弱风化花岗岩的动态力学特性试验研究

赵 宁 董 硕 陈熙宇 殷 达 刘若涛 荣 冠

(1.中交广州航道局有限公司,广州 510290;2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072)

随着地下空间开发、矿产资源开采、海洋能源开发及航海工程的纵深向发展,岩石的储存条件变得更为复杂.越来越多跨海交通工程的兴起,水下硬岩开挖及岩质工区疏浚等需求越来越大[1-3].与常规静载条件相比,在水下爆破,机械采掘等动荷载扰动下,处于高应变率和水化学腐蚀下的试样动力学性能发生很大的变化.

近些年来,随着地震、岩爆等现象频繁发生,对岩石动力学研究越来越重视,国内外学者也进行了许多相关研究,取得了一定的研究成果.Attewell等[4-5]用SHPB装置研究不同加载率的花岗岩动力学特性变化.Hakalehto[6]研究分析花岗岩、砂岩以及大理岩的动态力学特性,结果表明岩石的屈服强度不具有明显的相关性,且岩石的动态力学参数均比静力学参数大,其中动态屈服强度约为静态屈服强度的1.5～2倍.李晓锋等[7]用SHPB 试验系统对白云岩、灰岩和砂岩进行动力学试验,研究三类岩石高应变率下岩石力学特性及损伤变形特征,研究表明三类岩石的动屈服强度有明显的率相关性,弹性模量与应变率没有明显的关系.Selyutina等[8-10]对饱水砂岩进行动态拉伸试验,表明动态抗拉强度随加载率的增大而提高,饱水对试样的抗拉强度有一定的影响.刘永胜等[11]对化学腐蚀作用的砂岩开展动力学压缩试验,试验表明化学腐蚀后围岩力学性能下降,且pH 值越低,效果越明显.张站群等[12]研究化学腐蚀后灰岩的动态拉伸性能,得到灰岩动态拉伸强度及能量耗散等随腐蚀损伤度的变化规律.

深部巷道及水下环境中岩石处于高压、高腐蚀的环境中,既经常承受爆破掘进施工荷载作用,还会承受水的化学腐蚀作用,目前,水下及深部岩石存在一定的风化作用,故本文以弱风化花岗岩为研究对象,对试样进行饱水及化学腐蚀处理,利用霍普金森杆对不同处理条件的试样开展动力学试验,分析化学腐蚀及冲击荷载耦合作用下花岗岩的动态强度及其影响机制.

1 试验材料与方法

1.1 试样描述与制备

选取弱风化花岗岩开展试验研究.其中,花岗岩采自广东某地,灰黄色,质地相对均匀,经X 射线衍射分析,测得花岗岩内部各矿物组分含量:石英约为26.58%,长石为60.62%,云母为12.26%,方解石为0.54%.岩石由结晶矿物组成,为全晶质结构,块状构造.弱风化花岗岩的基本物理力学特性见表1.

表1 弱风化花岗岩基本物理力学特性

根据试验需求,将岩块加工成直径50 mm、高度25 mm 的圆盘试样,试样的加工制备过程严格按照国际岩石力学学会(ISRM)的建议方法[13]进行.试样的直径和高度误差控制在0.3 mm 以内,两端面的不平行度不超过0.05 mm.加工完成的岩石试样如图1所示.为了减少试验结果的离散性,将纵波波速度明显偏离平均值的试样剔除.

图1 弱风化花岗岩标准试样

1.2 试验设备与方案

将弱风化花岗岩分为5组,即天然状态、饱水状态及3种不同酸性条件.饱水试样通过将试样置于真空饱水装置中120 h,使其完全饱水得到.用蒸馏水和稀硝酸配制pH 值为6.0、4.0和2.0的不同酸性溶液,将制备好的花岗岩试样放入溶液中浸泡处理,每隔12 h重新测得溶液pH 值变化,并用胶头滴管滴加硝酸的方法保证溶液始终维持在设定的恒定值,浸泡期为30 d,如图2所示.

图2 试件处理过程

圆盘试样Gs1-n为天然状态下试样,Gs2-n为饱水状态下试样,Gs3-n为p H=2溶液浸泡下的试样,Gs4-n为p H=4溶液浸泡下的试样,Gs5-n为p H=6溶液浸泡下的试样.

基于超声脉冲技术,采用RSM-SY5(T)声波测试仪对处理前后试样的纵波波速进行测定.每种条件下测量3个试样的纵波波速,取平均值作为最终结果.

动态压缩及拉伸试验在LWKJ-HPKS-Y100 型霍普金森杆(SHPB)试验系统上开展,如图3所示.该系统压杆直径为100 mm,入射杆4000 mm,透射杆长5 000 mm,弹性模量为210 GPa,密度7 850 kg/m3,弹性纵波波速为5 172 m/s.该系统由动力驱动系统(氮气和弹膛)、压杆系统(撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆)、数据接收及采集系统(激光测速仪、应变片及动态应变仪)组成[5].

图3 SHPB系统示意图及实物

为消除波在传播中的横向弥散效应,采用直径10 mm、厚1 mm 的橡胶片为波形整形器,使得实验中波形为半正弦波,降低波形震荡.动态压缩及拉伸试验典型波形如图4所示.

图4 压缩试验应力平衡曲线典型波形图

观察图4可以看出达到了良好的整形效果,入射波与反射波叠加后的应力曲线与透射波应力曲线基本重合,保证了应力均匀性假设及试验结果的可信性.基于一维应力假设及应力均匀假设,可以采用三波法计算应力σs(t),应变εs(t)和应变率˙ε(t).

本次试验设定的冲击气压范围为0.25～1 MPa,冲击速度变化范围为2～9 m/s.试验系统冲击气压与冲击速度没有严格的线性相关性,故而冲击气压相同时可能冲击速度存在差异性,进而应变率也有所不同,为减少试验偶然性,对每个等级气压下冲击试验重复3次.

2 试验结果与分析

2.1 纵波波速

纵波波速对岩石内部微观缺陷的发育非常敏感,因此可以作为评价岩石微观结构损伤的有效指标.采用RSM-SY5(T)声波测试仪对天然、饱水及酸性溶液下的花岗岩试样进行纵波波速测定,测得结果见表2.

根据表2可知,天然状态下弱风化花岗岩试样纵波波速均值为3 229 m/s,饱水状态下弱风化花岗岩纵波波速均值是3 338 m/s;p H=2试样纵波波速均值为2 943 m/s;p H=4及p H=6试样纵波波速均值分别为3 061、3 185 m/s.通过对比可以发现,饱水后弱风化花岗岩试样的纵波波速有所增大,而酸性溶液浸泡后其纵波波速呈现下降趋势,溶液酸性越强,下降幅度越大.岩石内部裂纹发育情况、孔隙及含水情况都会影响超声波的传播速度.当波在试样内部传播遇到孔隙时,遇到不同填充物波速会发生变化,当填充物是空气时波会绕过孔隙继续传播,而当孔隙内填充水时,波会通过岩石骨架和水的耦合面进行传播,故而饱水状态下试样纵波波速比天然状态高[14].而酸性溶液会对岩样产生化学腐蚀效应,会与试样内部活性矿物发生反应造成矿物颗粒迁移、溶解,增大试样内部孔隙,使其物理特性劣化,从而纵波波速降低.且pH 越小,酸性越强,H+浓度越高进而对岩样腐蚀作用更强.

2.2 静单轴压缩试验

岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征,计算岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比,分析岩石单轴压缩过程的变形特征.图5为天然状态、饱水状态及3种pH 值溶液下的弱风化花岗岩试样单轴压缩下应力-应变曲线.不同条件下单轴压缩试验结果见表2～3.

图5 不同处理条件下试样应力-应变曲线

表2 不同处理条件下试样纵波波速

表3 弱风化花岗岩单轴压缩试验结果

观察图5可知,在岩石压缩过程中,岩石的应力-应变曲线划分为裂纹闭合、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹加速扩展及峰后变形5个渐进破坏阶段.在岩样初始裂隙压密阶段,酸性溶液作用后,试样在该段有明显的下凹,且p H=2的酸性溶液作用效果更为明显.且在经过饱水及酸性溶液浸泡后,试样弹性阶段的斜率发生不同程度的变化,这是由于溶液对岩石有软化作用,导致其强度及弹性模量降低.酸性溶液作用后,岩样在峰值点后仍有较大的变形,表明酸性溶液作用下试样也呈现脆性-延性转变的趋势[15].

饱水及酸性溶液浸泡后对弱风化花岗岩试样的抗压强度产生很大影响.单轴试验下天然状态弱风化花岗岩试样平均抗压强度值为115.78 MPa;饱水试样平均抗压强度值为89.44 MPa;p H=6、4、2试样平均抗压强度分别为84.38、78.94、69.34 MPa.较于天然状态,饱水状态、p H=6、4、2弱风化花岗岩试样抗压强度分别下降了22.75%、27.12%、31.82%、40.11%.饱水试样峰值强度有所下降,而酸性溶液下试样峰值强度降幅更大,pH 越小酸性越强,试样的峰值强度越小[16-17].

2.3 动态抗压试验

2.3.1 最大应变率与冲击速度关系

SHPB试验系统通过气压来控制子弹冲击速度,进而控制应变率.为了便于在试验过程中更容易控制应变率范围,分析最大应变率与冲击速度的关系.图6表征冲击速度与最大应变率的关系.由图可知,最大应变率与冲击速度呈正相关的趋势,即最大应变率随冲击速度的增大而增大.试验过程中冲击速度与应变率的数值见表4.

图6 最大应变率随冲击速度变化曲线

表4 试验实测冲击速度及应变率结果

2.3.2 应力-应变曲线

岩石的全程应力-应变曲线对岩石破坏这一过程的描述具有重要作用,它不仅反映了岩石的基本力学参数,也反映出岩石变形特性的变化规律,是研究岩石力学特性,确定其本构关系的物理基础.

图7为不同应变率下弱风化花岗岩的动态压缩应力-应变曲线.当冲击气压较大、应变率较高时,试样内部微裂隙来不及压密直接进入弹性阶段.应变率对试样的应力-应变曲线有显著的影响,主要表现在力学参数上面,包括峰值强度、峰值应变及弹性模量等.观察图7得,随着应变率的增大,曲线峰值应力变大,即试样动态抗压强度变大.天然状态下,应变率为288 s-1时,花岗岩峰值强度为287.89 MPa,约是静抗压强度的2.5倍;饱水状态下应变率为278 s-1时,试样抗压强度为251.42 MPa,是其静抗压强度的2.8倍;3种酸性条件下(p H=2、4、6)应变率分别为233、262、238 s-1时,其动态抗压强度约是静态抗压强度的2.48、2.6、2.5倍.由此可见,应变率增强效应是非常显著的.

图7 不同应变率下弱风化花岗岩试样应力-应变曲线

应变率增大,试样峰值应变变大,这是因为较高的应变率时,试样内部产生更多的新裂纹,原有的裂纹扩展速度更快,有更多的裂纹导致试样产生变形,所以软化效应更加明显,峰值应变更大.除此之外,随着应变率的增大,曲线弹性阶段的斜率增大,表明动态弹性模量增大,试样抵抗变形的能力增强.

分析对比图7中各曲线也可以发现,除了应变率之外,饱水以及不同pH 酸性溶液也会对弱风化花岗岩应力-应变曲线产生影响.为了分析饱水及酸性溶液对曲线的影响规律,选取相近应变率下的试样为研究对象,研究试样应力-应变曲线变化特征.通过观察得,不同条件下试样应力-应变曲线变化过程基本一致,但是相对于天然状态,试样饱水及在酸性溶液浸泡后会对试样的力学特征参量产生影响.饱水状态下试样曲线的峰值点降低,即动态抗压强度降低.不同pH 值(p H=2、4、6)下试样的曲线峰值点更低,且pH 值越小,曲线的峰值点越低.饱水、p H=2、4、6试样曲线的弹性阶段斜率也有所减小,pH 值越小,酸性越强,曲线线性阶段斜率越小,即试样的弹性模量越小.后面动态抗压强度及弹性模量特性中会重点讲述.

2.3.3 抗压强度特性

同静态压缩一样,在冲击荷载作用下,试样压缩破坏时的峰值应力叫做动态抗压强度,表示试样的承载能力.由上述研究可知,试样的动态抗压强度不仅与应变率有关,也受饱水及酸性溶液作用的影响.

图8为不同条件下试样动态抗压强度随应变率变化规律.观察图8可知,天然、饱水、酸性溶液下试样的动态抗压强度均随着应变率的增大呈现变大的趋势;其中,天然状态下,应变率为288 s-1时,花岗岩峰值强度为287.89 MPa,约是静抗压强度的2.5倍;饱水状态下应变率为278 s-1时,试样抗压强度为251.42 MPa,是其静抗压强度的2.8倍;3种酸性条件下(p H=2、4、6)应变率分别为233、262、238 s-1时,其动态抗压强度约是静态抗压强度的2.48、2.6、2.5倍.由此可见,应变率增强效应是比较显著的.这是由于冲击荷载作用下使得试样不能充分变形,就像施加了一个约束力限制试样的横向变形.并且应变率越大,施加的横向约束越大,所以试样的抗压强度越大.但是试样有一定的极限承载能力,当应变率达到某一临界值后,试样抗压强度对其敏感性会降低,所以刚开始随着应变率变大,抗压强度变化较大.应变率超过一定值后,抗压强度变化幅度减缓.

图8 弱风化花岗岩抗压强度随应变率变化规律

根据试验得到的抗压强度随应变率变化情况,对不同条件下二者关系曲线进行拟合.拟合函数如式(1)所示.不同条件下的拟合结果见表5.

表5 弱风化花岗岩动态抗压强度-应变率拟合结果

为了分析饱水及酸性溶液对试样动态抗压强度的影响规律,选取相近应变率下的试样为研究对象,图9为弱风化花岗岩动态抗压强度随不同处理条件的变化曲线.

图9 弱风化花岗岩抗压强度随饱水及酸性溶液处理的变化关系

观察图9可知,饱水状态及酸性溶液(p H=2、4、6)均会使试样的抗压强度降低,相对来说酸性溶液下试样的抗压强度最低,pH 值越小,酸性越强,动态抗压强度越低.比如当应变率为110 s-1时,天然状态下试样动态抗压强度为160.42 MPa,饱水状态下动态抗压强度为150.56 MPa,降幅为6.14%,pH 分别为6、4、2时,相应的抗压强度为135.48、119.84、98.37 MPa,降幅分别为15.55%、25.29%、38.68%.由于弱风化花岗岩试样本身存在微裂隙及孔洞,在水及酸性溶液浸泡时溶液会通过这些孔隙进入岩样内部,影响试样内部矿物之间胶结作用及其矿物组成,进而影响试样力学性质.水溶液渗入试样内部孔隙,对试样产生软化作用,使试样抗压强度降低.而酸性溶液中存在H+,溶液渗入试样内部对矿物产生蚀变作用,酸性越强,参与作用的H+越多,H+会与更多矿物颗粒及晶体发生化学反应,导致岩样内部矿物之间胶结程度变弱,并伴随着新裂纹发育扩展,岩样变得更加“松软”,因此试样抗压强度降幅更大.

2.3.4 弹性模量特性

弹性模量是研究岩样力学特性的重要参数之一,它不仅可以在宏观上表征试样抵抗变形的能力,也可反映岩石内部矿物颗粒胶结程度.弹性模量的值反映为冲击荷载作用下试样应力-应变曲线弹性阶段的斜率,不同应变率计算得出的弹性模量值见表6.由表中数据可以看出,冲击荷载作用下试样动弹性模量要比静弹性模量大(各条件下试样静弹性模量见表3),应变率及试样处理条件均会对弹性模量产生影响.

表6 弱风化花岗岩不同应变率下的弹性模量

图10是弱风化花岗岩试样动弹性模量随应变率的变化规律.可以看出,在冲击荷载的作用下,随着应变率的增大,动弹性模量逐渐增大.这是由于岩样自身微裂纹及孔隙在冲击荷载作用下压密闭合,应变率越大,岩样结构更为致密,弹性模量更大,抵抗变形的能力越强.当应变率由52.47 s-1增加到229.42 s-1时,对于天然状态下岩样来说,其动态弹性模量由31.03 GPa变为44.38 GPa,增幅为40.02%;饱水状态下岩样弹性模量由30.24 GPa增至40.98 GPa,增幅为35.52%;p H=6、4、2试样动弹性模量增幅分别为39.82%、38.89%、52.28%.应变率效应是比较明显的.

图10 花岗岩弹性模量随应变率变化规律

除了受应变率影响之外,岩样饱水及酸性溶液浸泡也影响着其值的变化,进而影响着试样的动力学特性.为了研究水及酸性溶液对弹性模量的影响规律,选取应变率为73、110、229 s-1,探讨应变率对弹性模量pH 值敏感性的影响.绘制3种应变率下弹性模量随各处理条件变化曲线,如图11所示.

图11 不同应变率下花岗岩动弹性模量随饱水及酸性溶液处理的变化关系

由图11可知,岩样弹性模量变化情况与抗压强度是相似的,相对于天然状态,饱水状态试样弹性模量变小,酸性溶液试样弹性模量继续变小,且pH 值越小,弹性模量越小,说明弱风化花岗岩动态弹性模量也存在明显的pH 劣化效应.比如当应变率为110 s-1时,天然状态试样动弹性模量为35.54 GPa,饱水状态试样弹性模量为33.18 GPa,降幅为6.64%;p H=6、4、2试样弹性模量分别为30.15、29.33、26.42 GPa,降幅分别为15.17%、17.47%、25.66%;比较可知经过水及酸性溶液浸泡后试样动弹性模量均变小,且酸性溶液与岩样内部细观颗粒发生化学反应,腐蚀矿物成分,导致其弹性模量降幅更大,对试样的损伤更明显.

3 破坏特征

为进一步研究应变率及水化学溶液对弱风化花岗岩试样的动态力学性能影响,通过观察试验中试样裂纹扩展及破坏形态来比较不同情况下岩样的破坏规律.岩样的破坏形式与施加的荷载形式是密切相关的.在单轴压缩情况下,岩样呈现拉伸破坏;冲击荷载作用与静荷载有较大的差异,它可以在短时间内在岩样内部积聚较高的能量,裂纹扩展的速度远远小于加载速度,这就促使岩样的裂隙在冲击荷载作用下有沿多个方向扩展的可能性.

图12列出了不同应变率下花岗岩岩样的动态压缩破坏形态.可以看出,不同应变率下试样均发生破碎,应变率越大,破碎程度越大,碎块的尺寸越小.观察图12(a)、(b)可以看到,当应变率较小时,试样破坏呈轴向劈裂破坏.试样破坏后呈柱状块体,块体尺寸较大.随着应变率进一步增大,观察图12(c)、(d)知试样破坏后产生锥形体碎块,且碎块数量随应变率增大而增多,这主要是由剪切作用形成的,此时试样破坏由剪切破坏和张拉破坏共同作用.当应变率特别大时,试样呈粉末状破碎,呈现压碎破坏形式,生成无数的碎屑.可见弱风化花岗岩试样的应变率效应是比较显著的.试样在冲击荷载压缩下,受力是比较单一的,其侧面为自由面,压缩作用下的应力波经过反射后形成拉伸应力波,而对于岩样来说,它的拉伸强度远远小于抗压强度,所以当应变率低时,在拉伸波作用下会在岩样侧面出现少许裂纹,所以试样破坏后尺寸较大.随着应变率增大,在试样内部积聚大量能量,导致更多的裂纹发育及扩展,最终形成通面,造成试样破碎尺寸更小,块体数量更多.

图12 不同应变率下弱风化花岗岩动态压缩破坏形态

除了应变率会对试样破坏形态产生影响外,试样的处理条件也存在一定的影响.选取应变率170 s-1左右的试样为研究对象,分析饱水状态、不同pH 值对岩样破坏的影响规律.图13列出饱水状态、p H=2、4、6花岗岩岩样的破碎形态.

图13 不同条件下弱风化花岗岩动态压缩破坏形态

在相近的应变率下,较于饱水试样,酸性溶液试样的破碎程度更大,破碎尺寸更小,而且溶液pH 值越小,酸性越强,破碎程度越大.饱水试样由于水的润滑、软化作用,会使得矿物颗粒之间胶结作用变弱,对试样造成损伤,而酸性溶液中存在H+,会与试样内部矿物发生化学反应,改变矿物成分并使试样内部微观结构发生变化,使得试样力学性能劣化.pH 值越小,酸性越强,对试样性能劣化越严重,故冲击后破碎程度越大.

4 结论

本文采用SHPB 试验系统,对天然、饱水、p H=2、4、6弱风化花岗岩试样进行动态压缩试验,分析了试样应力-应变曲线、动抗压强度、弹性模量、破坏特征随应变率的变化规律,并且研究不同处理条件对试样力学性能的影响,主要结论如下:

1)在冲击荷载作用下,试样压缩过程中应力-应变曲线变化过程与静态压缩基本相同,可划分为4个阶段:压密阶段、弹性阶段、应力屈服阶段及卸载阶段.不同的是冲击过程是一个瞬间,在应变率较大的情况下,有些试样内部裂纹来不及闭合直接进入弹性阶段,应变率越大,试样压密阶段越短.

2)在冲击荷载作用下,弱风化花岗岩动态抗压强度、弹性模量均随着应变率的增大而增大,增大幅度由快变缓,表现出明显的应变率效应,且大于静抗压强度及弹性模量.这是因为冲击荷载作用下试样横向变形受到限制,进而提高了力学性能.

3)水及酸性溶液会对试样的物理力学特性产生影响.饱水后弱风化花岗岩试样的纵波波速有所增大,而酸性溶液浸泡后其纵波波速呈现下降趋势;而且水及酸性溶液均会对试样动态抗压强度、弹性模量产生影响,劣化岩石力学性能.当应变率一定时,饱水、p H=2、4、6试样动抗压强度、弹性模量均下降,pH 值越小,其下降幅度越大.

4)试样破碎特征与应变率和处理条件均有关系.不同的应变率下花岗岩试样均破碎,应变率越大,破碎程度越大,碎块的尺寸越小.当应变率较小时,试样主要发生轴向劈裂破坏,主要是拉伸作用,随着应变率增大,试样破坏由拉伸及剪切共同作用,最后逐渐呈现压碎破坏.在相同应变率下,由于酸性溶液H+会与矿物发生化学反应,对试样产生软化作用,试样压缩后破坏程度越大,尺寸越小.