干湿循环作用对泥质板岩冲击动力性质的影响

彭 锋

(湖南华达工程有限公司,湖南 长沙 410076)

0 引言

泥岩、页岩、粉砂岩等地质软岩富含黏性土矿物成分，容易发生水物理化学反应，从而导致力学性质降低，即水环境下这些岩石通常会发生软化反应，表现出强度和刚度降低的现象[1-3]。岩石软化效应通常包括长期浸水条件下的力学性质软化[4-6]和干湿循环条件下的力学性质软化[1-11]。目前，干湿循环条件下的岩石力学性质软化研究主要针对静力性质，研究方法主要为单轴或三轴静力抗压试验。例如，王辉等[8]结合单轴抗压试验数据研究了干湿循环作用对大理岩静力损伤特性。郭要辉等[9]利用三轴抗压试验研究了干湿循环作用对不同围压下尾砂力学性质的影响规律。

对于泥岩、页岩、粉砂岩等软岩隧道的开挖工程，爆破是首要问题，它属于冲击动力问题[12]。考虑到干湿循环作用是影响软岩隧道开挖效果的主要影响因素，开展干湿循环下岩石冲击动力特性研究十分必要，可为实际工程中的爆破参数优化设计提供依据。由于试验条件限制，以往很少有研究是针对干湿循环条件下的岩石冲击动力学性质而开展的[13]。究其原因主要在于冲击动力试验对试验条件要求比三轴或单轴静抗压等常规试验高。例如，相比常规静力试验，冲击动力试验需要考虑试样惯性的影响。随着工程界对岩石冲击动力性质问题的日益重视以及试验技术的不断发展，平面波发生器试验[14]、轻气炮撞击试验[15]和分离式霍普金森压杆试验(以下简称SHPB试验)[12-18]逐渐成为研究岩石冲击动力性质的主要方法，其中分离式霍普金森压杆试验最为常用。在SHPB试验中，试样撞击破坏过程的应变率是常数。袁璞等[13]设计了干湿循环条件下煤矿砂岩SHPB试验，以研究干湿循环作用对煤矿砂岩冲击强度等动力性质的影响规律。

泥质板岩属于地质软岩，在我国分布较广。在湖南、湖北和四川等地有许多泥质板岩隧道工程建设项目。工程实践表明，干湿循环是影响泥质板岩隧道爆破开挖效果的重要原因之一。为此，本文通过设计干湿循环条件下的SHPB试验，研究干湿循环作用对泥质板岩的动强度、动弹模等参数的影响，揭示干湿循环作用对泥质板岩冲击动力性质的影响规律，为泥质板岩隧道开挖爆破参数设计等提供依据。

1 试验方案

1.1 试验仪器及基本原理

1.1.1试验仪器

试验设备为SHPB试验机系统。如图1所示，系统主要由撞击杆、入射杆、波形整形器、透射杆、吸收杆、阻尼减震器、撞击测速仪和超动态应变仪等组成。其中，入射杆和透射杆为圆轴杆，直径均为50 mm，长度分别为2.0 m和1.5 m，材质均为40Cr合金材料，密度均为7 810 kg/m3。

图1 SHPB 试验机系统

1.1.2试验基本原理

试验时，撞击杆以一定速度碰撞带波形整形器的入射杆，在入射杆中激发弹性波，撞击杆速度由撞击测速仪器测定。入射杆和透射杆之间是圆柱体试样，试样两端底面分别和入射杆、透射杆接触。弹性波穿过试样进入透射杆内,透射能量最后由透射杆后方的吸收杆和减震阻尼器消耗。通过超动态应变仪测定入射杆和透射杆中的应力波参数，获得试样的加载应变率以及该应变率下的轴向动应力-轴向动应变关系，获得试样的动强度、动弹模等动力破坏与变形的参数。

1.2 试样

泥质板岩试样取自湖南岳阳市，主要的矿物成分按照质量百分比递增排列依次为高岭石、绿泥石、石英和白云母，矿物成分质量百分比依次为8.5%、17.2%、28.2%和39.2%。由于入射杆件和透射杆件的直径均为50 mm，因此，取试样为圆柱体，高度为25 mm，直径为50 mm。

1.3 试验方法

1.3.1干湿循环设计

干湿循环过程:① 首先，利用烘干法制作干燥试样：将烘干箱内烘干温度设置为105 ℃以烘干试样。②得到干燥试样后，利用自由浸水法饱和试样：将干燥试样放入水槽中浸没试样，让试样充分吸水，浸泡时间为12 h。从干燥到饱和，此过程为试样的1次干湿循环作用过程。按此方法对试样进行干湿循环处理。

1组干湿循环试验中有5个试样，设干湿循环次数用N表示，各个试样受到的干湿循环次数分别为N=0、2、5、9、15。考虑到岩石试样的非均匀性通常会导致试验结果出现一定的离散性，设置平行的3组干湿循环试验，一共15个试样。后续试验结果处理取统计均值。

1.3.2加载

利用SHPB试验机系统对经过干湿循环处理的试样开展试验。其中:撞击杆平均速度为3.5 m/s，试样的冲击应变率范围为15.5～51.4 s-1，平均应变率为22.2 s-1。由试验可获得恒定应变率下的单轴动抗压强度、动弹性模量、动泊松比、峰值应力对应的轴向应变等参数[12-17]。

2 试验成果及分析

2.1 轴向的动应力-动应变关系分析

轴向的动应力和动应变分别用σ和ε表示，典型的σ-ε关系曲线如图2所示。

图2 典型的轴向动应力-动应变关系曲线

根据图2，各干湿循环次数作用下泥质板岩的轴向动应力-动应变关系曲线形状是相似的，均为应变软化型曲线，但各曲线并不重合。随着轴向动应变ε从0逐渐增大，轴向的动应力σ也逐渐在增大。当轴向动应变ε较小时，σ-ε关系曲线为向上凹的曲线；随着ε继续增大，σ-ε关系曲线近似为直线；直线段后，σ-ε关系为非线性递增关系。当动应力超过峰值点或者动强度时，σ-ε关系曲线不断下降，此时，随着轴向动应变ε增大，轴向动应力σ减小，这一阶段为应变软化阶段。

以上分析表明，泥质板岩的冲击动力应力与应变关系的本质为应变软化关系，干湿循环作用没有改变应变软化的本质，但是对轴向动应力与轴向动应变关系的发展有重要影响。

2.2 干湿循环对冲击动力破坏的影响

2.2.1干湿循环作用对动强度的影响

设动强度为σd，动强度为图2曲线上的峰值应力。图3给出了干湿循环次数N和动强度σd之间的关系。根据图3， 随着N由 0增加到15，σd由23.6 MPa降低到18.7 MPa，降低幅值为20.7%，且σd渐趋于稳定。因此，可知随着干湿循环次数增加，σd显著下降。这表明，干湿循环作用会导致泥质板岩的冲击动强度显著降低。

图3 动强度和干湿循环次数之间的关系

2.2.2干湿循环作用对泥质板岩脆性的影响

峰值应力对应的轴向应变是轴向变形破坏的重要特征参数或者脆性指标。设该参数为εd，如图4所示。εd越小，岩石的脆性越显著。图4给出了干湿循环次数N和εd之间的关系。从图4看出，随着N由 0增加到15，εd由0.001 44降低到0.001 20，降低幅值为16.7%，且εd渐趋于稳定。因此，随着干湿循环次数增加，εd显著下降。这表明，随着干湿循环次数的增加，泥质板岩的冲击动力脆性越显著。

图4 峰值应力对应的轴向应变和干湿循环次数之间的关系

2.2.3干湿循环作用对动力变形性质的影响

1)干湿循环作用对动弹性模量的影响。设动弹性模量为Ed，图5给出了干湿循环次数N和Ed之间的关系。根据图5，随着N由 0增加到15，Ed由29.9 GPa降低到25.1 GPa，降低幅值为16.1%。因此，和σd-N、εd-N关系一样，Ed随N的增加而显著降低。即干湿循环作用会显著降低泥质板岩的动弹性模量。

图5 动弹性模量和干湿循环次数之间的关系

2)干湿循环作用对动泊松比的影响。设动泊松比为μd，干湿循环次数N和泊松比μd之间的关系如图6所示。从图6看出，随着N从0增加到15，μd在0.37和0.28之间变化。即μd和N之间的关系无明显变化规律。初步分析可知，泊松比对材料的均质性最为敏感，而岩石本身具有非均质性，非均质性越强，泊松比的变化越无规律。泥质板岩属于非均质材料，干湿循环作用通常由局部到整体,破坏试样的内部结构，因此，干湿循环作用使得泥质板岩的非均匀性变得更显著，从而使得泊松比随干湿循环次数增加而无明显的变化规律。

图6 动泊松比和干湿循环次数之间的关系

3 结论

利用SHPB试验研究干湿循环作用对泥质板岩冲击动力性质的影响，由试验获得泥质板岩的动强度、动弹性模量、动泊松比等力学特征参数随干湿循环次数变化的规律，得到以下主要结论：

1)干湿循环作用对泥质板岩冲击动力性质起显著地劣化作用。干湿循环作用会显著降低泥质板岩的动强度、动弹性模量，以及显著增强泥质板岩的脆性。

2)干湿循环作用对泥质板岩的动强度影响最大，对动弹性模量和脆性的影响次之。

3)干湿循环作用对泊松比的影响无明显规律。