彭 鋒

(湖南華達(dá)工程有限公司,湖南 長沙 410076)

0 引言

泥巖、頁巖、粉砂巖等地質(zhì)軟巖富含黏性土礦物成分，容易發(fā)生水物理化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)降低，即水環(huán)境下這些巖石通常會發(fā)生軟化反應(yīng)，表現(xiàn)出強(qiáng)度和剛度降低的現(xiàn)象[1-3]。巖石軟化效應(yīng)通常包括長期浸水條件下的力學(xué)性質(zhì)軟化[4-6]和干濕循環(huán)條件下的力學(xué)性質(zhì)軟化[1-11]。目前，干濕循環(huán)條件下的巖石力學(xué)性質(zhì)軟化研究主要針對靜力性質(zhì)，研究方法主要為單軸或三軸靜力抗壓試驗(yàn)。例如，王輝等[8]結(jié)合單軸抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了干濕循環(huán)作用對大理巖靜力損傷特性。郭要輝等[9]利用三軸抗壓試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)作用對不同圍壓下尾砂力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

對于泥巖、頁巖、粉砂巖等軟巖隧道的開挖工程，爆破是首要問題，它屬于沖擊動(dòng)力問題[12]。考慮到干濕循環(huán)作用是影響軟巖隧道開挖效果的主要影響因素，開展干濕循環(huán)下巖石沖擊動(dòng)力特性研究十分必要，可為實(shí)際工程中的爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于試驗(yàn)條件限制，以往很少有研究是針對干濕循環(huán)條件下的巖石沖擊動(dòng)力學(xué)性質(zhì)而開展的[13]。究其原因主要在于沖擊動(dòng)力試驗(yàn)對試驗(yàn)條件要求比三軸或單軸靜抗壓等常規(guī)試驗(yàn)高。例如，相比常規(guī)靜力試驗(yàn)，沖擊動(dòng)力試驗(yàn)需要考慮試樣慣性的影響。隨著工程界對巖石沖擊動(dòng)力性質(zhì)問題的日益重視以及試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，平面波發(fā)生器試驗(yàn)[14]、輕氣炮撞擊試驗(yàn)[15]和分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)(以下簡稱SHPB試驗(yàn))[12-18]逐漸成為研究巖石沖擊動(dòng)力性質(zhì)的主要方法，其中分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)最為常用。在SHPB試驗(yàn)中，試樣撞擊破壞過程的應(yīng)變率是常數(shù)。袁璞等[13]設(shè)計(jì)了干濕循環(huán)條件下煤礦砂巖SHPB試驗(yàn)，以研究干濕循環(huán)作用對煤礦砂巖沖擊強(qiáng)度等動(dòng)力性質(zhì)的影響規(guī)律。

泥質(zhì)板巖屬于地質(zhì)軟巖，在我國分布較廣。在湖南、湖北和四川等地有許多泥質(zhì)板巖隧道工程建設(shè)項(xiàng)目。工程實(shí)踐表明，干濕循環(huán)是影響泥質(zhì)板巖隧道爆破開挖效果的重要原因之一。為此，本文通過設(shè)計(jì)干濕循環(huán)條件下的SHPB試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)彈模等參數(shù)的影響，揭示干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖沖擊動(dòng)力性質(zhì)的影響規(guī)律，為泥質(zhì)板巖隧道開挖爆破參數(shù)設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器及基本原理

1.1.1試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)設(shè)備為SHPB試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)主要由撞擊桿、入射桿、波形整形器、透射桿、吸收桿、阻尼減震器、撞擊測速儀和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等組成。其中，入射桿和透射桿為圓軸桿，直徑均為50 mm，長度分別為2.0 m和1.5 m，材質(zhì)均為40Cr合金材料，密度均為7 810 kg/m3。

圖1 SHPB 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)

1.1.2試驗(yàn)基本原理

試驗(yàn)時(shí)，撞擊桿以一定速度碰撞帶波形整形器的入射桿，在入射桿中激發(fā)彈性波，撞擊桿速度由撞擊測速儀器測定。入射桿和透射桿之間是圓柱體試樣，試樣兩端底面分別和入射桿、透射桿接觸。彈性波穿過試樣進(jìn)入透射桿內(nèi),透射能量最后由透射桿后方的吸收桿和減震阻尼器消耗。通過超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測定入射桿和透射桿中的應(yīng)力波參數(shù)，獲得試樣的加載應(yīng)變率以及該應(yīng)變率下的軸向動(dòng)應(yīng)力-軸向動(dòng)應(yīng)變關(guān)系，獲得試樣的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)彈模等動(dòng)力破壞與變形的參數(shù)。

1.2 試樣

泥質(zhì)板巖試樣取自湖南岳陽市，主要的礦物成分按照質(zhì)量百分比遞增排列依次為高嶺石、綠泥石、石英和白云母，礦物成分質(zhì)量百分比依次為8.5%、17.2%、28.2%和39.2%。由于入射桿件和透射桿件的直徑均為50 mm，因此，取試樣為圓柱體，高度為25 mm，直徑為50 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1干濕循環(huán)設(shè)計(jì)

干濕循環(huán)過程:① 首先，利用烘干法制作干燥試樣：將烘干箱內(nèi)烘干溫度設(shè)置為105 ℃以烘干試樣。②得到干燥試樣后，利用自由浸水法飽和試樣：將干燥試樣放入水槽中浸沒試樣，讓試樣充分吸水，浸泡時(shí)間為12 h。從干燥到飽和，此過程為試樣的1次干濕循環(huán)作用過程。按此方法對試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處理。

1組干濕循環(huán)試驗(yàn)中有5個(gè)試樣，設(shè)干濕循環(huán)次數(shù)用N表示，各個(gè)試樣受到的干濕循環(huán)次數(shù)分別為N=0、2、5、9、15。考慮到巖石試樣的非均勻性通常會導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定的離散性，設(shè)置平行的3組干濕循環(huán)試驗(yàn)，一共15個(gè)試樣。后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果處理取統(tǒng)計(jì)均值。

1.3.2加載

利用SHPB試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)對經(jīng)過干濕循環(huán)處理的試樣開展試驗(yàn)。其中:撞擊桿平均速度為3.5 m/s，試樣的沖擊應(yīng)變率范圍為15.5～51.4 s-1，平均應(yīng)變率為22.2 s-1。由試驗(yàn)可獲得恒定應(yīng)變率下的單軸動(dòng)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比、峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變等參數(shù)[12-17]。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 軸向的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系分析

軸向的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變分別用σ和ε表示，典型的σ-ε關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 典型的軸向動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)圖2，各干濕循環(huán)次數(shù)作用下泥質(zhì)板巖的軸向動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線形狀是相似的，均為應(yīng)變軟化型曲線，但各曲線并不重合。隨著軸向動(dòng)應(yīng)變ε從0逐漸增大，軸向的動(dòng)應(yīng)力σ也逐漸在增大。當(dāng)軸向動(dòng)應(yīng)變ε較小時(shí)，σ-ε關(guān)系曲線為向上凹的曲線；隨著ε繼續(xù)增大，σ-ε關(guān)系曲線近似為直線；直線段后，σ-ε關(guān)系為非線性遞增關(guān)系。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力超過峰值點(diǎn)或者動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，σ-ε關(guān)系曲線不斷下降，此時(shí)，隨著軸向動(dòng)應(yīng)變ε增大，軸向動(dòng)應(yīng)力σ減小，這一階段為應(yīng)變軟化階段。

以上分析表明，泥質(zhì)板巖的沖擊動(dòng)力應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的本質(zhì)為應(yīng)變軟化關(guān)系，干濕循環(huán)作用沒有改變應(yīng)變軟化的本質(zhì)，但是對軸向動(dòng)應(yīng)力與軸向動(dòng)應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展有重要影響。

2.2 干濕循環(huán)對沖擊動(dòng)力破壞的影響

2.2.1干濕循環(huán)作用對動(dòng)強(qiáng)度的影響

設(shè)動(dòng)強(qiáng)度為σd，動(dòng)強(qiáng)度為圖2曲線上的峰值應(yīng)力。圖3給出了干濕循環(huán)次數(shù)N和動(dòng)強(qiáng)度σd之間的關(guān)系。根據(jù)圖3， 隨著N由 0增加到15，σd由23.6 MPa降低到18.7 MPa，降低幅值為20.7%，且σd漸趨于穩(wěn)定。因此，可知隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，σd顯著下降。這表明，干濕循環(huán)作用會導(dǎo)致泥質(zhì)板巖的沖擊動(dòng)強(qiáng)度顯著降低。

圖3 動(dòng)強(qiáng)度和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2.2.2干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖脆性的影響

峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變是軸向變形破壞的重要特征參數(shù)或者脆性指標(biāo)。設(shè)該參數(shù)為εd，如圖4所示。εd越小，巖石的脆性越顯著。圖4給出了干濕循環(huán)次數(shù)N和εd之間的關(guān)系。從圖4看出，隨著N由 0增加到15，εd由0.001 44降低到0.001 20，降低幅值為16.7%，且εd漸趨于穩(wěn)定。因此，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，εd顯著下降。這表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泥質(zhì)板巖的沖擊動(dòng)力脆性越顯著。

圖4 峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2.2.3干濕循環(huán)作用對動(dòng)力變形性質(zhì)的影響

1)干濕循環(huán)作用對動(dòng)彈性模量的影響。設(shè)動(dòng)彈性模量為Ed，圖5給出了干濕循環(huán)次數(shù)N和Ed之間的關(guān)系。根據(jù)圖5，隨著N由 0增加到15，Ed由29.9 GPa降低到25.1 GPa，降低幅值為16.1%。因此，和σd-N、εd-N關(guān)系一樣，Ed隨N的增加而顯著降低。即干濕循環(huán)作用會顯著降低泥質(zhì)板巖的動(dòng)彈性模量。

圖5 動(dòng)彈性模量和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2)干濕循環(huán)作用對動(dòng)泊松比的影響。設(shè)動(dòng)泊松比為μd，干濕循環(huán)次數(shù)N和泊松比μd之間的關(guān)系如圖6所示。從圖6看出，隨著N從0增加到15，μd在0.37和0.28之間變化。即μd和N之間的關(guān)系無明顯變化規(guī)律。初步分析可知，泊松比對材料的均質(zhì)性最為敏感，而巖石本身具有非均質(zhì)性，非均質(zhì)性越強(qiáng)，泊松比的變化越無規(guī)律。泥質(zhì)板巖屬于非均質(zhì)材料，干濕循環(huán)作用通常由局部到整體,破壞試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，干濕循環(huán)作用使得泥質(zhì)板巖的非均勻性變得更顯著，從而使得泊松比隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而無明顯的變化規(guī)律。

圖6 動(dòng)泊松比和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

3 結(jié)論

利用SHPB試驗(yàn)研究干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖沖擊動(dòng)力性質(zhì)的影響，由試驗(yàn)獲得泥質(zhì)板巖的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比等力學(xué)特征參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1)干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖沖擊動(dòng)力性質(zhì)起顯著地劣化作用。干濕循環(huán)作用會顯著降低泥質(zhì)板巖的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量，以及顯著增強(qiáng)泥質(zhì)板巖的脆性。

2)干濕循環(huán)作用對泥質(zhì)板巖的動(dòng)強(qiáng)度影響最大，對動(dòng)彈性模量和脆性的影響次之。

3)干濕循環(huán)作用對泊松比的影響無明顯規(guī)律。