一维动静组合加载下石灰岩力学特性试验研究

方兆惠，平 琦，张 号

(1.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

随着我国深部资源开采和城市地下工程的日益增多、难度日益增大[1]。给岩石力学的发展带来机遇，同时也提出了严峻挑战。岩石是一种自然界存在的天然材料，其物理力学性质极其复杂。很多学者对静载或准静载作用下的岩石力学性质开展了大量的试验研究，并取得了丰硕成果[2-3]。相对而言，对动载作用下的岩石力学特性还需深入研究。如今，冲击荷载作用下岩石的动态力学特性已引起学术界广泛关注。

近年来，国内外相关学者对不同应变率下岩石的破坏形式开展许多卓有成效的研究[4-10]。文献[11]采用SHPB试验装置对砂岩进行了高应变率动态拉伸试验，分析了砂岩试件的应变率效应；文献[12]通过分离式SHPB试验装置对岩石在不同高温下的研究，探索了温度对岩石性能的影响；文献[13]利用SHPB试验装置对岩石在不同长径比下的研究，探明了长径比对试件两端的应力平衡状态有显著影响。这些SHPB试验研究并未考虑轴压对岩石力学性能的影响。如今，动静组合状态下岩石的破坏已经广泛的存在各种工程事件中，越来越引起人们的重视。文献[14]利用改进的SHPB试验装置对岩石在动静组合加载下的动态力学性质进行一系列研究，已经取得了一些有价值的研究成果。

本文以石灰岩为研究对象，利用改进的SHPB试验装置进行动静组合下的冲击压缩试验，探索石灰岩在动静组合下的破坏机理，为岩体施工的稳定性提供一定的理论依据。

1 SHPB试验

1.1 试件制备

本文试验所用的岩样采自安徽淮南舜耕山的石灰岩，选取完整性和均质性较好的岩样作为研究对象。所有试件统一加工成圆柱体，根据国际岩石力学学会推荐使用的试验方法[15]，静载和动载试验的试件尺寸分别选取φ50mm×100mm，φ50mm×25mm。对岩样进行取芯、切割、打磨，使其符合规范要求[16]。采用RMT-150试验装置对石灰岩试件进行静载力学性能试验，有关参数如表1所示。

表1 石灰岩静载力学基本参数

1.2 加载试验装置

本文采用安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室引进的SHPB试验装置为试验的加载系统。该装置的撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆均采用40Cr合金钢制成，泊松比为0.28，纵波波速为5 410m/s。入射杆和透射杆长度分别为2 000mm和1 500mm，直径为50mm。撞击杆采用纺锤型，利用其产生的半正弦应力波以实现恒应变率加载[17]。数据采集和显示设备为SDY2107A超动态应变仪和DL850E示波器。

1.3 试验数据

采用改进的SHPB试验装置对石灰岩试件进行动静组合加载试验时，选取其静态强度的40%为轴压对石灰岩试件进行预加载[18]，即轴压为24MPa。试验结果如表2所示。

应变率为10～200s-1范围内，无轴压时，试件动态强度从77.03MPa增加到171.9MPa，相对于静态强度增加13%到286%；有轴压时，试件动态强度从71.21MPa增加到206.59MPa，相对于静态强度增加12%到343%。可见应变率大于10s-1时，石灰岩试件动态抗压强度受应变率的影响均较大。

表2 石灰岩SHPB试验结果

2 试验结果分析

2.1 动态应力-应变曲线分析

无轴压时，石灰岩试件在不同应变率下的动态应力-应变曲线，如图1所示。

图1 无轴压时石灰岩试件应力-应变曲线

从图1可以看出，应变率较低时，石灰岩试件达到峰值应力后，应变发生小幅度的减小。这是因为应变率较低，试件没有达到完全破坏的程度，仍然有一定的承载能力。当其内部储存的弹性能大于加载的动能时，内部的弹性能释放出来，试件变形发生小幅度的回弹，应变随之减小。当应变率为98s-1时，试件动态应力-应变曲线的峰后阶段应力跌落很快，应变变化很小。应变率为(120～130s-1左右)时，试件承受外界的动能远大于内部储存的弹性能。在达到试件峰值应力后会继续吸收能量，试件残余强度会不断降低，应变持续增大，因此试件会受到严重的破坏。

有轴压时，石灰岩试件在不同应变率下的动态应力-应变曲线，如图2所示。

图2 有轴压时(24MPa)试件应力-应变曲线

从图2可以看出，有轴压时石灰岩试件动态应力-应变曲线形态与无轴压时明显不同，区别最大的是有轴压时试件动态应力-应变曲线没有屈服阶段。出现此现象是因为轴压抑制了试件裂纹的开展，因此应力增长较小时不会引起应变的快速增加。通过对比有无轴压时试件动态应力-应变曲线，发现相同轴压时，试件动态应力-应变曲线形态基本相似；不同轴压时，试件动态应力-应变曲线形态有所不同，是因为轴压不同造成的。

2.2 动态强度增长因子与应变率关系

定义动态强度增长因子(Dynamic Increase Factor，DIF)为试件动态抗压强度和静态抗压强度的比值。即

(1)

式中：σd为试件动态抗压强度，σc为试件静态抗压强度。

从表2可以看出，无轴压时，当石灰岩试件应变率从56s-1增加至144s-1时，动态强度增长因子从1.19增加至2.55，增幅达114%。其拟合关系如式(2)所示

(2)

有轴压时，当石灰岩试件应变率从27s-1增加至112s-1时，动态强度増长因子从1.18增加至3.43，増幅为191%。其拟合关系如式(3)所示

(3)

通过式(2)、式(3)可知，有无轴压时试件动态强度增长因子均与应变率呈线性增加，相关性很强。

石灰岩试件动态强度增长因子与应变率的关系，如图3所示。

图3 DIF与应变率的关系图

从图3可以看出，若应变率相同，有轴压时试件动态强度增长因子比无轴压时大。是因为轴压抑制了试件内部裂纹的扩展，其承载能力有一个突跃增加。在轴压作用下试件内部的裂缝压缩闭合，应力波可以在试件内部直接传播，减少了应力波在裂缝中来回反射产生的拉应力破坏。无轴压时，试件内部有众多裂缝，应力波在裂缝中来回反射，产生的拉应力造成试件多次破坏。因此，轴压作用下试件动态抗压强度明显提高。

2.3 能量规律分析

石灰岩试件透射能与入射能的关系，如图4所示。

图4 透射能与入射能关系图

从图4可以看出，透射能随着入射能的增加而增加。当入射能较小时，透射能与入射能近似线性增加；当入射能较大时，透射能的增量随入射能的增加而减小。当入射能较小时，试件发生轻微的破坏，此时入射能跟透射能近似相等，呈线性关系；当入射能较大时，试件发生严重的破坏，此时透射能相对趋于稳定，入射能的增量主要被试件破坏所吸收。

石灰岩试件单位体积吸收能与入射能的关系，如图5所示。

图5 单位体积吸收能与入射能关系图

从图5可以看出，有轴压时，当入射能较小，试件单位体积吸收能为负值。因为在轴压作用下试件处于弹性阶段，其内部储存了大量的弹性能，此时试件仍然保持稳定状态。当试件受到较小的冲击作用时，试件内部的弹性能会突然释放出来，形成岩爆。由于释放的弹性能超过加载的动能时会释放出能量，因此单位体积吸收能表现为负值，此时试件整体不会失稳。因为试件内部能量的释放，卸载后应变会发生部分减少。当入射能较大时，此时试件内部释放的弹性能小于加载的动能，这时试件会被破坏。试件单位体积吸收的能量越多破碎的越严重。无轴压时，因为没有轴压的作用，试件内部弹性能远小于加载的动能，因此在较小的入射能下，试件就会被破坏。通过对比分析，有无轴压作用时，石灰岩试件单位体积吸收能均随入射能增加而增大；入射能相同，有轴压时试件单位体积吸收能比无轴压时小；随入射能增大，透射能相对趋于稳定，此时试件单位体积吸收能迅速增加。

2.4 试件破坏形态

石灰岩试件在不同应变率下的破坏形态，如图6所示。

图6 不同应变率石灰岩试件动态破坏形态

从图6(a)可以看出，无轴压时，在冲击荷载作用下，试件碎块大多呈规则长条形，破裂面平行于轴向方向，因此试件在轴向冲击荷载作用下发生劈裂破坏。当应变率为56s-1时，收集的石灰岩是几个大的碎块。当应变率为98s-1时，收集的石灰岩是众多较大的碎块。在应变率为(130s-1左右)时，收集的石灰岩出现更多小碎块和部分碎屑。产生这种差异的原因，是试件在不同的应变率作用下，能够在极短的时间内积聚不同的能量，促使岩石本身固有和新生成的裂隙向不同的方向发展。因此在其他条件相同时，应变率越大，试件破坏的越严重。通过观察石灰岩试件在不同应变率下的破坏形态可以确定无轴压时试件为劈裂破坏。

从图6(b)可以看出，有轴压时，石灰岩试件受端部效应作用发生应力集中，同时试件内部微裂纹在轴压的作用下扩展，形成潜在的剪切破坏面。当应变率为27s-1时，收集的石灰岩没有明显的破坏。当应变率为59s-1时，试件侧面发生了岩屑剥落弹射，发生岩爆现象。当应变率为90s-1时试件表面存在明显倾斜状裂缝，这是因为试件破坏释放了内部存储的弹性能，但其仍然有一定的抗压强度。当应变率为113s-1时，试件出现整体破碎，碎块呈不规则形状。通过观察石灰岩试件在不同应变率下的破坏形态可以确定有轴压时试件为压剪破坏。

3 结论

(1)石灰岩试件动态应力-应变曲线受轴压影响较大，轴压不同时曲线形态有所不同，轴压相同时曲线形态基本相似。临界破坏时，当试件内部储存的弹性能大于加载的动能时，内部的弹性能得以释放出来，试件侧面岩屑剥落弹射。试件破坏形态表现为无轴压时劈裂破坏，有轴压时压剪破坏。

(2)有无轴压作用时，石灰岩试件动态强度增长因子均与应变率呈线性增加。应变率相同，有轴压时试件动态强度增长因子比无轴压时大。这是因为轴压抑制了试件内部裂纹的扩展，使其承载能力有一个突跃增加。

(3)有无轴压作用时，石灰岩试件单位体积吸收能均随入射能增加而增大；入射能相同，有轴压时试件单位体积吸收能比无轴压时小；随入射能增大，透射能相对趋于稳定，此时试件单位体积吸收能迅速增加。