時(shí)，試樣在各沖擊破壞典型階段所需臨界速度。結(jié)合表3～表5可知，當(dāng)尖齒高度一致，速度一定時(shí)，沖擊角度θ與尖齒角度α對(duì)試樣發(fā)育裂紋或進(jìn)入下一個(gè)破壞階段的影響趨勢(shì)，與2.2節(jié)和2.3節(jié)結(jié)論一致，但相比2.2節(jié)及2.3節(jié)變化趨勢(shì)較為明顯。

由表6和表7可知，試樣開(kāi)始破壞發(fā)育赤道面裂紋時(shí)所需速度排序?yàn)関θ=90°,α=180°

表6 沖擊角度θ=60°，尖齒角度α變化時(shí)各沖擊破壞 典型階段間臨界速度(齒高均為1 mm)

表7 尖齒角度α=60°、沖擊角度θ變化時(shí)各沖擊 破壞典型階段間臨界速度(齒高均為1 mm)Table 7 The required velocity of the sample at each impact failure typical stage node when α=60° & θ changes (The tooth height is 1 mm)

2.4.2 碎片篩析結(jié)果

圖13為沖擊角度θ=60°，尖齒角度α變化時(shí)，試樣沖擊后進(jìn)行4 mm粒徑篩析得出的t10隨沖擊速度變化的曲線，各墊塊的t10隨著速度增加而逐漸增大。

圖13 沖擊角度θ=60°、尖齒角度α變化時(shí)t10- 速度變化曲線圖Fig.13 The t10-velocity behavior when θ=60° & α changes

由圖13可知，θ=60°、α=180°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.134]；θ=60°、α=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.069]；θ=60°、α=90°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.055]；θ=60°、α=120°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.038]，當(dāng)尖齒高度一致，速度一定時(shí)，尖齒角度α對(duì)試樣最終破壞率的影響與2.3節(jié)結(jié)論一致。另外當(dāng)接觸面尖齒齒高和沖擊角度θ不變時(shí)，t10相對(duì)速度變化率絕對(duì)值隨尖齒角度α的增大而越小，與2.3節(jié)結(jié)論一致。

圖14 尖齒角度α=60°，沖擊角度θ變化時(shí) t10-速度變化曲線圖Fig.14 The t10-velocity behavior when α=60° & θ changes

圖14為尖齒角度α=60°、沖擊角度θ變化時(shí)，試樣沖擊后進(jìn)行4 mm粒徑篩析得出的t10隨沖擊速度變化的曲線，各墊塊的t10隨著速度增加而逐漸增大。由圖14可知，θ=90°、α=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.14]；θ=80°、α=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.08]；θ=60°、α=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.069]；θ=45°、α=60°時(shí)t10區(qū)間為[0，0.039]，當(dāng)尖齒高度一致，速度一定時(shí)，沖擊角度θ對(duì)試樣最終破壞率的影響與2.2節(jié)結(jié)論一致。

3 結(jié)論

采用改進(jìn)的SHPB系統(tǒng)開(kāi)展了大理巖球碰撞試驗(yàn)，研究了沖擊角度、接觸面粗糙度、沖擊速度等主要影響因素對(duì)試樣破碎時(shí)臨界速度、沖擊力、破碎特征等方面的影響，得出如下結(jié)論。

(1)當(dāng)沖擊角度θ=90°，尖齒角度α=180°時(shí)，試樣沖擊速度為5.763 m/s，沖擊力達(dá)到31.86 kN時(shí)出現(xiàn)縱貫裂紋，發(fā)生彈塑性形變進(jìn)而破壞；而后沖擊力每增加10～15 kN則改變破壞模式。

(2)沖擊角度45°≤θ≤90°，尖齒角度α=180°，速度一定時(shí)，沖擊角度θ越大則試樣越容易破裂發(fā)育裂紋或進(jìn)入下一個(gè)破壞階段，試樣的破壞率隨著沖擊角度的增大而增大，試樣越容易破碎；沖擊角度45°≤θ<90°時(shí)試樣從無(wú)宏觀裂紋階段發(fā)育出第一條赤道面縱貫裂紋進(jìn)而破壞相比θ=90°具有較大的阻礙作用，且阻礙作用隨著沖擊角度θ的減小而增大，隨著速度的增加而減小。

(3)沖擊角度θ=90°，尖齒角度60°≤α≤120°，速度一定時(shí)，尖齒高度一定時(shí)，尖齒角度α越小，試樣越容易破壞，裂紋發(fā)育更完全，試樣最終的破壞率隨著尖齒角度α的增加而降低。尖齒角度α一定時(shí)，尖齒高度越小，試樣越容易破裂發(fā)育裂紋或進(jìn)入下一個(gè)破壞階段，試樣最終的破壞率隨著尖齒高度的增加而降低。尖齒高度一致時(shí)，尖齒角度60°≤α≤120°時(shí)試樣從無(wú)宏觀裂紋階段發(fā)育出第一條赤道面縱貫裂紋進(jìn)而破壞相比α=180°具有較大的阻礙作用，且阻礙作用隨著尖齒角度α的增大而增大，隨著速度的增加而減小。

(4)相同的沖擊力作用下，尖齒角度α=180°時(shí)最容易破壞，尖齒角度α=120°和尖齒角度α=60°次之，尖齒角度α=90°時(shí)最不容易破壞。而當(dāng)沖擊角度θ=90°，尖齒角度α=90°，齒高變化時(shí)，相同的沖擊力作用下，尖齒高度越高試樣越容易破壞。速度一定時(shí)，θ=90°，60°≤α≤120°時(shí)，尖齒角度越大則墊塊傳遞的沖擊力越小，尖齒高度越大則墊塊傳遞的沖擊力越小。

(5)改變尖齒角度60°≤α≤120°相比改變沖擊角度45°≤θ<90°更能阻礙試樣發(fā)育赤道面裂紋進(jìn)而破壞。