層狀節(jié)理巖體模型沖擊實(shí)驗(yàn)*
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曾 晟1，江博為1，鄧顯石2，孫冰2，譚 均2
（1．南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽421001；2．南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南衡陽421001）
摘要：為研究層狀節(jié)理巖體在沖擊荷載作用下的力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)采用水泥砂漿預(yù)制層狀節(jié)理巖體模型，設(shè)計(jì)4個(gè)落錘高度對(duì)不同節(jié)理組數(shù)的巖體進(jìn)行沖擊加載。通過對(duì)沖擊過程中載荷及加速時(shí)程信號(hào)的分析處理，得出節(jié)理巖體動(dòng)態(tài)承載力與節(jié)理組數(shù)呈負(fù)相關(guān)性，壓縮位移與沖擊高度呈正相關(guān)性；當(dāng)沖擊荷載較小時(shí)，節(jié)理巖體動(dòng)態(tài)壓縮位移主要來自節(jié)理法向閉合，節(jié)理周邊開始產(chǎn)生細(xì)微裂縫；隨著沖擊荷載的逐漸增大，裂縫逐漸沿節(jié)理面擴(kuò)展貫通導(dǎo)致巖體破壞。
關(guān)鍵詞：巖石動(dòng)力學(xué)；模型實(shí)驗(yàn)；沖擊荷載；層狀節(jié)理
中圖分類號(hào)：X936 doi：10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 033
0 引 言
工程巖體大都經(jīng)受長期復(fù)雜的地質(zhì)作用，形成了多種多樣的節(jié)理及軟弱面，使得巖體的強(qiáng)度大大降低。并且，這些結(jié)構(gòu)面使得巖體受力特征表現(xiàn)為各向異性，嚴(yán)重威脅了巖體工程的安全性和穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中的巖體大多是含有不同等級(jí)裂隙的節(jié)理巖體，因此，研究含節(jié)理巖體的力學(xué)特性，特別是在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)，才能真實(shí)地反映工程巖體的實(shí)際力學(xué)行為。節(jié)理巖體在動(dòng)荷載條件下的力學(xué)特性、破壞機(jī)理和力學(xué)參數(shù)的研究具有重要的工程意義。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)節(jié)理巖體力學(xué)特性從實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬3個(gè)方面開展了一系列的研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面有：Brown等…較早通過節(jié)理巖體的力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，獲得巖體的動(dòng)態(tài)變形隨節(jié)理密度的增大而增強(qiáng)的結(jié)論；Pyrak - nolte等提出動(dòng)載作用下巖體節(jié)理剛度恒大于其準(zhǔn)靜態(tài)剛度；Bagde等指出靜態(tài)循環(huán)荷載作用下巖石的變形和強(qiáng)度受加載峰值與頻率影響較大；Jiang和Grasselli等建立了節(jié)理表面粗糙度參數(shù)與抗剪強(qiáng)度的本構(gòu)關(guān)系；王瑞紅等通過節(jié)理巖體卸荷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)節(jié)理巖體卸荷破壞時(shí)從峰值強(qiáng)度至殘余強(qiáng)度過程中軸向應(yīng)變較大，脆性特征不明顯，變形特征受到節(jié)理傾角與圍壓的影響，最大主應(yīng)力方向張性裂隙非常發(fā)育。在
理論研究方面有：Cai J G等研究了彈性縱波在節(jié)理巖體中的傳播特征和衰減規(guī)律；葛濤等利用力學(xué)模型分析了巖石在沖擊荷載作用下破壞過程，認(rèn)為沖擊荷載區(qū)域的變形近似為一維變形狀態(tài)；宋林等采用時(shí)域分析方法分析了節(jié)理非線性特征、節(jié)理剛度、應(yīng)力波入射角和入射波幅值等因素對(duì)縱波在巖石節(jié)理中傳播規(guī)律的影響，同時(shí)指出節(jié)理面剪切滑移效應(yīng)對(duì)波的傳播規(guī)律以及能量的變化規(guī)律有影響；陳贊成等采用工程地質(zhì)力學(xué)方法對(duì)某鐵礦山的地質(zhì)、節(jié)理裂隙以及巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分類，并對(duì)該工程巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與分類。在數(shù)值模擬研究方面有：節(jié)理巖體數(shù)值模擬的方法主要有有限元法、離散元法和有限差分法，如唐春安等采用RFPA2D對(duì)節(jié)理巖體進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，證實(shí)了巖石的非均勻性、層狀結(jié)構(gòu)面傾角大小對(duì)節(jié)理巖體的變形、破裂過程及其破壞模式有很大的影響；吳瓊等應(yīng)用三維離散單元法開展了復(fù)雜節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)及空間各向異性研究；朱道建等應(yīng)用FLAC3D對(duì)節(jié)理巖體進(jìn)行單軸與三軸壓縮的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，分析了破壞過程變形、塑性破壞區(qū)和能量的耗散規(guī)律。
專家學(xué)者的研究主要集中在研究1組節(jié)理巖體在靜載作用或卸荷作用下的變形特性、破壞機(jī)理以及彈性波在節(jié)理中的傳播規(guī)律等，對(duì)于2組節(jié)理巖體的動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性研究有少量的文獻(xiàn)報(bào)道，而在多組復(fù)雜節(jié)理控制下的巖體其力學(xué)特性，特別是動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性的文獻(xiàn)報(bào)道就更少，因此，對(duì)于復(fù)雜節(jié)理控制下的巖體其力學(xué)特性、破壞模式有待進(jìn)一步研究。針對(duì)巖體工程的動(dòng)力失穩(wěn)破壞模式以及受力特性，本文基于相似原理，采用水泥砂漿制作了層狀節(jié)理巖體模型，開展了層狀節(jié)理巖體在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性以及動(dòng)力破壞特征的沖擊加載實(shí)驗(yàn)研究。這將為地下工程圍巖結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性分析和圍巖支護(hù)體系在動(dòng)荷載作用下安全可靠性評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。
1 實(shí)驗(yàn)研究
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備加載
實(shí)驗(yàn)采用XJL - 98落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，選用5 kg球形鋼質(zhì)重錘進(jìn)行沖擊加載，并將3 mm厚的鋁合金板置于加速度傳感器上方，以獲得穩(wěn)定的沖擊過程，實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖1。同時(shí)使用96 kHz采樣頻率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)量試塊的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中采用的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2。
1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?
由于采集含規(guī)則節(jié)理的天然巖體比較困難，實(shí)驗(yàn)配置與其物理力學(xué)參數(shù)接近的水泥砂漿模擬巖體。選用標(biāo)號(hào)為32.5的普通硅酸鹽水泥、含水率為3%的河沙和自來水，以質(zhì)量比為水泥：砂：水=1：3.9：1，試配強(qiáng)度等級(jí)為M15的水泥砂漿制作含1組、2組、3組節(jié)理及無節(jié)理邊長為150 mm的立方體巖體試樣。其中節(jié)理巖體試樣制作是在試樣入模振搗后，隨即將0.3 mm厚的不銹鋼片貫穿插入試樣，待初凝后拔出，形成含不同組數(shù)節(jié)理的層狀巖體如圖3，澆筑1 d后脫模，運(yùn)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行沖擊加載實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得完整巖體模型標(biāo)養(yǎng)28 d后抗壓強(qiáng)度為15.6 M Pa，彈性模量為2. 72 G Pa，泊松比為0.27。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
2.1 不同節(jié)理組數(shù)巖體試樣沖擊規(guī)律研究
選用落錘沖擊高度2m，對(duì)含0~3組不同節(jié)理組數(shù)試樣進(jìn)行4組沖擊實(shí)驗(yàn)，每組沖擊3次，通過力傳感器測(cè)得平均沖擊力時(shí)程如圖4所示，圖中可見無節(jié)理完整巖體試樣沖擊荷載峰值最大，隨著節(jié)理組數(shù)的增加，沖擊荷載峰值降低，加載時(shí)長相近，均在1ms左右，隨著節(jié)理組數(shù)增加，荷載極值降低，加載速率下降。不同節(jié)理組數(shù)試樣在落錘沖擊高度為2m時(shí)的動(dòng)量與沖量統(tǒng)計(jì)如表1，其中沖量是各組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的荷載時(shí)程積分，落錘動(dòng)量的計(jì)算是假設(shè)落錘完全沒有回彈的情況，如式(1):
在碰撞過程中，落錘動(dòng)量轉(zhuǎn)化為沖量，由表1統(tǒng)計(jì)可見不同工況的沖量始終小于計(jì)算得到的落錘初始動(dòng)量，證明沖擊后落錘仍有殘余速度，隨著節(jié)理組數(shù)的增加，其沖量持續(xù)降低，節(jié)理裂隙破壞了巖體的整體性，隨著節(jié)理組數(shù)的增加，試樣的抗沖擊強(qiáng)度逐漸降低。
通過豎向加速度時(shí)程積分，得到豎向位移時(shí)程如圖5。隨著節(jié)理組數(shù)增加，巖體試樣豎向位移增大，節(jié)理組數(shù)對(duì)巖體試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有一定的影響，力和位移曲線如圖6，可見隨節(jié)理組數(shù)的增加導(dǎo)致落錘對(duì)巖體試樣做的功減少。試樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨著節(jié)理組數(shù)增加而降低是因?yàn)楣?jié)理面間的能量衰減造成的。由于節(jié)理的存在，破壞了試樣本身的均勻性，把試樣分割開，改變了試樣的原有尺寸，也影響了試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。
2.2 不同高度下巖體試樣沖擊規(guī)律研究
選用含一組節(jié)理巖體試樣J，，分別在0.5 m、1．0m、1.5 m和2.0 m下落高度下進(jìn)行4組沖擊實(shí)驗(yàn)，得到力時(shí)程曲線如圖7。圖中可見隨著落錘下落高度增加，峰值荷載增加。當(dāng)落錘下落高度為2m時(shí)，加載時(shí)長最大為1ms左右，其他3組實(shí)驗(yàn)的加載時(shí)長相近，在0.85 ms左右。
相同節(jié)理組數(shù)試樣在不同高度下的動(dòng)量與沖量統(tǒng)計(jì)如表2，沖量始終小于落錘初始動(dòng)量，說明沖擊過程存在塑性變形，并由于節(jié)理的存在增加了沖擊能量耗散。但隨著下落高度的降低，沖量與動(dòng)量之間相差越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)下落高度增加到2m時(shí)，巖體試樣發(fā)生破壞，喪失承載能力，而其他下落高度只產(chǎn)生細(xì)微裂縫。這是因?yàn)閹r體在沖擊荷載作用下，根據(jù)彈性損傷理論，其彈性模量隨著損傷的增加逐漸降低，損傷方程如式(2)：
式中：E為損傷后的彈性模量，E0為初始彈性模量，D為損傷變量。損傷變量如式(3):
式中： λ 為殘余強(qiáng)度系數(shù)，εt為極限彈性變形的應(yīng)變，εtu為試樣喪失承載能力時(shí)的臨界應(yīng)變。所以預(yù)測(cè)巖體試樣的動(dòng)態(tài)變形是隨著動(dòng)態(tài)荷載的增加從彈性變形到塑性變形的轉(zhuǎn)變。
將加速度傳感器測(cè)得的加速度進(jìn)行積分得到試樣豎向位移時(shí)程如圖8，圖中可見隨著落錘下落高度的增加，試樣豎向位移逐漸增加，當(dāng)落錘下落高度很小的時(shí)候，豎向位移小于試樣預(yù)制節(jié)理厚度，主要來自于節(jié)理的動(dòng)態(tài)閉合，隨著下落高度增大，巖體試樣動(dòng)態(tài)豎向壓縮位移超過了節(jié)理的最大允許閉合量，試樣內(nèi)部單元損傷量逐漸增長。通過沖擊時(shí)間將沖擊過程中力與位移的變化關(guān)系作曲線如圖9，由圖可知隨著落錘下落高度增加，落錘對(duì)試樣做功增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著落錘下落高度的增加，試樣沿預(yù)制節(jié)理周圍開始產(chǎn)生細(xì)微裂縫，并逐漸與節(jié)理聯(lián)通形成貫通裂縫，直至試樣破壞。
3 結(jié)論
本文通過分析不同節(jié)理組數(shù)相同高度和相同節(jié)理組數(shù)不同高度下巖體模型試樣的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：
1)在相同沖擊高度作用下，沖擊過程中峰值荷載降低，沖擊加載速率下降。落錘沖擊后存在一定的殘余速度，并且隨著節(jié)理組數(shù)的增加，沖擊后落錘的殘余速度增大，落錘對(duì)試樣做功減少。
2)在不同沖擊高度作用下，隨著下落高度的增大，沖擊荷載峰值增大，通過彈性損傷理論，試樣彈性模量隨著損傷的增加逐漸降低，并推測(cè)巖體動(dòng)態(tài)變形隨著荷載增加從彈性變形到塑性變形轉(zhuǎn)變。
3)在動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下，含節(jié)理試樣壓縮變形大于完整巖體，當(dāng)沖擊荷載較小時(shí)，含節(jié)理試樣的豎向位移主要來自張開節(jié)理的閉合。
