泥岩动态冲击力学响应及裂纹演化试验研究

耿 昊 杨江坤 宋彦琦 马宏发 郑俊杰 杨俊涛

(1.国能北电胜利能源有限公司,内蒙古 锡林浩特 026000;2.中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院,北京 100083)

在矿山开采、爆破施工过程中,工程岩土体会受到冲击扰动,其动态冲击力学响应关系到工程的稳定性和开采的高效性[1]。岩石作为一种非均质的天然材料,其内部含有微小孔洞、随机分布的微裂隙等原始缺陷。在爆破载荷作用下,岩石的动态力学行为较为复杂,因此对冲击载荷作用下岩石破裂过程的研究一直是岩土工程领域的热点问题。

室内分离式霍普金森冲击杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)是研究岩石动态冲击性能的主要试验设备[2]。许多学者基于霍普金森压缩试验对岩石动态力学行为展开研究,武仁杰等[3]利用SHPB对不同倾角的层状岩石进行动态压缩试验,分析了其动态破坏特征和能量演化过程;平琦等[4]对不同温度作用后的砂岩试件进行冲击压缩试验,分析其动态力学响应和破坏形态;Yao W等[5]利用NSCB试验与霍普金森压杆试验相结合的手段,分析了岩石的断裂韧性、断裂能量等动态断裂特性;王登科等[6]利用霍普金森压杆实验系统进行不同应变率下的煤样冲击实验,分析煤动态力学响应随应变率的变化规律,并基于分形理论定量描述了其破坏后的自相似性;梁东旭等[7]对泥岩、砂质泥岩展开室内冲击试验,研究了软弱岩石的动态力学特性;董英健等[8]基于霍普金森冲击试验分析了矿石试件的动态力学性能及块度分布特征。

通过常规的动态试验手段只能从宏观层面分析岩石的动态力学响应,而无法从细观角度对岩石动态破裂演化过程进行研究。近年来,随着相关手段的进步和发展,越来越多先进的试验技术被应用于深入地研究岩石动态破裂过程。潘博等[9]通过对冲击试验前后的水泥砂浆试件进行核磁共振成像,监测其孔隙度和孔径分布变化,从而研究其细观层面的损伤;张明涛等[10]利用带有应变控制环的SHPB实验系统,对砂岩试样动态冲击实验,并结合波速测试实验和CT扫描实验分析砂岩试样的整体破坏过程和裂纹演化规律;Song Y等[11]通过对褐煤进行不同冲击速度的压缩试验,同时利用高速摄像进行动态图像采集,分析了褐煤的动态破坏过程。

综上可知,在岩石的动态冲击试验过程中配合相关试验技术,在一定程度上可以从细观层面捕获其动态破碎演化过程,有利于深入分析岩石的裂纹扩展过程和破裂机制。但已有成果多数研究针对于砂岩、花岗岩等岩石,而对于软弱的泥岩动态冲击性能研究相对较少。本文以蒙东某露天矿采取的泥岩为研究对象,开展了不同冲击速度的霍普金森压缩试验,在冲击过程中利用高速摄像技术进行图像采集,研究泥岩的宏观动态力学响应及细观裂纹扩展演化,讨论了泥岩破裂过程中动态力学指标和破裂位移量的率相关性。

1 SHPB岩石动力学试验

1.1 SHPB试验装置与基本原理

本次试验采用中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院ϕ50 mm的SHPB试验装置,如图1所示。其主要由4大部分组成,分别为驱动系统、杆件系统、信息收集处理系统和摄像采集系统。

图1 SHPB试验装置示意Fig.1 Diagram of SHPB test device

驱动系统主要包括高压氮气罐、冲头、气压控制装置等;杆件系统中入射杆和反射杆均为高强度不锈钢,长度分别为2 m和1.5 m,其弹性模量为210 GPa,密度为7 800 kg/m3,弹性波波速为5 122 m/s;信息收集处理装置主要为半导体应变片、动态应变仪、测速仪及电脑组成;摄像采集系统主要由高速摄像机、闪光灯、控制器及触发装置等组成。

SHPB试验的有效性基于一维应力波假设和应力均匀性假设[12],利用试验过程中入射杆和透射杆上应变片监测的数据信号可以计算出试样的应力σs(t)、应变εs(t)和应变率(t),其三波法公式为

式中,Eb为压杆的弹性模量;Ab为压杆的横截面积;C0为弹性波的波速;Ls为试样的初始长度;As为试样的初始横截面积;εi(t)入射应变;εr(t)反射应变;εt(t)透射应变。

1.2 试样制备

试验所用岩石材料为内蒙古锡林浩特市胜利一号露天矿的泥岩。由于泥岩本身质地较软,因此本文对现场泥岩块体进行室内研磨,制成粉状进行XRD物相分析,结果如图2所示。通过衍射图谱可以发现,泥岩的矿物成分主要为石英和伊利石,占比分别为36.1%和33.9%,两者之和的占比过半。

图2 泥岩内部矿物成分Fig.2 Internal mineral composition of mudstone

为进一步分析泥岩内部的细观结构,随机选取泥岩块体,对其进行打磨,保留观察面,利用SEM电镜进行扫描分析,结果如图3所示。根据原始泥岩块体200～10 000倍的扫描结果,可以发现,泥岩内部的原始条状裂隙及空隙、空洞较为发育,同时表面较为粗糙,颗粒、晶体分布较多。

图3 泥岩内部原生细观结构Fig.3 Primary mesostructure in mudstone

对现场采取的泥岩进行室内加工,制成圆柱体试样,尺寸为50 mm×50 mm(直径×高度)。试样总数目为21个,将其划分为7组,分别进行7种不同冲击速度下的冲击试验,每组3个平行试件。试验之前对泥岩试样进行喷涂散斑预处理,如图4所示。在试样的侧面喷涂白漆和若干个随机的黑色漆点,以便对拍摄到的图像利用数字图像相关技术进行后续处理。

图4 泥岩试样预处理Fig.4 Mudstone sample pretreatment

2 试验结果及分析

2.1 试样应力均匀性校验

试样两端的应力均匀性是保证SHPB冲击试验的有效性的前提。一般可采用三波法和试样应力平衡系数[13]两种方法检验试样的应力均匀性。此处采用三波法进行校验,即通过应力波的叠加评估试样的应力均匀性。不同冲击速度下得到泥岩试样的电压幅值信号如图5所示,可见当入射的冲击速度越大,所得到的电压幅值越大。图6所示给出了泥岩冲击压缩过程中的应力平衡验证结果,由此可知,泥岩在冲击压缩试验过程中是有效的,应力均匀性可以得到保证。

图5 入射杆电压幅值变化Fig.5 The voltage amplitude of incident rod changes

图6 三波法验证应力平衡Fig.6 The stress balance was verified by three wave method

2.2 不同冲击速率下应力应变曲线

本次试验通过设置不同的冲击气压,从而实现不同的冲击压缩速度。冲击气压分别设置为0.15、0.16、0.17、0.18、0.20、0.21、0.23 MPa 7个梯度,每组选取3个泥岩试样进行试验,由于泥岩试样的离散性,每组试验结果选取相近的结果数据,具体见表1。可见,随着冲击气压的增加,子弹冲头的冲击速度、泥岩的动态峰值应力、最大应变率都随之提升。

表1 泥岩的SHPB试验结果Table 1 SHPB test results of mudstone

本文选取7个不同冲击速度泥岩试样的数据进行分析,如图7所示。冲击载荷作用下的泥岩应变率强化特征显著,随着冲击速度的增加,泥岩试样的动强度增大,峰值应变变大、动态弹模也随之增大。同时可以发现,当冲击速度从2.75 m/s上升到3.19 m/s时,峰后最大应变值呈变大趋势,泥岩峰后塑性增大;当冲击速度从3.19 m/s上升到4.44 m/s,最大应变呈缩小趋势,泥岩峰后塑性减小;之后随着冲击速度增加,泥岩的峰后塑性表现出增强的趋势。泥岩试样在动态载荷作用下的峰后塑性呈先增大后减小再增大的趋势变化,呈“N”型,如图8所示。

图7 不同冲击速度下泥岩的动态应力应变曲线Fig.7 Dynamic stress-strain curves of mudstone under different impact velocities

图8 不同冲击速度下泥岩最大应变Fig.8 Maximum strain of mudstone at different impact velocities

根据图9可以明显发现,随着冲击速度增加,最大应变率和峰值应力呈线性增长。这是因为随着冲击速度的增加,撞击杆所产生入射能随之提高。一部分能量,用于岩石本身存在的微裂隙扩展,其余大部分能量使得岩石产生更多的裂隙。由于有更多的裂隙吸收能量,参与破坏,岩石破坏的临界应力更高,在宏观上就表现为岩石动态峰值应力随冲击速度的增加而增加。

图9 不同冲击速度下最大应变率变化Fig.9 Variation of maximum strain rate at different impact velocities

2.3 泥岩冲击破碎形态分析

将不同冲击速度下泥岩的宏观破坏形态统计如图10所示。观察可以发现,泥岩的断裂破坏形态表现为率相关性。随着冲击速度的增加,泥岩试样的破碎程度呈渐进性发展,且试样最小破碎尺寸随着冲击速度增大而减小。

图10 不同冲击速度下泥岩破坏形态Fig.10 Failure patterns of mudstone under different impact velocities

当冲击速度为2.75 m/s时,泥岩试样在动态冲击载荷作用下,近似破裂成两半,碎块数量较少,碎块尺寸较大且完整,呈“劈裂型”破坏;随着速度的不断增加,碎块数量越来越多,碎块尺寸不断减小,呈“粉脆型”破坏;当速度达到6.61 m/s时,泥岩试样碎块尺度较小,呈“粉末型”破坏。

这是因为当冲击速度较小时,撞击冲头所产生的能量较小,岩石吸收的能量也随之减少,因此在冲击载荷作用下所形成裂纹大多较为分散,并没有形成宏观贯通裂缝,从而呈大块状破碎;随着冲击速度的增大,撞击能量随之提高,岩石吸收的能量也越来越多,冲击载荷下形成的贯通裂缝越来越多,岩石破碎严重,从而出现粉末状破坏。

2.4 冲击载荷下泥岩损伤演化

为研究冲击载荷作用下泥岩损伤过程中裂纹的走势和演化,在冲击过程中采用超高速摄像机拍摄其动态破坏过程。鉴于篇幅限制,以冲击速度2.75、4.44 m/s和5.48 m/s试样为例进行对比分析,每种冲击速度下分别截取4张图片来描述裂纹扩展的走势,如图11所示。通过纵向分析可以发现,在冲击载荷作用下,裂纹的扩展演化可以分为无损段、起裂段、扩展段和破碎段,具体描述如下。

图11 不同冲击速度下泥岩最大应变Fig.11 Maximum strain of mudstone at different impact velocities

(1)无损段。当冲头撞击入射杆的瞬间,入射波能量还未传递到岩石,此时岩石还未受到冲击载荷作用,岩石未产生裂纹,泥岩试样基本保持初始状态。

(2)起裂段。随着入射波的传递,此阶段岩石受到入射波的作用,泥岩被不断压实,内部的黏土矿物在应力波的反射和透射作用下产生损伤并不断累积。首先在岩石试样端部产生微裂纹,并呈现向内部扩展的趋势,但此时裂纹并未贯通,裂纹较小,且不同的微裂纹之间距离也较为分散。

(3)扩展段。此阶段一部分入射波作为透射波在岩石内部传递,起裂阶段产生的微裂纹不断向内部扩展,呈现贯通的趋势,同时岩石内部也会产生新的微裂纹。可以发现,此阶段的岩石损伤发展较为剧烈,微裂纹的开度不断增大,但此时岩石的整体并未出现大规模的破碎,仍然具有一定的承载能力。

(4)破碎段。此阶段岩石表面大量扩展裂纹将试样划分为不同的劣化带,造成岩样破裂失稳,在轴向冲击压缩载荷作用下,不同的碎块飞溅脱落而最终破坏。

由于泥岩具有软化性高、结构强度较低的特点,冲击压缩作用下产生的竖向拉应力大于其本身的抗拉强度,就会导致泥岩竖向裂纹开度不断增大,从而出现竖向的劈裂破碎。同时纵向对比图11,可以发现不同冲击速度作用下泥岩裂纹的扩展和演化趋势,冲击速度越大,岩石在起裂段微裂纹的微裂纹数量呈增多的趋势,端部的破碎也更加明显,从而将岩石划分为破碎的劣化区,同时裂纹的开度也随之增加。表明泥岩的破碎形态随着冲击速度的增大,破裂发展更加剧烈。

利用基于MATLAB软件的算法程序对冲击过程中高速摄像所采集的图片进行数字图像处理。图12为泥岩冲击过程中的位移场演化过程。

图12 不同冲击速度下泥岩位移场演化特征(单位:mm)Fig.12 Evolution characteristics of mudstone displacement field under different impact velocities

通过横向分析,可以发现,在无损段岩石位移场分布较为均匀,冲击方向的位移量较小,此时冲击载荷对岩石内部造成的损伤较小;随着冲击压缩波的不断传递,从起裂段发展到扩展段,泥岩的位移量不断增大,且在表面裂纹处出现局部的极值区域,位移场沿着裂纹走向出现不连续的趋势;当发展到破碎段时,位移量达到最大值,裂纹走向将位移场划分为不连续区域,局部的断裂碎块位移量为零,表明此时该区域已经完全破碎与岩石整体断裂完全。

同时纵向对比图12可以发现,随着冲击速度的增加,泥岩位移场的最大值随之增加,表明岩石随着冲击速度的增加,塑性增强,且岩石的塑性呈现一定的率相关性。

2.5 冲击载荷下泥岩能量演化特征

岩石在外荷载作用下的破坏过程,伴随着能量吸收、存储、耗散和释放。谢和平等[14]假设岩体系统在受力过程中没有热交换,外力功所输入总能量为U,根据热力学第一定律可得:

式中,Ue为可释放弹性应变能;Ud为耗散能。

三维加载条件下岩样输入总能量、弹性应变能及耗散能计算公式为:

式中,σ1、σ2、σ3为最大、中间及最小主应力;ε1、ε2、ε3为最大、中间及最小主应变;μ为泊松比;Ei为岩石卸荷模量,计算时可用初始弹性模量E0代替。

本试验为冲击压缩试验,代入σ2=σ3=0可得:

图13给出了泥岩在冲击载荷作用下的能量演化特征,根据图13(a)～图13(c)可以发现泥岩能量演化特征具有明显的率相关性。随着冲击速度的增加,输入能、弹性能及耗散能均随之提高,且在5.92 m/s至6.61 m/s的提升跨度较大;泥岩的弹性能演化趋势与应力演变趋势保持一致,且通过数值可以发现冲击作用下耗散能占比较大,泥岩内部存储的弹性应变能较少,大部分冲击输入能用于泥岩最终的破碎失稳。

图13 冲击载荷下泥岩能量演化特征Fig.13 Energy evolution characteristics of mudstone under impact loads

不同冲击速度下泥岩的能量演化具有一致性,以冲击速度6.61 m/s为例,如图13(d),可以发现,泥岩在动载作用初始阶段,入射能基本上全部转化为弹性能进行存储,只有少部分能量耗散用于岩石内部原始裂纹缺陷的闭合,整个峰前阶段以弹性能存储为主,弹性能占比较大,峰后阶段耗散能急剧增加,输入能基本上全部用于泥岩破碎过程的能量耗散,同时前期存储的弹性能也不断释放。

3 结 论

(1)随着冲击气压的增加,子弹冲头的冲击速度、泥岩的动态峰值应力、最大应变率都随之提升,且近似呈线性变化;同时随着冲击速度的增加,泥岩试样在动态载荷作用下的峰后塑性呈“增大—减小—再增大”的“N”型变化。

(2)泥岩在冲击载荷作用下破坏形态呈现明显的率相关性。随着冲击速度的增加,破碎形态呈渐进式发展,依次为“劈裂型”、“粉脆型”和“粉碎型”。在冲击载荷作用下,泥岩的裂纹扩展演化可以分为无损段、起裂段、扩展段和破碎段。同时随着冲击速度的增加,岩石在扩展段的微裂纹贯穿更加错综复杂,从而岩石被划分为更多的劣化区,破碎更加严重。

(3)冲击过程中泥岩位移场随着微裂纹的渐进发展,由连续发展为不连续,且不连续处为裂纹附近。同时随着冲击速度的增加,岩石位移场的最大值随之增加,表明岩石塑性增强。

(4)动载冲击下泥岩的能量演化特征具有明显的率相关性,能量随着冲击速度的增加而增加。泥岩在应力峰前阶段以弹性能存储为主,峰后阶段耗散能急剧增加,弹性能释放,造成泥岩破碎失稳。