楊硯，劉連生,2，曾鵬,2，易文華，鐘抒亮，柴耀光，陶鐵軍,3

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州，341000；2.江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州，341000；3.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州貴陽，550025)

天然的巖體常含有一定厚度的泥質(zhì)、砂、破碎帶等填充物，這些填充物的低強(qiáng)度和易變形特性會(huì)改變巖體整體強(qiáng)度，增加巖體的不穩(wěn)定性。在巖土工程常見的機(jī)械沖擊、工程爆破等強(qiáng)動(dòng)力擾動(dòng)下，含結(jié)構(gòu)面巖體的變形表現(xiàn)得更為劇烈，破壞模式更加復(fù)雜[1?2]。因此，研究含結(jié)構(gòu)面巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性與破壞規(guī)律對于巖土工程安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對含結(jié)構(gòu)面巖體的動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)展開大量的研究。在室內(nèi)試驗(yàn)中，一般采用分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3]對非充填型和充填型結(jié)構(gòu)面試件進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)。非充填型結(jié)構(gòu)面是巖塊之間接觸緊密，通常采用拼接兩塊刻有一定凹槽的巖石試樣，或澆筑含一定縫隙的類巖石試樣，或者采用3D打印具有一定粗糙度界面的方式來表征[4]。對于非充填型結(jié)構(gòu)面試件的研究，LI等[5]對不同傾角節(jié)理面的紅砂巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究了含節(jié)理面巖石的應(yīng)力波傳播規(guī)律和破裂演化規(guī)律。由于天然結(jié)構(gòu)面試樣采集與制備較為困難且精度難以控制，而類巖石材料具有制作簡單、更容易對含結(jié)構(gòu)面試件進(jìn)行單因素對比分析等優(yōu)點(diǎn)[6]，目前的研究大多采用水泥砂漿與石膏等類巖石材料展開模擬試驗(yàn)[7?10]。LI等[11]對類巖石材料進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)節(jié)理粗糙度對波能衰減有明顯的影響；SHU 等[12]對含不同角度的節(jié)理面相似模擬材料試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得到了節(jié)理角度和加載速度對動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、破壞模式的影響規(guī)律；王建國等[13]用水泥砂漿材料制作含不同傾角的節(jié)理面巖石試件，并借助SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)研究了節(jié)理傾角對巖石的波動(dòng)特性和能量傳遞的影響。對于充填型結(jié)構(gòu)面試件的研究，一般以石膏、水泥砂漿等作為充填?yuàn)A層，與加工后的巖石或者其他類巖石材料形成貫通和半貫通結(jié)構(gòu)面試件。HAN 等[14]分析了含不同厚度貫通結(jié)構(gòu)面對巖石能量傳遞效率等的影響，并用高速攝影儀觀察含有水泥砂漿的紅砂巖在沖擊作用下裂紋擴(kuò)展過程；WANG 等[15]對含貫通結(jié)構(gòu)面的紅砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面傾角對其破壞模式影響很大；趙國彥等[16]研究了半貫通結(jié)構(gòu)面對于巖石動(dòng)力破壞特性的影響；LI 等[17]使用改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)研究了貫通結(jié)構(gòu)面厚度和含水量對巖體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線的影響；柴少波等[4,18]得到了不同充填材料、不同厚度結(jié)構(gòu)面對沖擊荷載下巖石的變形和損傷演化規(guī)律的影響；LI等[19]利對半貫通結(jié)構(gòu)面巖樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分析了不同結(jié)構(gòu)面角度對巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

綜上所述，目前的研究結(jié)果已充分表明外露結(jié)構(gòu)面對巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)與破壞模式有著重要的影響。而大自然中依然存在許多結(jié)構(gòu)面以不同的產(chǎn)狀隱伏于巖體內(nèi)部，對地下安全生產(chǎn)存在潛在的威脅。在地震或工程爆破的強(qiáng)力擾動(dòng)下，為確保巖體的穩(wěn)定和更好地進(jìn)行地下安全施工設(shè)計(jì)，含隱伏結(jié)構(gòu)面巖體的動(dòng)力特性以及破壞規(guī)律亟待研究。

本文作者使用相似模擬材料制備含不同傾角隱伏結(jié)構(gòu)面試件，利用改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過單次破壞沖擊和循環(huán)沖擊試驗(yàn)，分析隱伏結(jié)構(gòu)面傾角對巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和破壞規(guī)律的影響，為地下工程中的設(shè)計(jì)施工及安全防護(hù)提供一定的理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試件制作

試驗(yàn)采用的水泥砂漿由水泥、砂子和水按質(zhì)量比為1.00:2.00:0.45 攪拌而成，能較好模擬脆性巖石[13,20?21]，結(jié)構(gòu)面填充物由相同厚度及不同大小的石膏制作而成，以不同角度隱伏嵌于巖體內(nèi)部，外表相對無結(jié)構(gòu)面試件沒有明顯異樣，如圖1所示。圖1中，θ為結(jié)構(gòu)面傾角，S1為石膏填充物上表面面積，S2為結(jié)構(gòu)面所在平面與試件相交所圍成的面積，γ為結(jié)構(gòu)面連通度，γ=S1/S2。

石膏填充物制作流程如圖2所示：①石膏和水按質(zhì)量比為1.0:2.2 混合，攪拌均勻；②將一定質(zhì)量的混合溶液倒入模具中；③待凝固后將石膏片取出；④按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)修剪成不同規(guī)格的石膏橢圓片。

圖2 石膏填充物制作流程Fig.2 Gypsum filler production process

含隱伏結(jié)構(gòu)面試件制作步驟如圖3所示(其中Φ為直徑)：①水泥、砂子和水按質(zhì)量比為1.00:2.00:0.45 配制水泥砂漿，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的消泡劑充分?jǐn)嚢?；②將水泥砂漿充分填滿直徑×長度為50 mm×25 mm 的模具；③使用角度支架等工具將制作好的石膏片以一定角度插入水泥砂漿中央；④水泥砂漿繼續(xù)澆填至埋沒過石膏片；⑤將直徑×長度為50 mm×25 mm的模具取出，快速套入直徑×長度為50 mm×50 mm 模具；⑥使用水泥砂漿澆填，同時(shí)用玻璃棒等工具小心并且充分夯實(shí)，直至充滿整個(gè)模具；⑦待24 h 后進(jìn)行脫模處理，為防止其水分蒸發(fā)流失造成表面孔洞增加，試件外部包裹上一層保鮮膜放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)；⑧待30 d 后試件達(dá)到一定強(qiáng)度，對其用雙端面磨石機(jī)進(jìn)行打磨，保證試件不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。

圖3 含不同傾角隱伏結(jié)面試件制作流程Fig.3 Production process of specimen with concealed structural surfaces at different dip angles

石膏填充物厚度相同(厚度d=5 mm)、連通度都為定值(γ=40%)。γ相同的意義是當(dāng)試件用SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載時(shí)，應(yīng)力波透過不同傾角石膏填充物的面積相等。結(jié)構(gòu)面傾角θ分別為0°，15°，30°和45°，試件內(nèi)部的橢圓石膏填充物短軸b為15.8 mm，其長軸分別為15.8，16.4，18.2和22.4 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

本文采用SHPB 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對試件進(jìn)行一維加載，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。該裝置的沖頭為紡錘形，沖頭和桿件的材質(zhì)均為40 Cr合金鋼，密度為7 810 kg/m3，縱波速度為5 400 m/s，彈性模量為240 GPa，波阻抗為42 TPa/s；桿件直徑為50 mm，入射桿、透射桿和吸收桿長度分別為2.0，1.5 和0.5 m。

圖4 SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic view of SHPB experimental system

試驗(yàn)的沖擊方案如表1所示。將試驗(yàn)試樣分為A～E，共5組，其中A組為完整試件，分別進(jìn)行不同加載速度的單次沖擊，與含結(jié)構(gòu)面試件形成對照；B，C，D和E每組都含0°，15°，30°和45°結(jié)構(gòu)面試件，其中B，C和D組為不同速度的單次沖擊，沖擊速度分別近似為4.5，5.5和6.5 m/s；E組為循環(huán)沖擊組，經(jīng)過多次試沖，近似為3.7 m/s 的速度進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，直至試件完全破裂。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要通過調(diào)節(jié)氣壓和紡錘形沖頭在發(fā)射腔中的位置來控制沖擊速度，根據(jù)一維應(yīng)力波理論和應(yīng)力平衡假設(shè)，采用三波法[22]計(jì)算試樣應(yīng)變?chǔ)?t)、應(yīng)變率和應(yīng)力σ(t)，如下式所示。

表1 沖擊方案Table 1 Impact plan

式中：As和ls分別為試樣的橫截面積和長度；A和E分別為壓桿的橫截面積和彈性模量；c為壓桿縱波波速；εI(t)，εR(t)和εT(t)分別為入射應(yīng)變信號、反射應(yīng)變信號和透射應(yīng)變信號。

試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)對試件動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行檢測，試件A-5在沖擊速度為8.8 m/s的應(yīng)力平衡圖如圖5所示，其中，σIn，σRe和σTr分別為入射應(yīng)力、反射應(yīng)力和透射應(yīng)力。

圖5 試樣A-5動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡檢驗(yàn)Fig.5 Sample A-5 dynamic stress balance test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單次沖擊載荷下試件動(dòng)力學(xué)特性

2.1.1 強(qiáng)度和變形特性

單次沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可知：完整試件和含不同傾角結(jié)構(gòu)面試件的峰值應(yīng)力、平均應(yīng)變率均隨著沖擊速度增加而增大，這是入射能增大導(dǎo)致的結(jié)果[23]。傾角為45°結(jié)構(gòu)面試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著沖擊速度增加變化相對不明顯，這是因?yàn)楫?dāng)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)面角度較大時(shí)，作用于該結(jié)構(gòu)面的切向應(yīng)力更易克服摩擦力和黏聚力而發(fā)生剪切變形，主要通過增大應(yīng)變的方式來抵消外部能量。

表2 單次沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Single impact test results

在同等速度沖擊下，完整試件的峰值應(yīng)力最大，平均應(yīng)變率、峰值應(yīng)變最??；隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，試件的峰值應(yīng)力逐漸減小，平均應(yīng)變率逐漸增加，峰值應(yīng)變出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。主要原因是結(jié)構(gòu)面傾角較小，試件主要以受拉破壞為主；隨著結(jié)構(gòu)面傾角增加，含結(jié)構(gòu)面試件抵抗剪切變形能力逐漸下降，破壞形式逐漸由張拉破壞逐漸轉(zhuǎn)化為壓剪破壞。

2.1.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖6(a)所示為完整試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線。圖6(b)，(c)和(d)所示分別為含不同傾角的結(jié)構(gòu)面試件在4.5，5.5和6.5 m/s沖擊速度下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由圖6可知：采用相似材料制作的完整試件與天然巖石試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線相似，可分為3 個(gè)階段[24]；而含結(jié)構(gòu)面試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線的裂紋擴(kuò)展階段出現(xiàn)明顯的“應(yīng)力雙峰”現(xiàn)象，根據(jù)其變形特性，應(yīng)力?應(yīng)變曲線大致可以分4 個(gè)階段，分別為彈性階段、裂紋擴(kuò)展Ⅰ階段、裂紋擴(kuò)展Ⅱ階段和卸載階段；在應(yīng)變率較高的情況下，存在壓密階段但不明顯。由于試件內(nèi)填充物強(qiáng)度低、易變形，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)第一個(gè)峰值點(diǎn)時(shí)，填充物壓縮破壞伴隨著試件部分裂紋擴(kuò)展，試件內(nèi)部坍塌，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象；隨著應(yīng)變增加，試件內(nèi)部繼續(xù)壓密，從而再次達(dá)到一個(gè)相對平衡狀態(tài)進(jìn)入裂紋擴(kuò)展Ⅱ階段，直到應(yīng)力到達(dá)第二個(gè)峰值點(diǎn)進(jìn)入卸載階段；應(yīng)力?應(yīng)變曲線的卸載階段有2 種表現(xiàn)形式，分別為應(yīng)變持續(xù)增大和應(yīng)變先增大后減??；卸載階段出現(xiàn)應(yīng)變回彈是因?yàn)樵嚰诩虞d過程中并未完全發(fā)生破壞，試件內(nèi)彈性應(yīng)變能釋放造成應(yīng)變減小。由圖6(b)，(c)和(d)可知：隨著沖擊速度增加，試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線第一個(gè)峰值點(diǎn)的應(yīng)力逐漸增加，而結(jié)構(gòu)面傾角為45°試件隨沖擊速度增加，峰值應(yīng)力變化幅度不大；當(dāng)沖擊速度為6.5 m/s，試件D45 在應(yīng)力?應(yīng)變曲線第一個(gè)峰值點(diǎn)時(shí)，已經(jīng)是其極限承載能力，故其應(yīng)力?應(yīng)變曲線只出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力波峰。

圖6 單次沖擊下完整試件與含隱伏結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.6 Stress?strain curves of complete specimens and specimens with concealed structural surfaces under single impact

2.1.3 破壞模式

試件的破壞形態(tài)如圖7所示。從圖7可知：沖擊速度和結(jié)構(gòu)面傾角都能對試件的破壞形式有很大的影響。隨著沖擊速度和結(jié)構(gòu)面傾角增加，試件破壞越來越嚴(yán)重；與完整試件相比較，含結(jié)構(gòu)面試件在受到?jīng)_擊后除了產(chǎn)生張拉裂紋之外，還出現(xiàn)了剪切裂紋，表現(xiàn)為拉剪復(fù)合破壞。隨著試件隱伏結(jié)構(gòu)面傾角增大，在沖擊荷載下也越容易出現(xiàn)剪切裂紋；0°，15°和30°結(jié)構(gòu)面試件的剪切裂紋表現(xiàn)為與張拉裂紋垂直，結(jié)構(gòu)面傾角越大，剪切裂紋出現(xiàn)的位置越靠近試件兩端，含45°結(jié)構(gòu)面試件破壞裂紋傾角與結(jié)構(gòu)面傾角相近。主要原因是隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，作用于結(jié)構(gòu)面的切向應(yīng)力增大且填充物頂端越靠近試件兩端，沖擊載荷作用下在填充物端部附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，試件上部分向下凹陷壓密，裂紋由內(nèi)向外延伸擴(kuò)展形成剪切裂紋。

圖7 單次沖擊下完整試件與含隱伏結(jié)構(gòu)面試件破壞模式Fig.7 Failure modes of complete specimens and specimens with concealed structural surfaces under single impact

2.2 循環(huán)沖擊下含結(jié)構(gòu)面試件動(dòng)力學(xué)特性

2.2.1 強(qiáng)度和變形特性

循環(huán)沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可知：在等速循環(huán)沖擊作用下，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增加，試件到達(dá)破壞所需沖擊次數(shù)逐漸減小。首次循環(huán)沖擊的峰值應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面傾角呈負(fù)相關(guān)，應(yīng)變與結(jié)構(gòu)面傾角呈正相關(guān)，與單次沖擊的試驗(yàn)結(jié)果一致。隨沖擊次數(shù)增加，試件的峰值抗壓強(qiáng)度逐漸減小，應(yīng)變率逐漸增大。主要原因是每次沖擊都會(huì)對試件造成不同程度的損傷，隨著沖擊次數(shù)增加，試件內(nèi)部損傷積累，內(nèi)部微裂紋逐漸演化擴(kuò)展，導(dǎo)致試件宏觀力學(xué)性能下降。應(yīng)變率是應(yīng)變對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，對于未完全發(fā)生宏觀破壞的試件，其沖擊作用時(shí)間一定，故應(yīng)變率增加[25]。

表3 等速循環(huán)沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of constant velocity cyclic impact test

2.2.2 循環(huán)沖擊下試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線

循環(huán)沖擊下含不同傾角隱伏結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖8所示。從圖8可知：隨著沖擊次數(shù)的增加，所有試件的彈性模量逐漸減小，表明試件內(nèi)部損傷累積，抵抗變形能力下降。含結(jié)構(gòu)面試件在循環(huán)沖擊下應(yīng)力?應(yīng)變曲線的裂紋擴(kuò)展階段并沒有出現(xiàn)單次破壞沖擊下的應(yīng)力“雙峰”現(xiàn)象，但隨著沖擊次數(shù)增加，裂紋擴(kuò)展階段的應(yīng)力?應(yīng)變曲線有逐漸下凹的趨勢。這是因?yàn)檠h(huán)沖擊速度相對較小，每次沖擊試件損傷較小，低入射能情況下還不足以讓試件內(nèi)部壓剪坍塌而出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，而每一次沖擊都伴隨著損傷累積，導(dǎo)致應(yīng)力?應(yīng)變曲線有下凹的趨勢。

圖8 循環(huán)沖擊下含不同傾角隱伏結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.8 Stress?strain curves of specimen with concealed structural surfaces at different dip angles under cyclic impact

2.2.3 破裂形態(tài)演化

圖9所示為含不同傾角隱伏結(jié)構(gòu)面試件在循環(huán)沖擊下的裂紋演化圖。循環(huán)沖擊時(shí)，完整試件經(jīng)過數(shù)十次沖擊之后與沖擊之前相比無任何異樣，B0試件的前3次沖擊、B15和B30試件的前2次沖擊后均未出現(xiàn)明顯的裂紋。由圖9可知：隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，在同等次數(shù)的沖擊下更易先產(chǎn)生裂紋。與單次沖擊相似，試件破壞過程中除了形成張拉裂紋之外，還出現(xiàn)垂直于張拉裂紋的剪切裂紋。在循環(huán)沖擊下含結(jié)構(gòu)面試件的宏觀裂紋演化過程為：張拉裂紋萌生—張拉裂紋發(fā)育擴(kuò)展—剪切裂紋形成—裂紋相互貫通破壞；主要是由于結(jié)構(gòu)面填充物大致把試件分為左右兩部分，試件更容易發(fā)生張拉破壞，先出現(xiàn)平行于軸向的張拉裂紋。從最終破壞形態(tài)看，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°和15°時(shí)，試件主要是張拉裂紋擴(kuò)展，剪切裂紋發(fā)育較小；而當(dāng)試件內(nèi)結(jié)構(gòu)面傾角為30°和45°時(shí)，破壞時(shí)的張拉裂紋和剪切裂紋寬度相近，且試件B45破壞裂紋在外表面以近似結(jié)構(gòu)面角度擴(kuò)展，說明當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為30°和45°時(shí)，循環(huán)沖擊下試件的最終破壞形式是張拉裂紋和壓剪裂紋共同發(fā)育所致，45°結(jié)構(gòu)面試件受壓剪作用更明顯。

圖9 循環(huán)沖擊下含不同傾角隱伏結(jié)構(gòu)面試件裂紋演化Fig.9 Crack evolution of specimen with concealed structural surfaces at different dip angles under cyclic impact

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力?應(yīng)變曲線出現(xiàn)的“應(yīng)力雙峰”現(xiàn)象

含隱伏結(jié)構(gòu)面試件在破壞沖擊下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線出現(xiàn)“應(yīng)力雙峰”現(xiàn)象，圖10和圖11所示分別為完整試件A-5 和試件B0 的動(dòng)態(tài)應(yīng)力?應(yīng)變曲線?？梢?，完整試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線大致可以分為3 個(gè)階段；而含結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線可以分為彈性階段(OH)、裂紋擴(kuò)展Ⅰ階段(HJ)、裂紋擴(kuò)展Ⅱ階段(JK)和卸載階段(KL)。應(yīng)力?應(yīng)變曲線OH段試件受力分析如圖12(a)所示。從圖12(a)可知：當(dāng)試件壓縮時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)面填充物強(qiáng)度低、易發(fā)生變形，但由于填充物周圍巖石基體的存在，對試件整體支撐作用，具有一定的抵抗變形能力。在OH段，表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性增大。HI段試件發(fā)生塑性變形，內(nèi)孔隙壓縮，微裂紋擴(kuò)展。試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線IJ段受力分析如圖12(b)所示。從圖12(b)可知：當(dāng)應(yīng)力?應(yīng)變曲線到達(dá)I點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)面填充物周圍巖壁支撐達(dá)到極限，試件內(nèi)部坍塌，出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象；隨著形變增加，試件再次壓密。到達(dá)應(yīng)力?應(yīng)變曲線J點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力重新達(dá)到一個(gè)相對平衡狀態(tài)，進(jìn)入裂紋擴(kuò)展第Ⅱ階段，試件拉伸裂紋和壓剪裂紋萌生擴(kuò)展，相互貫通。

圖10 完整試件破壞沖擊應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.10 Failure impact stress?strain curve of complete specimen

圖11 試件B0的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.11 Stress?strain curve phase diagram of specimen B0

圖12 含隱伏結(jié)構(gòu)面試件受力分析Fig.12 Stress analysis of specimen with concealed structural surfaces

3.2 含隱伏結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng)分析

巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面可分為貫通結(jié)構(gòu)面、半貫通結(jié)構(gòu)面和非貫通(隱伏)結(jié)構(gòu)面。下面結(jié)合含結(jié)構(gòu)面巖體相關(guān)理論[26?27]，對含隱伏結(jié)構(gòu)面試件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行理論驗(yàn)證。按照含貫通結(jié)構(gòu)面巖體力學(xué)效應(yīng)分析，貫通充填結(jié)構(gòu)面巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度表達(dá)式為

式中：φ為結(jié)構(gòu)面巖體的內(nèi)摩擦角；C為膠結(jié)面上的黏聚力；α=90°-θ。

含隱伏結(jié)構(gòu)面試件可作為PART1 與PART2 的組合體，PART1 為含貫通結(jié)構(gòu)面巖體，PART2 為周圍完整巖體，如圖13所示。含非貫通結(jié)構(gòu)面巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度σdc表達(dá)式為

圖13 隱伏結(jié)構(gòu)面試件組合模型Fig.13 Composite model of specimen with concealed structural surfaces

式中：σ為完整試樣的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度；S為試樣受動(dòng)載荷作用的有效面積；p為巖體發(fā)揮抵抗作用的面積；q為結(jié)構(gòu)面發(fā)揮抵抗作用面積。

當(dāng)試件內(nèi)結(jié)構(gòu)面連通度一定時(shí)，不同傾角結(jié)構(gòu)面試件的p，q和S為定值，在式(2)中σs為關(guān)于θ的遞減函數(shù)，因此，含結(jié)構(gòu)面試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)面傾角增大而減小。

3.3 剪切裂紋的形成

在SHPB沖擊過程中，試件在結(jié)構(gòu)面處除了受到垂直于結(jié)構(gòu)面的正應(yīng)力外，還受到沿結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力作用，使得試件有沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞的趨勢。在半貫通?非充填型結(jié)構(gòu)面試件中當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較小時(shí)，作用于結(jié)構(gòu)面表面的切向應(yīng)力不足以克服正應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，因而在結(jié)構(gòu)面表面的有效滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)力為零，巖體主要產(chǎn)生張拉破壞及微孔洞裂紋擴(kuò)展[28]；而對于含0°隱伏結(jié)構(gòu)面試件而言，破壞時(shí)所受剪切作用相對較明顯，這是因?yàn)樵嚰?nèi)部存在結(jié)構(gòu)面填充物，壓縮時(shí)試件內(nèi)部容易受到壓剪作用，由內(nèi)向外擴(kuò)展形成剪切裂紋。圖14所示為含不同角度結(jié)構(gòu)面試件的破壞情況。從圖14可知：與拉伸裂紋垂直的剪切裂紋隨著結(jié)構(gòu)面傾角增加逐漸向試件的端部靠近，結(jié)構(gòu)面傾角為45°的試件沿一定傾角發(fā)生剪切破壞。

圖14 含不同傾角結(jié)構(gòu)面試件破壞特征Fig.14 Failure characteristics of specimens with structural surfaces at different dip angles

含隱伏結(jié)構(gòu)面試件受力破壞模型如圖15所示。從圖15可知：含結(jié)構(gòu)面試件的剪切裂紋總是由M或N點(diǎn)向外擴(kuò)展而形成的，主要原因是在填充物的尖端M和N兩點(diǎn)處受到壓剪作用較大且距離試件邊緣最近，更容易克服巖石之間的黏聚力而形成裂紋。在相同沖擊載荷下，結(jié)構(gòu)面傾角越大，沿結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力越大，試件更容易發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，但該裂紋傾角不一定與結(jié)構(gòu)面傾角相同，和結(jié)構(gòu)面的厚度有一定關(guān)系，如式(4)所示，這也是含45°結(jié)構(gòu)面試件出現(xiàn)的剪切裂紋角度小于結(jié)構(gòu)面傾角的原因。

圖15 含結(jié)構(gòu)面試件受力破壞模型Fig.15 Failure model of specimen with structural surface

式中：θ1為沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的剪切裂紋傾角；d和a分別為橢圓填充物厚度和長軸。

4 結(jié)論

1)在單次破壞沖擊下，隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，試件的峰值應(yīng)力逐漸減小，平均應(yīng)變率逐漸增加，而峰值應(yīng)變出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在循環(huán)沖擊下，累計(jì)沖擊總次數(shù)隨結(jié)構(gòu)面傾角增大而減少，峰值應(yīng)力、彈性模量與沖擊次數(shù)分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。

2)在單次破壞沖擊下，含結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線的裂紋擴(kuò)展階段出現(xiàn)明顯應(yīng)力“雙峰”現(xiàn)象；在循環(huán)沖擊下，試件應(yīng)力?應(yīng)變曲線并沒有出現(xiàn)單次破壞沖擊下的應(yīng)力“雙峰”，但隨著沖擊次數(shù)增加，應(yīng)力?應(yīng)變曲線的裂紋擴(kuò)展階段有逐漸下凹的趨勢。

3)含隱伏結(jié)構(gòu)面試件破壞除了產(chǎn)生張拉裂紋之外，還出現(xiàn)了與張拉裂紋垂直的剪切裂紋，試件破壞宏觀裂紋演化過程為：張拉裂紋萌生—張拉裂紋發(fā)育擴(kuò)展—剪切裂紋形成—裂紋相互貫通破壞；隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，剪切裂紋更易出現(xiàn)，且剪切裂紋出現(xiàn)的位置逐漸向試件端面靠近。