不同圍壓和軸壓下花崗類巖石的動力特性分析

王立新

（天津華北地質勘查局核工業(yè)247大隊 天津 300192）

1 前言

隨著我國工程建設的快速發(fā)展，在地下工程、國防工程（如隧道及巖坡的爆破開挖、核爆防護工程、高鐵列車荷載下的路基工程等）等重點基礎設施中涉及到許多沖擊荷載下巖石的動力破壞問題[1]。

巖石的動態(tài)力學性能是認識巖石介質中應力波傳播規(guī)律和巖石動載破壞機理的關鍵，是評價巖石結構在爆炸、地震等動荷載作用下穩(wěn)定性的重要參數(shù)，同時也是開展巖石材料和結構動荷載作用下的數(shù)值計算以及抗震抗爆結構工程設計的基礎，因此開展其動態(tài)力學性能的試驗研究具有重要的理論意義和軍事、民用價值[2]。

在研究工程中，利用分離式霍布金森壓桿（Sp?lit Hopkins on Pressure Bar，簡稱SHPB）試驗裝置進行巖石材料的動態(tài)力學性能研究，已被眾多學者視為一種有效、簡便的試驗研究方法[3]。

2 SHPB沖擊試驗

2.1 SHPB沖擊試驗材料

試驗巖樣采自甘肅北山地區(qū)某預選廠區(qū)，利用實驗室的試件加工設備，經(jīng)過鉆芯、切割、打磨3道工序，最終加工成圓柱形試件，直徑為50mm，高度為30mm，端面平行度控制在±0.05mm以內，表面平面度在±0.02mm以內，如圖1所示。

圖1 實驗室加工試樣

2.2 SHPB沖擊試驗系統(tǒng)

巖石動態(tài)沖擊試驗研究采用Φ50mm桿徑SHPB試驗裝置，入射桿、透射桿、吸收桿和沖頭均采用40Cr合金鋼，黏貼在入射桿和透射桿上的應變片型號為B120-2AA，數(shù)據(jù)采集為CS–1D超動態(tài)應變儀和DL-750示波器，數(shù)據(jù)處理采用基于VisualC++平臺自主開發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件CLRM，加載應力通過采用異形沖頭實現(xiàn)了半正弦應力波加載，裝置和測試記錄系統(tǒng)如圖2所示[4]。

圖2 Φ50mm桿徑SHPB試驗裝置及系統(tǒng)圖

2.3 SHPB試驗方案

對不同種類和批次的巖石，研究其動態(tài)抗拉強度以及不同圍壓、軸壓下的動態(tài)抗壓強度。根據(jù)巖石種類、制樣個數(shù)，制定試驗方案，針對每種不同的花崗類巖石首先進行室內的靜態(tài)試驗，比如縱波速度、密度、彈性模量等，然后再按照不同圍壓、軸壓以及沖擊壓力選取和制作巖石試樣，部分試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3 沖擊試驗結果分析

3.1 實測波形曲線

圖3-圖4給出了SHPB沖擊試驗中，分別進行不同條件的沖擊試驗，入射桿和透射桿上不同巖性巖體的典型實測波形曲線。

圖3 片麻巖梯度氣壓下動態(tài)劈裂實測波形曲線

圖4 花崗巖梯度氣壓下動態(tài)劈裂實測波形曲線

通過實測波形曲線可以看出，入射波的形狀比較穩(wěn)定，基本上近似為矩形，且在峰值處能夠持續(xù)一段時間，與一維彈性應力波理論結果一致；試件一般會產生“V”形的拉應變反射波，波谷的深淺能夠較好地反映破碎的嚴重程度，越深表示花崗巖試件破碎得越嚴重；透射波與入射波形較為一致，一般在到達極值之后很快就會沿一條近似的直線衰減。

3.2 應變率時程曲線

根據(jù)一般的傾向性看法，荷載狀態(tài)可按加載時的應變率大小進行分類，見表2。

表2 按應變率分級的荷載狀態(tài)

圖5-圖6給出了SHPB沖擊試驗中，分別進行不同條件的沖擊試驗，入射桿和透射桿上不同巖性巖體的典型實測應變率時程曲線。

圖5 片麻巖梯度氣壓下單軸沖擊應變率時程曲線

圖6花崗巖梯度氣壓下單軸沖擊應變率時程曲線

3.3 應力-應變曲線及破壞形態(tài)

圖7 ～圖8分別為不同沖擊條件下巖石的應力-應變曲線，從圖中可以看出，有圍壓與單軸曲線形狀相近，為半橢圓形，但有圍壓時試樣的強度偏大而破壞應變偏小。

圖7 片麻巖梯度氣壓下應力—應變曲線

圖8花崗巖梯度氣壓下應力—應變曲線

圖9 和圖10為動不同沖擊條件下試樣破壞后的形態(tài)，從照片中可以看出，由于有圍壓的約束，動三軸試驗中試樣破裂成若干塊；而動單軸試驗中，試樣破壞后的顆粒更小，粉碎更嚴重。動態(tài)劈裂試驗中，試樣破裂為兩部分。

從破碎程度看，隨著沖擊加載速度的增加，入射波攜帶的能量也就越多，相應的試件破碎吸收的能量也就越多，破碎就越劇烈，巖石破碎的顆粒尺寸也會越來越小，塊數(shù)越來越多；從破碎形式看，當沖擊荷載增加到超過破壞閾值時，試件的內部裂紋擴展程度加劇，呈現(xiàn)脆性斷裂破壞形態(tài)，破壞形式從塊狀到粉狀。

圖9 片麻巖低氣壓動態(tài)劈裂破壞形態(tài)

圖10 片麻巖高氣壓動態(tài)劈裂破壞形態(tài)

3.4 巖石動參數(shù)

根據(jù)試驗結果，得到各種巖石試樣平均應變率、動強度及破壞應變，由于篇幅限制，僅列出花崗質片麻巖的試驗結果，見表3。

表3 巖樣沖擊試驗試驗結果

從試驗結果可以看出，當應變率在90～100s-1時，花崗質片麻巖的動態(tài)抗拉強度約為36.4MPa；二長花崗巖的動態(tài)抗拉強度約為32.0MPa；花崗巖的動態(tài)抗拉強度約為43.0MPa。

花崗質片麻巖的動態(tài)單軸抗壓強度約211MPa，花崗質片麻巖在2.5MPa圍壓條件下，動態(tài)抗壓強度約235MPa；

花崗質片麻巖的動態(tài)單軸抗壓強度約131MPa，花崗質片麻巖在10MPa圍壓條件下，動態(tài)抗壓強度約154MPa；

二長花崗巖的動態(tài)單軸抗壓強度約172MPa，二長花崗巖在10MPa圍壓條件下，動態(tài)抗壓強度約230MPa；

根據(jù)摩爾庫倫強度準則，回歸分析上述試驗數(shù)據(jù)，得到各類巖石動參數(shù)，見表4。

表4 巖石的抗剪強度動參數(shù)匯總表

4 結論

從試驗結果可以看出，在圍壓的約束下，巖石的動態(tài)破壞強度明顯提高，隨著圍巖約束的提高越大，動態(tài)抗壓強度提高的幅度越大，如花崗質片麻巖在2.5MPa圍壓條件下，動態(tài)抗壓強度提高了約11%；在10MPa圍壓條件下，動態(tài)抗壓強度提高了約18%。二長花崗巖的動態(tài)單軸抗壓強度約172MPa，二長花崗巖在10MPa圍壓條件下，動態(tài)抗壓強度約230 MPa；提高了約34%。

但是應變率對抗拉強度的影響表現(xiàn)不明顯，如當應變率在90～100/s時，花崗片麻巖的動態(tài)抗拉強度約為36.4MPa；當應變率在50～60/s時花崗片麻巖的動態(tài)抗拉強度約為32.0MPa；應變率在90～100/s花崗巖的動態(tài)抗拉強度約為43.0MPa，當應變率在50～60/s時花崗巖的動態(tài)抗拉強度約為42.0MPa。

在花崗巖的沖擊試驗過程中，由于巖石材料固有的非均質性和試驗系統(tǒng)誤差，相同加載條件下，每個試件的真實應變率并不相同；當沖擊氣壓（即沖擊速度）較高（p=0.8、1.0MPa）時，應變率迅速變化，并且沖擊氣壓越大應變率變化越快，應變率在后期往往出現(xiàn)負值，說明此時巖石在卸載時具有一定的回彈特性；當沖擊氣壓較低（p=0.7MPa）時，巖石試件中的應變率變化比較平坦，部分花崗巖試件甚至在一定時間段出現(xiàn)了恒定的應變率平臺。

下階段的試驗過程，將結合工程勘察的進展，開展更大軸壓和圍壓的動態(tài)三軸試驗，同時將凝灰?guī)r和石英砂巖作為試驗對象，以便能夠更充分地了解各類巖石在不同圍壓和軸壓作用下的動態(tài)特征。