循環沖擊下巖石力學特性的動載試驗研究

1循環沖擊作用下的巖石動態特性許多設計巖體在爆炸和挖掘過程中需要交替爆炸作用，圍巖的動載形式為循環載荷。閆長斌等利用各種現場監測手段,研究分析多次爆破應力波對圍巖產生的震動和損傷,研究成果對安全、高效爆破開挖工程巖體具有重要的指導意義。由于監測技術的限制,現場監測研究沒有過多分析和探討多次沖擊載荷作用下,巖石(體)動態強度劣化和疲勞變形特性,也沒有系統研究地應力對巖體動態力學特性劣化的影響。基于此,部分學者借助霍布金森壓桿(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)進行相關試驗研究,得出一些有益的結論。X.B.Li等利用異性沖頭在桿徑為75mm的SHPB上,對花崗巖進行低強度的循環沖擊試驗研究,結果表明,當沖擊載荷小于巖石靜態峰值強度的60%~70%時,循環沖擊基本不能增加巖石的損傷程度。呂曉聰等利用帶圍壓裝置的SHPB,對砂巖和斜長角閃巖進行循環沖擊試驗研究,結果表明,隨循環沖擊次數的遞增,上升段的模量逐漸變小,屈服應力降低,應變增加;增加圍壓可以提高巖石的抗壓強度和變形能力,圍壓的大小影響巖石的破壞模式和吸能效率。金解放等的研究結果表明,可用波阻抗的變化定義循環沖擊作用下巖石的損傷變量;當圍壓為0時,軸向靜載荷大小對巖石抵抗外部沖擊載荷的能力影響較大,當軸壓為單軸抗壓強度的22%時,巖石抵抗外部沖擊載荷的能力最強;軸壓和圍壓等靜載荷的組合形式對循環沖擊作用下巖石的破壞模式有較大影響。上述研究分別從不同角度研究巖石在循環沖擊作用下的力學特性,為建立相對完善的巖石動態疲勞力學體系奠定了一定基礎。然而,循環沖擊作用下影響巖石動態力學特性的因素較多,仍有許多問題待進一步的研究。在探討循環沖擊作用下巖石動態強度和變形特性方面,呂曉聰等僅分別單獨考慮圍壓和軸壓的影響,沒有對具有三維靜載的巖石進行研究。實際巖體工程在爆破開挖過程中,多數巖體并不是簡單地承受一維地應力,而是處于三維地應力的環境中。且對深部工程巖體而言,由于自重應力和構造應力等高靜應力作用,在開挖過程中,巖石(體)表現出與淺部巖體工程不同的現象,例如軟巖大變形和硬巖巖爆等。因此,對三維靜載荷與循環沖擊組合作用下巖石動態力學特性展開研究顯得尤為重要。本文利用動靜組合加載試驗裝置,對具有不同軸壓和圍壓的砂巖進行循環沖擊試驗研究,主要分析砂巖抵抗外部沖擊載荷能力的劣化特性、動態強度和變形的變化規律、峰值應力與平均應變率的關系、并重點討論圍壓和軸壓對巖石動態疲勞力學特性的影響,得到一些有益的結論。這對于揭示具有三維地應力的工程巖體在多次爆破開挖過程中的動態力學特性具有一定的理論和工程意義。2試驗設備、試驗對象和試驗方法的準備2.1油壓泵動態應變儀和發射腔內加載試驗設備采用自行研制的基于SHPB裝置的巖石動靜組合加載試驗系統,示意圖如圖1所示。軸壓和圍壓的加卸載,通過與軸壓和圍壓裝置各自相連的手動油壓泵實現。軸壓加卸載需要2個油泵控制,而圍壓加卸載只需1個油泵控制。數據采集和顯示設備分別為CS–1D超動態應變儀和DL–750示波器。發射腔內采用異型沖頭以消除PC振蕩,實現半正弦波加載,達到恒應變率加載的目的。盡管工程巖體實際爆破開挖的動載荷不是半正弦應力加載波,但這不影響可用半正弦加載應力波模擬研究爆破開挖過程中,工程圍巖體的動態力學特性。2.2平行度與平面度巖石試件采用完整性和均質性較好的砂巖制備,試件為圓柱體,直徑和高度均為50mm,2個橫截面平行度與平面度嚴格滿足巖石力學試驗標準。圍壓分別設置為4,8,10和12MPa四個系列,軸向靜載荷分別設置為49,84,105和125MPa四個系列。2.3入射波幅值大小控制試驗時,試樣兩端面均勻涂抹一層黃油,確保試樣兩端面與入射桿和透射桿間接觸良好,并能很好地減小巖石與彈性桿界面摩擦力。循環沖擊前,軸壓和圍壓等靜載荷同時緩慢施加,施加到設定軸壓和圍壓時,關閉軸壓和圍壓加載油泵閥門。在工程巖體實際爆破開挖過程中,圍巖豎直方向應力基本不發生變化,由于圍巖體的應力轉移,水平方向應力則發生變化。基于此,在循環沖擊試驗中,嚴格保證每次沖擊時軸壓大小為設定的軸壓值,而圍壓控油閥門始終緊閉,直至巖石沖擊破壞。為了使試驗結果具有可比性,對具有不同軸壓和圍壓的巖石試件,循環沖擊時入射桿上的入射波幅值大小恒定。經過多次試驗調整,當軸壓為49,84,105和125MPa時,高壓氣室氣壓分別設置為1.0,1.1,1.2和1.3MPa,進而調整異型沖頭在氣腔中的初始位置,確保入射桿具有不同軸壓時入射波幅值大小相同,入射能約為230J,確保對不同軸壓和圍壓的巖石試件,沖擊載荷的大小即能超過其循環沖擊門檻值,又不至于造成單次沖擊破壞。3循環沖擊下試驗件動態變化—試驗結果及分析表1為選用試件的基本參數和總沖擊次數。由于篇幅限制,圖2僅列出部分靜載荷下試件的動態應力–應變曲線,圖例中的數字為循環沖擊的次數(如圖2(a)中的1,2,3,…分別代表第1,2,3,…次沖擊),為該次沖擊的平均應變率。3.1巖石的承受載荷能力的變化本節通過分析試件承受的總循環沖擊次數,峰值應力隨循環沖擊次數的變化關系,研究具有不同軸壓和圍壓巖石抵抗外部沖擊載荷能力的變化特性。3.1.1軸壓和圍壓對巖石循環沖擊的影響圖3為砂巖試件承受的總循環沖擊次數隨圍壓和軸壓的變化關系,其中圖3(a)為圍壓為0時的試驗數據。由圖3(b)可以看出,承受三維靜載的巖石,在相同大小入射波循環作用過程中,當圍壓相同時,總循環沖擊次數隨軸壓的增大持續減小,其減小的總趨勢呈“快速下降→低速發展→快速下降”的模式。根據此變化關系可得,當軸壓達到一定值時,巖石被一沖即潰,甚至僅軸向靜載即可導致巖石發生破壞。這表明對處于三維靜應力的巖石,當2個方向的應力確定時,另一個方向的應力越大,其抵抗外部沖擊載荷的能力越小。由圖3(a)可以看出,巖石在一維靜應力下承受的總循環沖擊次數隨軸壓的增加先變大后減小,在軸壓為單軸抗壓強度的22%時達到最大值。這說明,在循環沖擊載荷作用下,具有的靜載荷組合形式不同時,巖石抵抗外部沖擊載荷的能力也不同。由圖3(b)還可以看出,當巖石的軸壓固定時,隨著圍壓的增高,總循環沖擊次數明顯增加,例如當軸壓為49MPa時,當圍壓從4MPa分別增加到8,10和12MPa時,總循環沖擊次數分別為原來的2.14,2.28和2.71倍。由此可以得出,圍壓的大小,對巖石抵抗循環沖擊的能力影響較大,圍壓越大,抵抗能力越強。這意味著,在工程中為了使巖體結構能承受更多的疲勞沖擊載荷,可以通過提高圍壓來實現。3.1.2動態峰值應力劣化系數圖4為具有軸壓和圍壓的巖石在循環沖擊過程中峰值應力隨循環沖擊次數的變化關系,軸壓的大小分別標注在每個小圖中,如圖4(a)中4個小圖上的49,84,105和125MPa分別表示巖石試件所承受的軸向靜載荷的大小,后文圖中若沒有特別說明均與此相同。從圖4可以看出,隨循環沖擊次數的增加,巖石動態峰值應力(即巖石抵抗外界沖擊載荷的最大能力)逐漸減小,顯示出其動態疲勞特性,這與無靜載和一維靜載作用時的規律一致。在各自最后的若干次沖擊過程中,峰值應力下降幅度較大,體現在圖4中是其擬合曲線較陡。為闡述該問題,定義巖石動態峰值應力的劣化系數,其表達式為式中:i為正整數,取值范圍為1,2,…,N,分別表示倒數第i次沖擊;N為總循環沖擊次數;σd(i+1)為倒數第i+1次沖擊的峰值應力;σd(i)為倒數第i次沖擊的峰值應力;δsi為倒數第i次沖擊相比倒數第(i+1)沖擊動態強度下降的比值,簡稱為峰值應力劣化系數;δuf073為最后一次沖擊與倒數第3次沖擊動態峰值應力之差與第一次沖擊的峰值應力之比,簡稱為峰值應力最終劣化系數。表2為不同圍壓和軸壓下,最后3次循環沖擊的動態峰值應力劣化系數和動態峰值應力最終劣化系數。由于當圍壓為4MPa,軸壓分別為105和125MPa時,僅分別循環沖擊3和2次,表2中僅列出這2種工況下部分動態峰值應力劣化系數。由表2可以看出,當巖石具有不同軸壓和圍壓時,最后3次循環沖擊過程中,動態峰值應力劣化系數變化較大,倒數第3次沖擊導致的峰值應力劣化系數較小,大多在7.8%以內,倒數第2次的強度劣化系數大多在5%~10%的范圍內,而最后一次的劣化系數則上升到20%左右,有的甚至達到40%以上。這表明2層含義:(1)巖石在循環沖擊載荷作用下,峰值應力劣化存在突變過程;(2)根據式(1)定義的巖石動態峰值應力劣化系數,可以預測巖石在循環沖擊載荷作用下是否將要發生宏觀破壞。另外,從峰值應力最終劣化系數可以看出,最后2次沖擊使巖石抵抗外部動載荷的能力下降幅度較大,大多達到20%以上,對軸壓較大的巖石甚至達到30%以上,這足以表明巖石在循環沖擊作用過程中,最后若干次沖擊導致其動態強度劣化幅度較大。3.2巖石的動態疲勞變形特性3.2.1循環沖擊次數對巖石力學特性影響的初步分析根據金解放等研究中峰值應變和殘余應變的定義,圖5為具有不同軸壓和圍壓情況下,巖石動態峰值應變和動態殘余應變隨循環沖擊次數的變化關系。由圖5可以看出,對同一砂巖試件,動態峰值應變和動態殘余應變隨循環沖擊次數的變化趨勢近似相同。除圍壓較小、軸壓較大的情況外,從擬合曲線(暫用三次曲線擬合)可以看出,前幾次沖擊的峰值應變隨循環沖擊次數增加較快,但耗費的循環沖擊次數較少,約占總沖擊次數的10%。接著進入相對平穩增加階段,這個階段耗費的循環沖擊次數最多,約占總沖擊次數的50%。最后是急劇上升階段,該階段的變化趨勢最陡峭,該階段的沖擊次數約占總次數的40%。巖石在靜態或準靜態循環載荷作用下,巖石的變形也明顯存在3個階段:初始階段、等速(低速)階段和加速階段。因此,無論在靜態或動態循環載荷作用下,巖石變形與循環作用次數間的關系都具有“初始階段,低速階段和加速階段”。另外,由圖5還可以看出,相同圍壓情況下,隨軸壓的增加,第一次沖擊得到動態壓縮應變逐漸減小,而相同軸壓情況下,隨圍壓的加大,第一次沖擊得到的動態壓縮應變也呈逐漸減小的趨勢。這也表明,軸壓和圍壓等靜載影響著巖石抵抗外部沖擊載荷的變形能力。3.2.2巖石礦物礦物顆粒受沖擊后的變形特征結果從圖2中可以看出,隨循環沖擊次數的增加,巖石動態應力–應變曲線加載段的斜率整體上逐漸減小。根據金解放等研究中加載階段變形模量的定義方法,不同軸壓和圍壓下巖石的加載階段變形模量與循環沖擊次數的關系如圖6所示。由圖6可以看出,隨著循環沖擊次數的增加,巖石加載段的變形模量逐漸減小,體現出巖石在循環沖擊載荷作用下疲勞變形的特性,且其變化趨勢多數情況下呈現出“急劇下降→平緩發展→急劇下降”的形態,這與峰值應變和殘余應變的演化趨勢相對應,體現出循環沖擊作用過程中巖石損傷累積演化的特性。下面嘗試對巖石在循環沖擊作用下加載段變形模量出現“急劇下降→平緩發展→急劇下降”的趨勢進行分析。砂巖屬于典型的膠結連接材料,主要由石英、長石和膠結物質組成。當外部沖擊載荷達到一定門檻值時,盡管一次沖擊不能導致巖石發生宏觀破壞,但巖石內部微裂紋會不斷萌生、起裂、擴展并直至貫通成片,體現在加載段的變形上即在承受相同的應力時,巖石必然發生更大的變形。可以這樣試想,砂巖在承受循環沖擊發生疲勞變形過程中,當巖石承受沖擊載荷時,巖石晶體顆粒和膠結物受到相同大小的應力作用,在前若干次沖擊中,由于膠結物質的承載能力小于礦物晶體顆粒的能力,首先出現較大的變形,致使其由彈性變形快速達到塑性變形,巖石整體的變形模量也呈現出急劇減低。隨著循環沖擊的進行,一些礦物晶體顆粒承受載荷的比例開始加大,而膠結物承受外部載荷的比例在逐漸減小,由于巖石礦物晶粒承受載荷能力相對較強,在相同大小的沖擊載荷作用下,巖石的變形能力變化相對較平緩,即出現了“平緩發展階段”。當循環沖擊進一步進行時,巖石晶體顆粒強度劣化到一定時,部分承載骨架開始逐漸斷裂,而此時沿著骨架顆粒斷裂平面的膠結物開始破壞,巖石再次出現抵抗外部變形能力急劇減弱的現象,即加載段變形模量出現最后的“急劇下降階段”。由圖6可以發現,相同圍壓下,軸壓越大,巖石加載段的變形模量隨循環沖擊次數的變化越急劇;相同軸壓下,圍壓越大,加載段的變形模量變化越平緩。3.2.3循環沖擊下的彈性應變變化圖7為可恢復的應變與峰值應變之比的變化關系,從圖中可以看出,隨著循環沖擊次數的增加,單次沖擊造成的彈性應變整體上逐漸減小,表明隨著循環沖擊次數的增加,巖石的彈性變形能力逐漸減弱,直至巖石發生宏觀破壞,彈性變形能力完全消失,這也體現出巖石在循環沖擊作用下的疲勞變形特性。3.3試驗結果與分析圖8為循環沖擊作用下巖石動態峰值應力與平均應變率的關系。從圖8可以看出,隨平均應變率的增加,巖石動態峰值應力逐漸減小。對試驗結果中的動態峰值應力和平均應變率用下式進行擬合:式中:σdp為試件的動態峰值應力;為試驗得出的平均應變率;a,b均為擬合系數。不同軸壓和圍壓情況下擬合參數值a和b及決定系數的值見表3。從擬合結果看,動態峰值應力和平均應變率具有良好的負線性關系。在單次沖擊載荷作用下,巖石動態強度存在明顯的率相關性,在SHPB裝置的試驗范圍內,巖石的動態應力σd與應變率的經驗關系為,劉軍忠等對角閃巖進行研究認為,動態抗壓強度隨平均應變率的增加近似線性增加。筆者認為,這2個經驗結果沒有本質區別,只是在擬合試驗結果時,應變率的取值范圍不同而已。盡管單次和循環沖擊作用下巖石的動態強度(或峰值應力)與平均應變率都有線性關系,但二者之間具有不同的意義。在單次沖擊作用下的關系表明巖石強度的率相關性,而圖9中的線性關系表示在相同大小入射波循環作用過程中,隨著循環作用次數的增加,平均應變率逐漸增加,動態峰值應力逐漸減小,在此過程中動態峰值應力與平均應變率呈負線性關系,這體現出循環沖擊作用下巖石動態力學的劣化特性,不屬于所謂的應變率相關性。圖9為式(3)中參數a與軸壓和圍壓的關系。從圖9可以看出,相同圍壓情況下,隨軸壓的遞增,動態峰值應力和平均應變率擬合直線斜率的絕對值越來越大,表明在平均應變率的相同變化范圍內,軸壓大的試件動態峰值應力下降