0 引言

工程实际围岩往往不可避免会出现裂隙、层理、节理等地质缺陷^[1], 这些岩体通常受到自重、地震荷载、地质构造残余应力等复杂地应力作用^[2], 这些复杂应力对岩体工程强度、稳定性将产生影响^[3-5], 对工程施工和运营安全造成威胁。

目前, 对裂隙岩体动态力学性能方面的研究已取得了一些试验成果和数据。张海波、张伟通过砂浆试件模拟干燥和裂隙水两种情况下的裂隙岩体, 分析试件在静荷载和动荷载下的试验数据, 得出裂隙倾角及水对裂隙岩体力学性能的影响^[6-7]。王明洋、钱七虎根据断层与节理裂隙带的几何关系, 研究了动态冲击波经过裂隙的衰减效应^[8]。仝兴华、韩建新等通过研究裂隙岩体在动态试验中达到峰值应力之后的应力-应变关系, 得出裂隙平均间距、法向刚度和剪切刚度与裂隙岩体的轴向应变成反比例变化^[9]。黄达、岑夺丰采用颗粒流数值模拟试验, 从能量角度分析了裂隙岩体中裂隙情况和裂隙倾角对裂隙岩体破碎情况的影响^[10]。对于在动静组合荷载下岩体力学性能的研究也有不少成果。李夕兵、周子龙等根据深部岩石力学研究需要, 研制出高应变率段岩石动静组合加载试验系统, 对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究^[11]。宫凤强、刘希灵等通过对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识, 利用改造的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)动静组合加载试验装置, 开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究^[12]。但是, 目前仍然欠缺同时考虑裂隙分布情况与围压大小的裂隙岩体在动态力学性能方面的研究。

本研究通过预制裂隙砂浆试件模型试验, 模拟裂隙岩体在不同裂隙情况下、不同围压条件下的动力学性能。采用SHPB试验装置^[13]对不同条件下试件的动力学性能进行试验研究, 主要分析裂隙倾角、裂隙贯通率、围压对预制裂隙试件的力学性能所产生的影响, 进一步总结出裂隙岩体中裂隙以及自然存在的静压力下裂隙岩体的动力学响应。

1 试验概况 1.1 试验方法

利用相似原理, 将水、沙子、水泥按照一定比例制成预制裂隙砂浆试件, 模拟裂隙岩体对其力学性能进行研究。通过在模具中安装预设裂隙塑料片模拟实际岩层的裂隙倾角及裂隙贯通率, 围压在实际试验过程中简化为正常金属环固定, 并垫橡胶片使试件受力表面平行度和平面度符合要求^[14]。

1.2 试验设计

设计正交试验^[15], 考察的正交因素有裂隙率、裂隙倾角。根据实际岩层的裂隙倾角^[16]设计试验裂隙倾角为0°、30°、45°、60°、90°, 按贯通程度分为100%、75%、50%、25%、0%五类。因为动力学试验的不稳定性, 试验前需要试打, 试验时也常需要多次做试验才能得出可靠的结果。为确保试验使用量, 本试验增加制作一组裂隙率为0%的砂浆试件, 共制作47组, 共141个Φ73 mm×37 mm圆柱体动力学试件。

1.3 实验过程 1.3.1 试件制作

(1) 模具准备。每次拆模完成后在模具中安装设计预设裂隙塑料片, 涂刷隔离剂。

(2) 称取材料。按水、沙子、水泥比例^[17]为1:4:2称取材料。

(3) 搅拌砂浆, 装样。注意装入及振捣过程中不要对预设裂隙塑料片造成损害, 以免影响试件裂隙角度等。

(4) 试件成型与养护。置于室内空气中保湿养护12 h左右后取出预设裂隙塑料片, 继续置于空气中; 24 h后放入养护箱内进行养护^[18]。

1.3.2 主体试验步骤

(1) 为SHBP实验系统入射杆和透射杆贴应变片并进行标定^[19], 围压加载装置使用同样应变片对围压进行测量。

(2) 进行仪器调试, 确保输入杆和输出杆的接触端面在接触时完全紧密结合, 并且确保输入杆和输出杆的接触面不能错开, 检查包括气枪、测速仪、信号采集系统等全部试验仪器能否工作正常。

(3) 将预制裂隙试件磨平, 磨平时要确保试件上下两平面相互平行, 以减少SHBP试验系统^[20-22]进行冲击时可能产生的误差。

(4) 进行仪器参数设置^[23-25], 包括应力应变通道、电荷测量通道、电压测量通道以及触发电压等参数的设置。

(5) 试验数据处理。试验结束后, 将SHPB试验系统采集到的数据通过动态信号采集分析系统^[26]对试验已经取得的所有波形数据进行滤波处理。处理完成后的波形, 用EXCEL文本形式输出, 方便进一步通过SHPB数据处理软件对试件的相应参数进行计算。

2 试验结果及分析

由于试验组数较多, 选取部分试验结果见表 1~3, 表中的试件标号中A、B、C、D、E分别表示试件的裂隙倾角为0°、30°、45°、60°、90°, 字母后的第一个数字编号0、1、2、3、4分别表示试件的裂隙贯通率为0、25%、50%、75%、100%;字母X、Y、Z分别代表倾角为30°贯通率为25%、倾角为90°贯通率为25%和倾角为90°贯通率为100%三种类型的试件, 字母后面的第一个数字编号1、2表示围压分别是1和2 MPa, 第二个数字编号1、2、3表示冲击气压值分别为0.2、0.3和0.4 MPa。

2.1 倾角对预制裂隙砂浆试件的影响

图 1为不同裂隙倾角对相同贯通率下试件峰值应力的影响曲线图。纵向对比相同贯通率下的各组试件的峰值应力:A1/B1/C1/D1(25%)、A2/B2/C2/D2(50%)、A3/B3/C3/D3(75%)、A4/B4/C4/D4(100%)。通过图 1可明显看出, 预制裂隙试件的峰值应力与裂隙的倾角并无线性关系。

从图 1中可以得出一个普遍规律:在不同贯通率、不同冲击气压的情况下, 试件的预制裂隙倾角在45°时, 其峰值应力相比倾角在30°和60°时下降更明显。在气压值为0.2 MPa的冲击气压下, 完整试件的平均峰值应力为12.31 MPa。图 2为在0.2 MPa冲击气压下25%贯通率试件的峰值应力随裂隙倾角的变化曲线图。由于试件预制裂隙贯通率较小, 不同倾角裂隙下峰值应力变化并不大, 完整试件与峰值应力最小的一组数据相差不足2 MPa。由于试验存在误差, 这组数据并不能明显看出预制裂隙倾角对于试件峰值应力的影响。

为更明显地看出预制裂隙倾角对试件峰值应力的影响, 对0.4 MPa冲击气压下100%贯通率的预制裂隙试件试验结果进行分析, 结果如表 4所示。

从表 4可以看出:预制裂隙倾角在0°和90°时, 试件的峰值应力变化相对较小, 这一规律对于不同冲击气压及不同贯通率下的试件同样适用, 具体结果不再通过图表列出。本研究分析认为, 当预制裂隙与SHPB系统入射波、透射波以及反射波方向相同时, 裂隙对试件在此方向冲击的影响较小; 当预制裂隙与SHPB系统入射波、透射波以及反射波方向垂直时, 相当于两个分开试件同时进行试验。故在预制裂隙倾角为0°和90°时, 裂隙试件的峰值应力与完整试件的峰值应力相差较小。

2.2 贯通率对预制裂隙砂浆试件的影响

对比相同预制裂隙倾角下, 裂隙贯通率对试件的峰值应力的影响如图 3所示。分析图 3可得出:

(1) 预制裂隙试件的峰值应力与试件贯通率呈现出线性关系, 预制裂隙试件的峰值应力随着贯通率的增大而明显降低。

(2) 峰值应力变化受到贯通率和冲击气压的双重影响。

(3) 不同倾角下峰值应力的变化幅度有所不同。预制裂隙倾角为45°时, 试件的峰值应力受贯通率影响变化最大。

2.3 围压对预制裂隙砂浆试件的影响

表 5列出了不同围压下同种试件的子弹平均初速度、平均峰值应力、平均应变率等试验结果。其中X组为施加围压下的试件, 与B1组无围压试件的试验结果对比如下。

由试验数据可以明显看出, 施加围压可以增强所有种类试件的峰值应力, 增强幅度受围压大小的影响, 对于高贯通率的预制裂隙试件的增幅更明显。通过使用OriginPro软件对试验数据分析整理, 对同一类型的砂浆试件在不同围压下的应力-应变曲线进行类比, 以此分析加载围压对预制裂隙砂浆试件动态强度的影响, 对比曲线如图 4所示。

综合图 4、5可知, 增大围压不仅可以增强试件的峰值应力; 相对于无围压试件, 峰值应变也有明显增大, 而且在增大冲击荷载的情况下, 峰值应变的增加幅度也有明显提升。试件表面虽然出现裂纹却依然能保持一定的整体性, 出现了一定塑性表现。由于试验采用的是预制裂隙水泥砂浆试件模拟裂隙岩体, 其主要成分水化硅酸钙是一种结晶不完整材料, 形态为复杂网状多孔结构, 强度小于水泥砂浆中的沙粒, 这就导致水化硅酸钙在施加围压的情况下发生破坏, 而细骨料在其中发生了相对滑移。因此混凝土类材料的塑性产生机理是微观结构发生破坏, 与金属塑性不同, 所以被称为伪塑性。

3 结论

(1) 裂隙倾角与试件的动态峰值应力并非呈线性关系, 45°裂隙倾角的动态峰值应力比0°、30°、60°、90°情况下的低。随着预制裂隙贯通率增大, 试件的峰值应力明显下降, 两者变化存在线性关系。

(2) 在无围压条件下, 试件在冲击载荷作用下呈现脆性破坏, 随着冲击强度的提升, 试件的动态峰值应变变化很小。而在施加围压条件下, 不仅试件的峰值应力增大, 不同冲击荷载下试件的动态峰值应变也有明显提高, 试件的动强度得到了有效增大, 说明实际裂隙岩体在自然存在的静压力下, 其动态抗压强度会提高。

(3) 随着应变率的增大, 试件的强度得到提高, 说明裂隙岩体具有应变率敏感性。

(4) 对于施加围压的试件, 从破坏形态来看, 试件的表面虽然已经能看到细微的裂纹, 但试件仍保持较好的整体性。在围压下, 水泥砂浆表现出了一定的塑性变形, 即变形量很大, 但试件仍未破坏, 称为伪塑性。