不同孔隙率紅砂巖的動(dòng)力響應(yīng)特性試驗(yàn)

陸 華， 王建國(guó)， 楊繼清， 黃 博

(1. 北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院， 銀川 750021； 2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 昆明 650201；3．青島地鐵集團(tuán)有限公司工程建設(shè)分公司， 山東青島 266000)

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不同孔隙率紅砂巖的動(dòng)力響應(yīng)特性試驗(yàn)

陸 華1， 王建國(guó)2， 楊繼清2， 黃 博3

(1. 北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院， 銀川 750021； 2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 昆明 650201；3．青島地鐵集團(tuán)有限公司工程建設(shè)分公司， 山東青島 266000)

摘要：采用分離式霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的試樣加工后進(jìn)行相似速率條件下的沖擊試驗(yàn)，得到了沖擊荷載作用下一定范圍內(nèi)的不同孔隙率紅砂巖的相關(guān)動(dòng)力特性。即在相似沖擊速率下，隨著紅砂巖的孔隙率從5.67%增大到11.86%，其反射波幅值逐漸增大，透射波幅值逐步減小，透射波峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著孔隙率的增大而提前；動(dòng)力傳遞率隨著孔隙率的增大呈指數(shù)下降；動(dòng)態(tài)彈性模量和峰值強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而明顯減小，峰值強(qiáng)度降低率隨孔隙率的增加基本呈直線上升；當(dāng)孔隙率在5.67%～8.32%區(qū)間變化時(shí)，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變相差不大，但是當(dāng)孔隙率增為11.86%時(shí)，無(wú)論是峰值強(qiáng)度還是峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變都顯著減小。

關(guān)鍵詞：沖擊動(dòng)力學(xué)； SHPB； 孔隙率； 紅砂巖； 應(yīng)力波； 動(dòng)力響應(yīng)

1引 言

巖石材料內(nèi)部存在著大量的孔隙，使得巖石結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出非連續(xù)、非均勻、各向異性和非線性等特征，嚴(yán)重影響巖石的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能〔1〕。同時(shí)，巖石材料的力學(xué)性質(zhì)還與外部加載條件，如加載速率、載荷大小以及耦合情況有關(guān)〔2〕。HILTL, MICHAEL等〔3〕通過(guò)試驗(yàn)探究了干燥和飽和水兩種情況下，孔隙率對(duì)紅砂巖的擾動(dòng)恢復(fù)能力的影響；盧應(yīng)發(fā)、田斌等〔4-5〕對(duì)大孔隙率砂巖在不同飽和液體情況下的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以?xún)煞N破壞理論對(duì)大孔隙率砂巖的破壞特征進(jìn)行了解釋?zhuān)稽S先伍等〔6〕利用一種專(zhuān)利裝置與MTS815.02型巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了破碎砂巖的穩(wěn)態(tài)滲透試驗(yàn)，得到了不同孔隙率下破碎砂巖的滲透率和非Darcy流β因子；SKRIPKIN等〔7〕對(duì)水、油、氣三相狀態(tài)下砂巖滲透率的測(cè)試系統(tǒng)及方法進(jìn)行了改進(jìn)；楊永明、鞠楊等〔8〕利用自制的孔隙物理模型，通過(guò)單軸壓縮和CT掃描試驗(yàn)研究了受載條件下孔隙率對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)的演化及其對(duì)外部物理力學(xué)性能的影響，得到了不同加載階段和不同CT觀察尺度下孔隙模型的裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及孔隙和固體介質(zhì)的損傷變化情況；隨后，又以砂巖為研究對(duì)象，重構(gòu)了三維孔隙模型，應(yīng)用數(shù)值模型試驗(yàn)的方法，分析并探討了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)孔隙砂巖力學(xué)性能的影響，揭示了孔隙巖石變形破壞的內(nèi)在機(jī)制〔9〕；韓國(guó)鋒等〔10〕利用風(fēng)化的高孔隙率巖石進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究了巖石在壓縮帶形成過(guò)程中的滲透性變化特征、卸載圍壓時(shí)滲透性變化、體積應(yīng)變與滲透性變化的關(guān)系。

以上研究基本是考察靜力條件下，巖石孔隙率對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)的影響，專(zhuān)門(mén)考察孔隙率對(duì)巖石動(dòng)力特性影響的文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。夏昌敬、謝和平等〔11-12〕利用分離式Hopkinson壓桿裝置進(jìn)行了不同孔隙率人造巖石的沖擊試驗(yàn)，探討了孔隙率對(duì)巖石能量耗散的影響及巖石臨界破壞時(shí)能量耗散情況。高全臣等〔13〕采用分離式霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)流固耦合的多孔隙紅砂巖試樣進(jìn)行了不同沖擊速率下的損傷效應(yīng)對(duì)比試驗(yàn)，提出不同耦合介質(zhì)和孔隙率對(duì)多孔隙砂巖沖擊損傷效應(yīng)的影響關(guān)系。RIVIERE J等〔14〕研究了砂巖在不同應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)聲彈規(guī)律。研究孔隙率對(duì)巖石動(dòng)力特性的影響對(duì)工程爆破等領(lǐng)域意義重大，本文以紅砂巖為例，探究氣-固狀態(tài)下，紅砂巖受沖擊荷載作用后的動(dòng)力響應(yīng)特性。

2試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)的紅砂巖試件來(lái)自廣州地鐵一號(hào)線某段開(kāi)挖工程的施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)大塊紅砂巖取樣后，用取芯鉆機(jī)在外觀較完整均質(zhì)的地方取芯，直徑50mm。經(jīng)切割、端面打磨制成長(zhǎng)度L=100mm，直徑φ=50mm的標(biāo)準(zhǔn)試件40個(gè)，用于研究氣-固狀態(tài)下孔隙率對(duì)紅砂巖動(dòng)力響應(yīng)特性的影響〔15〕。試驗(yàn)前，需將試件放在干燥環(huán)境下7d以上，基本確保試件為全干燥狀態(tài)，以避免孔隙中水介質(zhì)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響。

沖擊試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置由動(dòng)力系統(tǒng)、撞擊桿(子彈)、輸入桿、輸出桿、吸收桿和測(cè)量記錄系統(tǒng)等組成，被測(cè)試樣置于輸入桿和輸出桿之間，如圖1所示〔16〕。

圖1　SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1　SHPB experimental system

動(dòng)力系統(tǒng)中選用尺寸為φ50mm×800mm的子彈，高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)子彈以一定的速度沿軸向沖擊輸入桿，該速度由激光測(cè)速儀在子彈出膛處測(cè)量。試驗(yàn)中沖擊加載信號(hào)及紅砂巖試樣的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量，由粘貼在輸入、輸出桿上的應(yīng)變片，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和信號(hào)記錄、存儲(chǔ)、顯示儀器組成的系統(tǒng)完成。

3沖擊荷載下不同孔隙率紅砂巖的動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1波形分析

子彈和輸入桿均為彈性桿，只發(fā)生彈性變形，根據(jù)一維彈性應(yīng)力波理論，子彈撞擊入射桿后，桿中質(zhì)點(diǎn)的波速與應(yīng)力分別為〔17〕：

(1)

(2)

式中：ρ0，v0分別為撞擊桿的密度和速度；c0為壓桿的彈性波波速；v(t),σ(t)分別是入射桿質(zhì)點(diǎn)的速度和入射波的幅值?？梢?jiàn)，入射波幅值由沖擊速度決定且與其呈線性關(guān)系。若子彈速度基本相近，入射波波幅也基本一致。

試驗(yàn)中，通過(guò)控制氣壓倉(cāng)的充氣值，保持每次的撞擊速度基本恒定。根據(jù)孔隙率大小將試驗(yàn)結(jié)果歸納為4組，選擇每組中具有代表性的一個(gè)比較分析，圖2即為不同孔隙率紅砂巖在相似沖擊速度(約為2.5m/s)下測(cè)得的入射波和反射波波形圖。

圖2　入射波和反射波的波形圖Fig.2　The incident and reflection wave oscillograms

從圖2中可以看出，入射波形狀比較穩(wěn)定，近似為矩形，入射波幅值在相似的速率下基本重合，滿足一維彈性應(yīng)力波理論。

反射波隨著孔隙率的增大出現(xiàn)不同的形狀，當(dāng)孔隙率較小時(shí)，反射波雖接近“U”形，但到達(dá)波峰后又逐漸下降；當(dāng)孔隙率增大為11.86%時(shí)，反射波呈“U”形，峰值形成一個(gè)平臺(tái)。這是由于空氣介質(zhì)與巖石固體具有不同波阻抗，孔隙數(shù)量的增加代表承受和傳遞應(yīng)力波的固體介質(zhì)減少，孔穴界面增多，造成應(yīng)力波在孔穴界面反射的次數(shù)增加，多次反射產(chǎn)生的波疊加效應(yīng)增大了反射波的波幅。

與圖2入射波相對(duì)應(yīng)的透射波如圖3所示。

圖3　透射波形圖Fig.3　The transmission wave oscillograms

透射波幅值隨著孔隙率的增大，明顯減小，當(dāng)孔隙率從5.67%增至11.86%時(shí)，透射波峰值降幅約70.0%。從應(yīng)力波傳播過(guò)程來(lái)看，透射波峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著孔隙率的增大而提前。與反射波的情況一樣，隨著孔隙率的增加，巖石內(nèi)部孔穴增多，即空氣介質(zhì)增多，相應(yīng)的，承載應(yīng)力波的固體介質(zhì)就越少，因此透射波幅明顯隨孔隙率的增大逐步減小。從介質(zhì)的波阻抗角度來(lái)分析，空氣介質(zhì)的波阻抗明顯小于紅砂巖，因此孔隙率高的紅砂巖試件對(duì)透射波傳播的阻隔作用小于孔隙率低的試件，于是有圖中透射波波峰出現(xiàn)的時(shí)間隨著孔隙率的增大而提前的情況。

3.2動(dòng)力傳遞率分析

用透射波峰值與入射波峰值的比值表示動(dòng)力傳遞率，干燥紅砂巖試件的動(dòng)力傳遞率隨孔隙率的變化情況如圖4所示。

圖4　動(dòng)力傳遞率與孔隙率關(guān)系圖Fig.4　The relationship graph between power transmission rate and porosity rate

顯然，紅砂巖動(dòng)力傳遞率隨著孔隙率的增大而遞減，當(dāng)孔隙率從5.67%增大到11.86%時(shí)，紅砂巖的動(dòng)力傳遞率從55.25%迅速降到22.38%，下降趨勢(shì)接近指數(shù)關(guān)系?？紫堵市∮?.32%時(shí)，下降幅度較大，孔隙率繼續(xù)增大，下降趨勢(shì)開(kāi)始變緩，孔隙率大于11.86%的情況有待對(duì)更多不同結(jié)構(gòu)的紅砂巖進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。

3.3應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析

不同孔隙率紅砂巖在沖擊荷載作用下的σ -ε關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5　沖擊荷載下不同孔隙率紅砂巖的σ -ε關(guān)系Fig.5　σ -ε curve of red sandstone under differentimpact loading

當(dāng)孔隙率在5.67%～11.86%范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，紅砂巖試件的σ -ε關(guān)系曲線變化趨勢(shì)基本各不相同，其中孔隙率為11.86%時(shí)，σ -ε關(guān)系曲線變化顯著，整個(gè)加載過(guò)程中基本未出現(xiàn)彈性階段，表現(xiàn)出明顯的塑性特性，巖石出現(xiàn)應(yīng)變軟化，即隨著應(yīng)力的加大，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速率加快。此外，從不同孔隙率的σ -ε關(guān)系曲線可以看出：紅砂巖的動(dòng)態(tài)彈性模量和峰值強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而明顯減小，當(dāng)孔隙率在5.67%～8.32%區(qū)間變化時(shí)，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變相差不大，約為0.0045；但是當(dāng)孔隙率增為11.86%時(shí)，無(wú)論是峰值強(qiáng)度還是峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變都顯著減小。

試驗(yàn)不同孔隙率紅砂巖試件的沖擊測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)表1。選擇孔隙率最小的試驗(yàn)試樣的峰值應(yīng)力為參照標(biāo)準(zhǔn)，按照孔隙率由小到大的順序，繪制峰值應(yīng)力降低率隨孔隙率變化的關(guān)系，如圖6所示。隨著孔隙率的增大，紅砂巖試件的峰值應(yīng)力降低率基本呈直線上升。說(shuō)明紅砂巖的峰值強(qiáng)度具有很強(qiáng)的孔隙率敏感性。

表1　相似沖擊速度下不同孔隙率紅砂巖的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

圖6　峰值應(yīng)力降低率隨孔隙率的變化關(guān)系Fig.6　The relationship graph between reduction rate of peak stress and porosity rate

4結(jié) 論

(1)相似沖擊速度下，隨著紅砂巖的孔隙率從5.67%增大到11.86%，其反射波幅值逐漸增大；透射波幅值則隨著孔隙率的增大而減小，當(dāng)孔隙率增至11.86%時(shí)，透射波降幅達(dá)70%左右；透射波峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著孔隙率的增大而提前。

(2)相似沖擊速度下，當(dāng)孔隙率在5.67%～11.86%范圍變化，紅砂巖的動(dòng)力傳遞率隨孔隙率的增加呈指數(shù)形式下降。

(3)紅砂巖的動(dòng)態(tài)彈性模量和峰值強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小，當(dāng)孔隙率在5.67%～8.32%區(qū)間變化時(shí)，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變相差不大；但是當(dāng)孔隙率增為11.86%時(shí)，無(wú)論是峰值強(qiáng)度還是峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變都顯著減小。

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Dynamic response characteristics experiment of red sandstone under different porosity

LU Hua1, WANG Jian-guo2, YANG Ji-qing2, HUANG Bo3

(1．School of Civil Engineering, Northern University for Nationalities, Yinchuan 750021, China;2．College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;3．Qingdao Metro Group Co.,Ltd., Engineering Construction Branch, Qingdao 266000, Shandong, China)

ABSTRACT：Impact experiment under similar velocity on field specimen after being processed was carried out with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. Dynamic response characteristics of red sandstone with different porosity were achieved in a certain range of impact loading. From the experiment, the following conclusions were obtained, under the similar impact velocity, as the red sandstone porosity increased from 5.67% to 11.86%, the reflection amplitude value increased gradually, but the transmission amplitude value reduced little by little. The peak value of transmission wave turned out in advance with the increasing of porosity. Power transmission rate reduced exponentially with the increasing of porosity. Dynamic elastic modulus and peak strength decreased with the increasing of porosity and peak intensity reduction rised in a straight line with the increasing of porosity.The strain corresponding with peak intensity changed unconspicuously when the porosity varied from 5.67% to 8.32%, but when the porosity increased to 11.86%, both the peak value strength and the corresponding strain were significantly reduced.

KEY WORDS:Impact dynamics; SHPB; Porosity; Red sandstone; Stress wave; Dynamics response

文章編號(hào)：1006-7051(2016)02-0019-05

收稿日期：2015-10-20

基金項(xiàng)目：北方民族大學(xué)國(guó)家自科培育項(xiàng)目(2014Q2P06)

作者簡(jiǎn)介：陸 華(1978-)，女，博士、講師，從事巖石動(dòng)力學(xué)方面的研究。E-mail：8494122@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235.2； TU458+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.004