不同傾角裂隙混凝土試件動態(tài)力學(xué)破壞特性試驗(yàn)研究

武 旭, 方 慧, 潘繼良, 席 迅, 孫景來, 張英才

(1.北京市市政工程研究院,北京 100037;2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;3.北京住總基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 101200)

隨著地鐵運(yùn)營年限的增加,列車荷載的長期反復(fù)作用下,列車誘發(fā)的環(huán)境振動效應(yīng)不斷增大,給周圍結(jié)構(gòu)和環(huán)境帶來了嚴(yán)重的安全隱患[1-3]。受開挖施工和外力作用的影響,隧道襯砌已經(jīng)形成了大量的既有裂縫[4-5],以北京地鐵為例,多條地鐵線路運(yùn)行已超過10年,結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果顯示,襯砌裂縫占總病害比例高達(dá)90%,已經(jīng)成為地鐵隧道安全的最主要隱患[6-8]。隧道襯砌既有裂縫在外荷載的作用下極易引起裂紋的起裂、擴(kuò)展和貫通,嚴(yán)重影響隧道空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[9]。地鐵運(yùn)行引發(fā)的周期性振動載荷能夠?qū)е录扔辛芽p開裂并持續(xù)擴(kuò)展,進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此,襯砌既有裂縫的振動開裂及其誘發(fā)的次生病害是影響地鐵安全運(yùn)行的主要原因[10-12]。

為了研究巖體節(jié)理參數(shù)(節(jié)理間距和節(jié)理傾角等)對巖石破壞效果的影響,劉婷婷等[13]研究了縱波以任一角度入射一組非線性平行節(jié)理的能量傳遞規(guī)律;鄒飛等[14]在模擬材料中預(yù)置不同角度的節(jié)理,利用單軸壓縮試驗(yàn)探究了節(jié)理類巖石的力學(xué)特性;劉紅巖等[15-16]采用相似材料模型試驗(yàn)方法,借助分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置對不同節(jié)理工況下的動態(tài)強(qiáng)度和破壞模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究;此外,王建國等[17-20]分別通過SHPB沖擊試驗(yàn)分析了節(jié)理傾角、節(jié)理厚度、節(jié)理填充材料及加載應(yīng)變率對水泥砂漿模擬的巖石材料動態(tài)力學(xué)性能的影響。

不同產(chǎn)狀的既有裂縫在荷載作用下使得隧道襯砌的物理力學(xué)性質(zhì)劣化,破壞模式也變得更加復(fù)雜。尤其是當(dāng)既有地鐵隧道沿線存在爆破施工時(shí),振動沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波更容易誘發(fā)含既有裂縫隧道襯砌的破壞,帶來更高的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文利用SHPB裝置對不同裂縫長度和寬度的混凝土試件進(jìn)行加載試驗(yàn),借助高速攝像系統(tǒng)同步采集加載過程中的裂縫起裂-擴(kuò)展特征,對入射波、透射波和反射波的強(qiáng)度和波形特征進(jìn)行了分析,以此揭示裂隙傾角與破壞模式之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 巴西圓盤動態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)

1.1 試樣加工

分析檢測區(qū)段地鐵隧道襯砌的材料構(gòu)成、配比與力學(xué)性質(zhì),選擇相同材料及配比進(jìn)行試件制備。裂縫檢測結(jié)果表明,襯砌裂縫以橫向分布為主。設(shè)計(jì)并澆筑直徑為50 mm,高為25 mm的圓柱體混凝土試件(見圖1),養(yǎng)護(hù)28d后在試件中部切割預(yù)制裂隙,設(shè)置裂縫長度為10 mm和20 mm;裂縫寬度為0.3 mm和0.5 mm。為了滿足SHPB試驗(yàn)均勻性假定同時(shí)減小摩擦效應(yīng)的影響,使用打磨機(jī)對試件兩個(gè)端面和四周進(jìn)行打磨,控制試件直徑和厚度誤差均小于1 mm,試件端面不平行度和不垂直度均在±0.02 mm以內(nèi)。為了進(jìn)一步討論振動載荷方向的影響,本次沖擊試驗(yàn)取試件的預(yù)制裂隙與加載方向夾角分別為0°、30°、45°、60°和90°共5種情況。

圖1 預(yù)制裂隙分布位置

為了消除混凝土試件在制備過程中產(chǎn)生的誤差,以及預(yù)防在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的意外情況,為每種類型預(yù)制裂隙制作2個(gè)試件,然后對試件進(jìn)行編號,命名規(guī)則為裂縫長度-裂縫寬度-加載角度-試件序號,例如10-0.3-60-1代表預(yù)制裂縫長度為10 mm,裂縫寬度為0.3 mm,加載角度為60°,試件序號為1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

對不同預(yù)制裂隙的巴西圓盤試件在壓桿直徑為50 mm的分離式霍普金森壓桿(splitting Hopkinson pressure bar,SHPB)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行徑向沖擊加載。SHPB試驗(yàn)裝置主要由主體設(shè)備、能源系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三大部分組成。主體設(shè)備包括:發(fā)射裝置、發(fā)射炮管、射彈、吸能裝置、桿件及其調(diào)整支架、操縱臺等;能源系統(tǒng)包括:空氣壓縮機(jī)、高壓容器及管道;測試系統(tǒng)包括:彈速測試系統(tǒng)及動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。壓桿材料為高強(qiáng)度合金,入射桿長4 500 mm,透射桿長2 500 mm,打擊桿長500 mm,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.25～0.3,縱波速度為5 400 m/s,密度為7 850 kg/m3。利用空氣加壓給打擊桿加速并使用激光測速儀測量打擊桿撞擊的速度。此外,采用紫銅與橡膠片組合的方法對波形整形,消除壓桿上的波頭振蕩和波形彌散現(xiàn)象。通過高速攝像機(jī)來拍攝巴西圓盤試件在沖擊過程中的表面變化和破裂過程,試件安置好后綜合考慮相片分辨率、拍攝頻率,調(diào)整相機(jī)位置。配置高速攝像機(jī)的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)前,在巴西圓盤試件和桿件的兩個(gè)接觸面分別均勻涂抹一薄層凡士林,以減小端面摩擦效應(yīng)的影響,然后將試件置于入射桿和透射桿之間。入射桿和透射桿上各粘貼有高靈敏度的半導(dǎo)體應(yīng)變片,壓桿和試件上應(yīng)變片監(jiān)測到的應(yīng)變信號實(shí)時(shí)通過超動態(tài)儀傳輸?shù)诫娔X終端,以實(shí)時(shí)記錄桿上的變形狀況。根據(jù)一維應(yīng)力波理論,子彈撞擊入射桿,將在入射桿撞擊端形成一維壓縮應(yīng)力波并在入射桿傳播,當(dāng)入射波傳播至入射桿—試件界面處,部分入射波將反射回入射桿形成反射波,剩下的將沿試件傳播至透射桿形成透射波。入射波、反射波和透射波分別由粘貼在桿件中部的一對應(yīng)變片連接超動態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證

巴西圓盤試件沖擊試驗(yàn)加載示意圖如圖3所示。根據(jù)國際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會ISRM建議的測試方法,采用波形整形技術(shù)能夠提高加載波上升沿時(shí)間,有利于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中試件兩端的受力平衡,并且能夠消除波形振蕩、減小彌散效應(yīng)的影響。試驗(yàn)選用紫銅片和橡膠片進(jìn)行波形整形,試驗(yàn)過程中,將整形器置于入射桿前端,子彈撞擊整形器在入射桿產(chǎn)生半正弦加載波。試件兩端的力P1,P2可以根據(jù)下式計(jì)算得到

圖3 巴西圓盤試件沖擊試驗(yàn)加載示意圖

(1)

式中,A和E分別為桿件的橫截面積和彈性模量。

圖4為不同類型試樣的典型動態(tài)應(yīng)力平衡圖,從圖中可見,透射波和入射波+反射波疊加曲線基本重疊,表明試樣在動態(tài)加載過程中特別是試樣達(dá)到峰值應(yīng)力之前基本處于應(yīng)力平衡狀態(tài),試件滿足平衡加載要求。該方法可用于檢測本次試驗(yàn)所測試樣加載過程中是否滿足應(yīng)力平衡。

圖4 典型預(yù)制裂隙試件動態(tài)受力平衡驗(yàn)證

2.2 不同傾角裂隙試件的波動特性

SHPB系統(tǒng)是通過應(yīng)力波在彈性桿內(nèi)傳遞,使得入射桿和透射桿兩端最終達(dá)到力的平衡,從而實(shí)現(xiàn)對試件加載。SHPB試驗(yàn)通過入射桿和透射桿所貼應(yīng)變片以電壓-時(shí)間曲線形式輸出結(jié)果,本次試驗(yàn)所測不同傾角預(yù)制裂隙試件試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示,圖5、圖6中為濾波處理后的電壓信號值。將所測電壓值換算成力,通過三波法即可計(jì)算得到各桿端所受的力。

圖5 不同傾角預(yù)制裂隙試件入射波與反射波曲線

圖6 不同傾角預(yù)制裂隙試件透射波曲線

由于目前的試驗(yàn)裝置無法精確設(shè)定每次的撞擊速度,故無法保證每次的入射波幅完全相等。因此,選擇波幅近似相等的應(yīng)力波入射預(yù)制裂隙試件,預(yù)制裂隙角度為0°,30°,45°,60°和90°,入射波和反射波電壓值隨時(shí)間t的變化關(guān)系見圖5。從圖5可以看出,在近似入射波幅條件下,不同裂隙傾角圓盤試件的反射波存在較大差異。對于10 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為90°>30°>0°>45°>60°;對于10 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>45°>90°>60°>0°;對于20 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>90°>60°>45°>0°;對于20 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,反射波幅值從大到小依次為30°>45°>0°>60°>90°。總體而言,傾角為30°試件的反射波波幅相對最大,傾角為0°試件的反射波波幅相對較小。原因在于,應(yīng)力波傳播特性與混凝土材料的波阻抗(即密度和縱波波速的乘積)密切相關(guān),裂隙傾角的變化導(dǎo)致試件的縱波波速存在差異。桿件的波阻抗相較于混凝土材料更大,當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí),裂隙與加載方向平行,更有利于應(yīng)力波的傳播,且此時(shí)試件的縱波波速更高,波阻抗更大,試件與桿件的波阻抗匹配效果更優(yōu),因此產(chǎn)生的反射波更小。當(dāng)裂隙傾角為30°時(shí),應(yīng)力波會在裂隙尖端產(chǎn)生反射與散射,在裂隙表面發(fā)生擦射和斜入射,且縱波波速更低,波阻抗更小,因此反射波波幅相對最大。

不同傾角預(yù)制裂隙試件透射波曲線如圖6所示。在沖擊荷載作用下,一維彈性應(yīng)力波通過圓盤試件中不同角度的預(yù)制裂隙將發(fā)生不同程度的衰減。對于10 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為45°>30°>0°>90°>60°;對于10 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>90°>30°>45°>60°;對于20 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>30°>90°>45°>60°;對于20 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,透射波幅值從大到小依次為0°>45°>30°>90°>60°。對于不同裂縫長度和裂縫寬度的預(yù)制裂隙圓盤試件,傾角為0°試件的透射波波幅相對最大,而傾角為60°試件的透射波波幅相對最小。原因在于,當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為0°時(shí),預(yù)制裂隙面與應(yīng)力波傳播方向一致,沖擊波耗散較少,因此透射波波幅較大;當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為60°時(shí),沖擊波耗散較多,說明當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與預(yù)制裂隙夾角為60°時(shí)試件最容易發(fā)生破壞。

2.3 動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

SHPB試驗(yàn)的基本原理是基于彈性桿中彈性應(yīng)力波的傳播理論,該理論建立在兩個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上,即一維假定和應(yīng)力均勻假定。一維假定認(rèn)為應(yīng)力波在彈性桿中傳播時(shí),彈性桿中的每個(gè)橫截面始終保持平面狀態(tài);應(yīng)力均勻假定認(rèn)為應(yīng)力波在試樣中反復(fù)2～3個(gè)來回,試樣中的應(yīng)力處處相等。根據(jù)應(yīng)力均勻假定,采用三波法,可得到材料的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

(2)

式中:E,c,A分別為壓桿的彈性模量、彈性波波速和橫截面積;As,ls分別為試樣的初始橫截面積和初始長度;εi,εr,εt分別為桿中的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變、透射應(yīng)變。

不同傾角預(yù)制裂隙試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示,不同傾角裂隙試件峰值應(yīng)力隨加載角度的變化如圖8所示。可以看出,不同預(yù)制裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線受加載角度影響較大。對于10 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為30°>45°>0°>90°>60°;對于10 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為0°>90°>45°>30°>60°;對于20 mm-0.3 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為0°>30°>90°>45°>60°;對于20 mm-0.5 mm預(yù)制裂隙試件,峰值應(yīng)力從大到小依次為0°>45°>30°>60°>90°。可以看出,峰值應(yīng)力的變化規(guī)律基本與透射波幅值變化規(guī)律相一致。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的總體變化規(guī)律,對于不同裂縫長度和裂縫寬度的預(yù)制裂隙圓盤試件,傾角為0°試件的峰值應(yīng)力相對最大,而傾角為60°試件的峰值應(yīng)力相對最小。進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與預(yù)制裂隙夾角為60°時(shí)試件最容易發(fā)生破壞,在相對較小的應(yīng)力作用下,試件發(fā)生破壞風(fēng)險(xiǎn)最大。

圖7 不同傾角預(yù)制裂隙試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 不同傾角裂隙試件峰值應(yīng)力變化曲線

2.4 破壞過程及破壞形式分析

通過高速攝像機(jī)對圓盤試件SHPB沖擊破壞試驗(yàn)的全過程進(jìn)行拍攝,獲取試件在沖擊作用下的破壞過程。圖9～圖12為不同裂隙傾角試件在相似沖擊速度作用下初步出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)的破壞形態(tài)圖。可以看出,試樣都已完全破壞,新形成的裂紋整體上均沿著預(yù)制裂隙尖端起裂、擴(kuò)展和貫通,破壞模式主要為壓應(yīng)力作用下的張拉破壞。當(dāng)裂隙傾角為0°時(shí),裂紋起裂時(shí)形成的宏觀裂紋數(shù)量相對較少,且以微裂紋為主;當(dāng)裂隙傾角為60°時(shí),裂紋起裂時(shí)形成的宏觀裂紋數(shù)量相對最多,試件更易發(fā)生突發(fā)性的劇烈破壞。在0°～60°傾角范圍內(nèi),新裂紋的形成主要沿預(yù)制裂隙尖端起裂,而90°預(yù)制裂隙試件的開裂主要以垂直預(yù)制裂隙方向?yàn)橹?即沿主應(yīng)力方向發(fā)生破壞。

圖9 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

圖10 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

圖11 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

圖12 不同傾角裂隙試件初始破裂形態(tài)

此外,由圖9～圖12可知,圓盤試件在沖擊荷載的破壞形式與預(yù)制裂隙長度密切相關(guān)。在相同預(yù)制裂隙寬度下,長度為20 mm預(yù)制裂隙的破壞形式要比10 mm長度預(yù)制裂隙試件更加簡單,形成新裂紋的數(shù)量相對較少,且更容易沿預(yù)制裂紋尖端方向向外起裂。在試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的預(yù)制裂隙寬度內(nèi),0.3 mm和0.5 mm寬度預(yù)制裂隙試件的破壞模式差別不明顯。

不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)如圖13～圖16所示。由圖13～圖16可知,預(yù)制裂隙長度對試件沖擊破壞的最終形態(tài)影響較大。20 mm長度預(yù)制裂隙試件破壞后形成的碎塊更為完整,以較大尺寸的塊狀為主;10 mm長度預(yù)制裂隙試件破壞形態(tài)更加復(fù)雜,試件整體破碎嚴(yán)重,小塊體增多,破壞后形成較多的小尺寸碎塊。也就是說,在相同動荷載作用下,預(yù)制裂隙長度顯著影響混凝土襯砌試件的破碎塊度大小。然而,在試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的預(yù)制裂隙寬度內(nèi),0.3 mm和0.5 mm寬度預(yù)制裂隙試件的最終破壞形態(tài)差別不明顯。

圖13 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

圖14 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

圖15 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

圖16 不同傾角裂隙試件最終破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為0°時(shí),預(yù)制裂隙面與應(yīng)力波傳播方向一致,沖擊波耗散較少,透射波波幅較大;當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為60°時(shí),沖擊波耗散較多,即當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與預(yù)制裂隙夾角為60°時(shí)試件最容易發(fā)生破壞。

(2)根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的總體變化規(guī)律,對于不同裂縫長度和裂縫寬度的預(yù)制裂隙圓盤試件,傾角為0°試件的峰值應(yīng)力相對最大,而傾角為60°試件的峰值應(yīng)力相對最小。

(3)沖擊荷載下新形成的裂紋整體上均沿著預(yù)制裂隙尖端起裂、擴(kuò)展和貫通,破壞模式主要為壓應(yīng)力作用下的張拉破壞,且巴西圓盤試件在沖擊荷載的破壞形式與預(yù)制裂隙長度密切相關(guān),與裂隙寬度關(guān)聯(lián)性較弱。

(4)在相同預(yù)制裂隙寬度下,長度為20 mm預(yù)制裂隙的破壞形式比10 mm長度預(yù)制裂隙試件更加簡單,形成新裂紋的數(shù)量相對較少,且更容易沿預(yù)制裂紋尖端方向向外起裂。