循環沖擊荷載下機制砂噴射混凝土動力特性研究

劉仲陽，王新宇，李慶東，李鵬飛，王俊波，宋 林

(1.河南理工大學土木工程學院,河南焦作 454000; 2.北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京 100124;3.中鐵云網信息科技有限公司,北京 100039)

引言

噴射混凝土技術因其施工方便、施工成本低等優點,已被廣泛應用于隧道工程[1-3]。小間距隧道鉆爆施工時,既有隧道支護結構必然會受到爆炸沖擊荷載的影響;而隧道鉆爆施工是循環施工過程,鄰近既有隧道支護結構可能會受到循環爆炸沖擊荷載的作用,造成既有隧道混凝土支護結構力學性能的劣化和累積損傷,進而影響既有隧道運營安全。因此,有必要對循環沖擊荷載下噴射混凝土的動力特性和能量演化規律進行深入研究。

機制砂噴射混凝土與常規噴射混凝土最大的區別在于細骨料。通常情況下,噴射混凝土所用的細骨料多為河砂[4]。然而,近年來河砂的持續超采已經造成了河砂資源的枯竭和嚴重的環境問題。為此,中華人民共和國工業和信息化部聯合國家發展改革委、自然資源部等部門于2019年11月聯合出臺了《關于推進機制砂石行業高質量發展的若干意見》[5],明確指出機制砂石逐漸成為我國建設用砂石的主要來源,而機制砂也逐漸替代河砂應用于噴射混凝土材料[6-7]。部分學者采用分離式霍布金森壓桿(SHPB)試驗系統進行了噴射混凝土材料的沖擊試驗,以研究其動力特性和能量耗散特征。CHEN等[8]采用SHPB試驗裝置,研究了鋼纖維噴射混凝土和聚丙烯纖維噴射混凝土的動力性能和能量耗散特征,并分析了纖維參量對試驗結果的影響規律。KALHORI等[9]分析了納米材料參量對噴射混凝土動彈性模量的影響。方江華等[10]進行了輕骨料纖維噴射混凝土的一維沖擊試驗,探究了陶粒和聚丙烯纖維摻量對輕骨料混凝土動力特性的影響。石曉宇等[11]進行了陶粒混雜纖維噴射混凝土的一維SHPB沖擊試驗,研究了干濕循環作用對其沖擊性能的影響。JIANG等[12]試驗研究了一維沖擊條件下輕骨料纖維噴射混凝土的動力性能,并結合掃描電鏡分析了輕骨料纖維噴射混凝土抗沖擊性能的細觀機理。綜上,既有關于噴射混凝土的研究主要集中在單次沖擊荷載下常規噴射混凝土的動力特性方面,而沖擊荷載作用下機制砂噴射混凝土的動力性能研究鮮見。另一方面,新建隧道爆破施工所產生的動荷載的應變率一般不超過103s-1,且其隨著距炮孔距離的增大而逐漸降低,鄰近既有小凈距隧道噴射混凝土所承受的爆破荷載應變率在10 s-1量級[13-15],屬于中低應變率范圍,該量級應變率的動荷載并不能造成噴射混凝土的一次性破壞,卻能導致噴射混凝土力學性能的劣化和內部損傷的產生。

為研究中低應變率范圍循環沖擊荷載下機制砂噴射混凝土的動力特性,采用改進的大直徑分離式霍普金森壓桿試驗裝置,開展了4個軸壓水平、3個沖擊速度下的機制砂噴射混凝土循環沖擊試驗。研究了軸壓和沖擊速度對試樣破壞形態、動彈性模量、吸收能、比能量吸收值和累積損傷的影響規律,以期為機制砂噴射混凝土動力性能的深入研究和隧道初期支護結構的安全評價提供技術支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 機制砂

機制砂母巖為昌景黃鐵路云頭山隧道花崗巖洞渣,其單軸抗壓強度為134.1 MPa。表1為機制砂的顆粒級配,機制砂細度模數為2.8。機制砂的物理性能如表2所示,結果表明,該砂的各項指標均符合國家標準GB/T 14684—2022的要求[16]。

表1 機制砂顆粒級配Tab.1 Grain composition of manufactured sand

表2 機制砂物理參數 %Tab.2 Physical properties of manufactured sand

1.2 機制砂噴射混凝土配合比

機制砂噴射混凝土配合比采用云頭山隧道噴射混凝土配合比,如表3所示。其中,水泥采用(P.O-42.5)普通硅酸鹽水泥,粗骨料選用粒徑5～10 mm的級配碎石,細骨料采用1.1節機制砂。

表3 噴射混凝土配合比 kg/m3Tab.3 Mix proportions of shotcrete

1.3 機制砂噴射混凝土試樣

在制備噴射混凝土試樣時,按照《噴射混凝土應用技術規程》的要求[17],采用濕噴機在尺寸為800 mm(長)×800 mm(寬)×120 mm(高)的模具中噴射混凝土。噴射完成后用保鮮膜覆蓋于表面,現場靜置24 h后將試樣移至(20±2) ℃(相對濕度95%)的養護室進行養護。噴射混凝土養護28 d后,鉆芯法制備試驗用試件。其中,直徑和高度均為100 mm的圓柱體試件用于抗壓強度試驗,測得的機制砂噴射混凝土28 d單軸抗壓強度為29.0 MPa,彈性模量為9.7 GPa;直徑和高度均為50 mm的圓柱體試件用于循環沖擊試驗,部分機制砂噴射混凝土試樣如圖1所示。

1.4 試驗裝置與試驗方案

SHPB試驗裝置如圖2所示,其中,壓桿系統包括入射桿、透射桿和耗能桿,桿件均由40Cr高強鋼組成,密度7 850 kg/m3,波速為5 172 m/s,彈性模量為210 GPa,其直徑均為50 mm,子彈長度為 0.4 m,入射桿、透射桿和耗能桿的長度分別為3,2 m和2 m。

圖2 SHPB試驗裝置Fig.2 SHPB test device

循環沖擊試驗中,軸壓近似按試樣28 d單軸抗壓強度的10%、20%、30%、40%考慮,分別為3,6,9 MPa和12 MPa;每種軸壓水平對試樣分別進行6,7 ms和8 ms三種速度的循環沖擊試驗。

2 結果與討論

2.1 噴射混凝土破壞形態

表4給出了循環沖擊試驗完成后機制砂噴射混凝土的破壞形態。

表4 噴射混凝土破壞形態Tab.4 Failure patterns of shotcrete

由表4可知,軸壓和沖擊速度對機制砂噴射混凝土的破壞形態均有較大影響。軸壓相同時,試樣碎塊尺寸隨著沖擊速度增加而減小,碎塊數量隨著沖擊速度增加而增加。沖擊速度相同時,試樣碎塊尺寸隨著軸壓增加而增大,而碎塊數量隨軸壓增加而減少,軸壓的增加能夠約束試樣變形。較大的沖擊速度對應較大的應變率和輸入能量。沖擊速度增加時,循環沖擊過程中試樣吸收的能量增加,試樣的損傷破壞過程亦相應加快。循環沖擊過程中,較大的沖擊速度必然會造成試樣內部裂紋的快速萌生和發展,以及試樣內部裂紋數量的增加,進而導致試樣碎塊尺寸的減小和碎塊數量的增加。

2.2 動應力-應變曲線

圖3為機制砂噴射混凝土試樣的動應力-應變曲線。由圖3可知,循環沖擊過程中,試樣應變率隨沖擊次數的增加逐漸增大。軸壓相同時,沖擊速度越大,試樣破壞所需的沖擊次數越少;沖擊速度相同時,試樣破壞所需要的沖擊次數隨軸壓的增大而不斷增加。試樣未完全破壞前,應力-應變曲線出現較為明顯的“回彈”現象;最后一次沖擊試驗造成試樣的完全破壞,其承載能力喪失,應力-應變曲線不再有“回彈”現象。

圖3 不同軸壓下噴射混凝土試樣的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of shotcrete specimens under different axial pressures

2.3 峰值應力及峰值應變

在不同沖擊速度情況下,機制砂噴射混凝土峰值應力與軸壓和循環沖擊次數間的關系如圖4所示。由圖4可以看出,沖擊速度和軸壓均相同時,峰值應力隨著沖擊次數的增加呈逐漸下降趨勢,即噴射混凝土對外部沖擊載荷的抵抗能力逐漸下降,體現出混凝土在循環沖擊作用下強度劣化的特性。在同一沖擊速度下,循環沖擊過程中試樣峰值應力的下降趨勢隨軸壓的增大逐漸變緩,表明軸壓增加有助于提高試樣抵抗外部循環沖擊載荷的能力。同一軸壓下,試樣峰值應力隨著沖擊速度的增加不斷增大。

圖4 峰值應力與沖擊次數的關系Fig.4 Relationships between peak stress and impact times

圖5給出了在不同沖擊速度情況下,機制砂噴射混凝土峰值應變與軸壓和循環沖擊次數間的關系。由圖5可知,沖擊速度和軸壓均相同時,峰值應變隨著沖擊次數呈逐漸增加的趨勢。在同一沖擊速度下,循環沖擊過程中試樣峰值應變的增加趨勢隨軸壓的增大逐漸變緩。同一軸壓下,試樣峰值應變隨著沖擊速度的增加不斷增大。

圖5 峰值應變與沖擊次數的關系Fig.5 Relationships between peak strain and impact times

2.4 動彈性模量

由上文可知,試樣動應力-應變曲線無明顯的初始壓密段,而在動態應力-應變曲線的上升階段表現出較為明顯的線彈性(圖3)。因此,循環沖擊荷載下機制砂噴射混凝土的動彈性模量可由式(1)計算。

(1)

式中,E50為動彈性模量;σ50為峰值應力50%處的應力值;ε50為σ50對應的應變值。

圖6為不同沖擊速度下,試樣動彈性模量與軸壓和沖擊次數間的變化關系。由圖6可知,沖擊速度和軸壓均相同時,動彈性模量隨著沖擊次數的增加不斷降低;其原因是循環沖擊過程中試樣內部損傷不斷累積,試樣抵抗外部沖擊荷載的能力逐漸下降,進而表現為材料力學性能的不斷劣化。軸壓對試樣動彈性模量的影響不顯著。

圖6 動態彈性模量與沖擊次數的關系Fig.6 Relationships between dynamic elastic modulus and impact times

2.5 能量演化

在循環沖擊試驗中,在沖擊桿與試樣的接觸面上涂抹黃油,以忽略界面處的能量損失。進而,入射波、反射波和透射波所攜帶的能量以及試樣吸收能量可由下式計算[18-20]

(2)

(3)

(4)

WS=WI-WR-WT

(5)

Ev=WS/VS

(6)

式中,WI、WR、WT分別為入射能量、反射能量和透射能量;WS為試樣吸收能量;Ev為比能量吸收值;VS為試樣體積。

由式(2)～式(6),可計算得到循環沖擊過程中各能量值,如表5所示。由表5可知,軸壓和沖擊速度相同時,循環沖擊過程中入射能較為穩定,說明了試驗結果的可重復性和可靠性;隨沖擊次數增加,反射能和吸收能逐漸增大,透射能逐漸降低。同一軸壓下,沖擊速度越大,單次沖擊試樣的吸收能越大,試樣完全破壞所需要的沖擊次數越少。沖擊速度相同時,試樣破壞所需要的吸收能隨軸壓的增加而增大,亦即是說,軸壓的增加提高了試樣的耗能能力,從而減緩了試樣力學性能的劣化進程。

表5 噴射混凝土試樣SHPB試驗能量結果Tab.5 Energy results of SHPB test on shotcrete specimens

圖7給出了不同沖擊速度時試樣比能量吸收值與軸壓和沖擊次數的變化關系。由圖7可以看出,沖擊速度和軸壓對比能量吸收值均有較為顯著的影響。軸壓和沖擊速度相同時,比能量吸收值隨沖擊次數的增加逐漸增大。同一沖擊速度下,較高軸壓對比能量吸收值的影響更為顯著。隨沖擊速度增大,試樣比能量吸收值的增加較為明顯;以軸壓為12 MPa時為例,沖擊速度為6 m/s時,比能量吸收值為0.198 8～0.238 0 Jcm-3;沖擊速度為7 m/s時,比能量吸收值為0.252 6～0.285 7 Jcm-3;沖擊速度為8 m/s時,比能量吸收值范圍為0.298 2～0.332 2 Jcm-3。

圖7 比能量吸收值與沖擊次數的關系Fig.7 Relationships between specific energy absorption value and impact times

為更加清晰地說明循環沖擊過程中試樣吸收能的演化規律,定義累計比能量吸收值δ為[21-22]

(7)

式中,δ為累計比能量吸收值;n為循環荷載沖擊次數。

圖8為在不同沖擊速度下,試樣累計比能量吸收值與軸壓和沖擊次數的變化關系。由圖8可知,隨著沖擊次數增加,試樣的累計比能量吸收值呈線性增加趨勢。沖擊速度相同時,軸壓越大,試樣破壞時所需累計比能量吸收值越大,亦即軸壓的增加可以顯著提高試樣的耗能能力。

圖8 累計比能量吸收值與沖擊次數的關系Fig.8 Relationships between cumulative specific energy absorption value and impact times

2.6 累積損傷演化

采用彈性模量法[23-25]計算循環沖擊過程中機制砂噴射混凝土試樣的累積損傷,如式(8)所示。

(8)

式中,Dn為基于彈性模量法噴射混凝土的累積損傷;En和E0分別為第n沖擊后和初始無損傷時的彈性模量,此處E0取25 GPa。

圖9為在不同沖擊速度下,試樣累積損傷值與軸壓和沖擊次數的變化關系。由圖9可以看出,不同軸壓下的噴射混凝土累積損傷規律性不夠明顯。試樣累積損傷隨沖擊次數的增加不斷增大;軸壓增大可以抑制試樣損傷的發展。沖擊速度越大,試樣累積損傷發展越快,試樣達到破壞所需要的沖擊次數越少。

圖9 累積損傷與沖擊次數的關系Fig.9 Relationships between cumulative damage and impact times

3 結論

采用改進的大直徑SHPB試驗裝置,對28 d齡期的機制砂噴射混凝土試樣分別進行3,6,9 MPa和12 MPa四個軸壓下的循環沖擊試驗,研究循環沖擊荷載作用下機制砂噴射混凝土的動力特性和能量演化規律,主要結論如下。

(1)軸壓和沖擊速度對機制砂噴射混凝土的破壞形態、峰值應力、峰值應變和應變率均有較大影響,軸壓的增加能夠有效抑制試樣的變形。

(2)軸壓相同時,沖擊速度越大,試樣破壞所需的沖擊次數越少,沖擊速度相同時,試樣破壞所需的沖擊次數隨著軸壓的增大而不斷增加。軸壓為12 MPa,沖擊速度為6 m/s時,試樣破壞所需的沖擊次數為12次,遠大于沖擊速度為8 m/s時的7次。

(3)沖擊速度和軸壓均相同時,隨著沖擊次數的增加,試樣峰值應力和動彈性模量不斷降低,峰值應變和應變率不斷增加;軸壓對試樣動彈性模量和累積損傷的影響不顯著。

(4)隨著沖擊次數的增加,試樣的累計比能量吸收值呈線性增加趨勢。沖擊速度相同時,軸壓越大,試樣破壞時所需累計比能量吸收值越大。