循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性研究

刘仲阳，王新宇，李庆东，李鹏飞，王俊波，宋 林

(1.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 454000; 2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124;3.中铁云网信息科技有限公司,北京 100039)

引言

喷射混凝土技术因其施工方便、施工成本低等优点,已被广泛应用于隧道工程[1-3]。小间距隧道钻爆施工时,既有隧道支护结构必然会受到爆炸冲击荷载的影响;而隧道钻爆施工是循环施工过程,邻近既有隧道支护结构可能会受到循环爆炸冲击荷载的作用,造成既有隧道混凝土支护结构力学性能的劣化和累积损伤,进而影响既有隧道运营安全。因此,有必要对循环冲击荷载下喷射混凝土的动力特性和能量演化规律进行深入研究。

机制砂喷射混凝土与常规喷射混凝土最大的区别在于细骨料。通常情况下,喷射混凝土所用的细骨料多为河砂[4]。然而,近年来河砂的持续超采已经造成了河砂资源的枯竭和严重的环境问题。为此,中华人民共和国工业和信息化部联合国家发展改革委、自然资源部等部门于2019年11月联合出台了《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》[5],明确指出机制砂石逐渐成为我国建设用砂石的主要来源,而机制砂也逐渐替代河砂应用于喷射混凝土材料[6-7]。部分学者采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统进行了喷射混凝土材料的冲击试验,以研究其动力特性和能量耗散特征。CHEN等[8]采用SHPB试验装置,研究了钢纤维喷射混凝土和聚丙烯纤维喷射混凝土的动力性能和能量耗散特征,并分析了纤维参量对试验结果的影响规律。KALHORI等[9]分析了纳米材料参量对喷射混凝土动弹性模量的影响。方江华等[10]进行了轻骨料纤维喷射混凝土的一维冲击试验,探究了陶粒和聚丙烯纤维掺量对轻骨料混凝土动力特性的影响。石晓宇等[11]进行了陶粒混杂纤维喷射混凝土的一维SHPB冲击试验,研究了干湿循环作用对其冲击性能的影响。JIANG等[12]试验研究了一维冲击条件下轻骨料纤维喷射混凝土的动力性能,并结合扫描电镜分析了轻骨料纤维喷射混凝土抗冲击性能的细观机理。综上,既有关于喷射混凝土的研究主要集中在单次冲击荷载下常规喷射混凝土的动力特性方面,而冲击荷载作用下机制砂喷射混凝土的动力性能研究鲜见。另一方面,新建隧道爆破施工所产生的动荷载的应变率一般不超过103s-1,且其随着距炮孔距离的增大而逐渐降低,邻近既有小净距隧道喷射混凝土所承受的爆破荷载应变率在10 s-1量级[13-15],属于中低应变率范围,该量级应变率的动荷载并不能造成喷射混凝土的一次性破坏,却能导致喷射混凝土力学性能的劣化和内部损伤的产生。

为研究中低应变率范围循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土的动力特性,采用改进的大直径分离式霍普金森压杆试验装置,开展了4个轴压水平、3个冲击速度下的机制砂喷射混凝土循环冲击试验。研究了轴压和冲击速度对试样破坏形态、动弹性模量、吸收能、比能量吸收值和累积损伤的影响规律,以期为机制砂喷射混凝土动力性能的深入研究和隧道初期支护结构的安全评价提供技术支撑。

1 试验材料及方法

1.1 机制砂

机制砂母岩为昌景黄铁路云头山隧道花岗岩洞渣,其单轴抗压强度为134.1 MPa。表1为机制砂的颗粒级配,机制砂细度模数为2.8。机制砂的物理性能如表2所示,结果表明,该砂的各项指标均符合国家标准GB/T 14684—2022的要求[16]。

表1 机制砂颗粒级配Tab.1 Grain composition of manufactured sand

表2 机制砂物理参数 %Tab.2 Physical properties of manufactured sand

1.2 机制砂喷射混凝土配合比

机制砂喷射混凝土配合比采用云头山隧道喷射混凝土配合比,如表3所示。其中,水泥采用(P.O-42.5)普通硅酸盐水泥,粗骨料选用粒径5～10 mm的级配碎石,细骨料采用1.1节机制砂。

表3 喷射混凝土配合比 kg/m3Tab.3 Mix proportions of shotcrete

1.3 机制砂喷射混凝土试样

在制备喷射混凝土试样时,按照《喷射混凝土应用技术规程》的要求[17],采用湿喷机在尺寸为800 mm(长)×800 mm(宽)×120 mm(高)的模具中喷射混凝土。喷射完成后用保鲜膜覆盖于表面,现场静置24 h后将试样移至(20±2) ℃(相对湿度95%)的养护室进行养护。喷射混凝土养护28 d后,钻芯法制备试验用试件。其中,直径和高度均为100 mm的圆柱体试件用于抗压强度试验,测得的机制砂喷射混凝土28 d单轴抗压强度为29.0 MPa,弹性模量为9.7 GPa;直径和高度均为50 mm的圆柱体试件用于循环冲击试验,部分机制砂喷射混凝土试样如图1所示。

1.4 试验装置与试验方案

SHPB试验装置如图2所示,其中,压杆系统包括入射杆、透射杆和耗能杆,杆件均由40Cr高强钢组成,密度7 850 kg/m3,波速为5 172 m/s,弹性模量为210 GPa,其直径均为50 mm,子弹长度为 0.4 m,入射杆、透射杆和耗能杆的长度分别为3,2 m和2 m。

图2 SHPB试验装置Fig.2 SHPB test device

循环冲击试验中,轴压近似按试样28 d单轴抗压强度的10%、20%、30%、40%考虑,分别为3,6,9 MPa和12 MPa;每种轴压水平对试样分别进行6,7 ms和8 ms三种速度的循环冲击试验。

2 结果与讨论

2.1 喷射混凝土破坏形态

表4给出了循环冲击试验完成后机制砂喷射混凝土的破坏形态。

表4 喷射混凝土破坏形态Tab.4 Failure patterns of shotcrete

由表4可知,轴压和冲击速度对机制砂喷射混凝土的破坏形态均有较大影响。轴压相同时,试样碎块尺寸随着冲击速度增加而减小,碎块数量随着冲击速度增加而增加。冲击速度相同时,试样碎块尺寸随着轴压增加而增大,而碎块数量随轴压增加而减少,轴压的增加能够约束试样变形。较大的冲击速度对应较大的应变率和输入能量。冲击速度增加时,循环冲击过程中试样吸收的能量增加,试样的损伤破坏过程亦相应加快。循环冲击过程中,较大的冲击速度必然会造成试样内部裂纹的快速萌生和发展,以及试样内部裂纹数量的增加,进而导致试样碎块尺寸的减小和碎块数量的增加。

2.2 动应力-应变曲线

图3为机制砂喷射混凝土试样的动应力-应变曲线。由图3可知,循环冲击过程中,试样应变率随冲击次数的增加逐渐增大。轴压相同时,冲击速度越大,试样破坏所需的冲击次数越少;冲击速度相同时,试样破坏所需要的冲击次数随轴压的增大而不断增加。试样未完全破坏前,应力-应变曲线出现较为明显的“回弹”现象;最后一次冲击试验造成试样的完全破坏,其承载能力丧失,应力-应变曲线不再有“回弹”现象。

图3 不同轴压下喷射混凝土试样的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of shotcrete specimens under different axial pressures

2.3 峰值应力及峰值应变

在不同冲击速度情况下,机制砂喷射混凝土峰值应力与轴压和循环冲击次数间的关系如图4所示。由图4可以看出,冲击速度和轴压均相同时,峰值应力随着冲击次数的增加呈逐渐下降趋势,即喷射混凝土对外部冲击载荷的抵抗能力逐渐下降,体现出混凝土在循环冲击作用下强度劣化的特性。在同一冲击速度下,循环冲击过程中试样峰值应力的下降趋势随轴压的增大逐渐变缓,表明轴压增加有助于提高试样抵抗外部循环冲击载荷的能力。同一轴压下,试样峰值应力随着冲击速度的增加不断增大。

图4 峰值应力与冲击次数的关系Fig.4 Relationships between peak stress and impact times

图5给出了在不同冲击速度情况下,机制砂喷射混凝土峰值应变与轴压和循环冲击次数间的关系。由图5可知,冲击速度和轴压均相同时,峰值应变随着冲击次数呈逐渐增加的趋势。在同一冲击速度下,循环冲击过程中试样峰值应变的增加趋势随轴压的增大逐渐变缓。同一轴压下,试样峰值应变随着冲击速度的增加不断增大。

图5 峰值应变与冲击次数的关系Fig.5 Relationships between peak strain and impact times

2.4 动弹性模量

由上文可知,试样动应力-应变曲线无明显的初始压密段,而在动态应力-应变曲线的上升阶段表现出较为明显的线弹性(图3)。因此,循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土的动弹性模量可由式(1)计算。

(1)

式中,E50为动弹性模量;σ50为峰值应力50%处的应力值;ε50为σ50对应的应变值。

图6为不同冲击速度下,试样动弹性模量与轴压和冲击次数间的变化关系。由图6可知,冲击速度和轴压均相同时,动弹性模量随着冲击次数的增加不断降低;其原因是循环冲击过程中试样内部损伤不断累积,试样抵抗外部冲击荷载的能力逐渐下降,进而表现为材料力学性能的不断劣化。轴压对试样动弹性模量的影响不显著。

图6 动态弹性模量与冲击次数的关系Fig.6 Relationships between dynamic elastic modulus and impact times

2.5 能量演化

在循环冲击试验中,在冲击杆与试样的接触面上涂抹黄油,以忽略界面处的能量损失。进而,入射波、反射波和透射波所携带的能量以及试样吸收能量可由下式计算[18-20]

(2)

(3)

(4)

WS=WI-WR-WT

(5)

Ev=WS/VS

(6)

式中,WI、WR、WT分别为入射能量、反射能量和透射能量;WS为试样吸收能量;Ev为比能量吸收值;VS为试样体积。

由式(2)～式(6),可计算得到循环冲击过程中各能量值,如表5所示。由表5可知,轴压和冲击速度相同时,循环冲击过程中入射能较为稳定,说明了试验结果的可重复性和可靠性;随冲击次数增加,反射能和吸收能逐渐增大,透射能逐渐降低。同一轴压下,冲击速度越大,单次冲击试样的吸收能越大,试样完全破坏所需要的冲击次数越少。冲击速度相同时,试样破坏所需要的吸收能随轴压的增加而增大,亦即是说,轴压的增加提高了试样的耗能能力,从而减缓了试样力学性能的劣化进程。

表5 喷射混凝土试样SHPB试验能量结果Tab.5 Energy results of SHPB test on shotcrete specimens

图7给出了不同冲击速度时试样比能量吸收值与轴压和冲击次数的变化关系。由图7可以看出,冲击速度和轴压对比能量吸收值均有较为显著的影响。轴压和冲击速度相同时,比能量吸收值随冲击次数的增加逐渐增大。同一冲击速度下,较高轴压对比能量吸收值的影响更为显著。随冲击速度增大,试样比能量吸收值的增加较为明显;以轴压为12 MPa时为例,冲击速度为6 m/s时,比能量吸收值为0.198 8～0.238 0 Jcm-3;冲击速度为7 m/s时,比能量吸收值为0.252 6～0.285 7 Jcm-3;冲击速度为8 m/s时,比能量吸收值范围为0.298 2～0.332 2 Jcm-3。

图7 比能量吸收值与冲击次数的关系Fig.7 Relationships between specific energy absorption value and impact times

为更加清晰地说明循环冲击过程中试样吸收能的演化规律,定义累计比能量吸收值δ为[21-22]

(7)

式中,δ为累计比能量吸收值;n为循环荷载冲击次数。

图8为在不同冲击速度下,试样累计比能量吸收值与轴压和冲击次数的变化关系。由图8可知,随着冲击次数增加,试样的累计比能量吸收值呈线性增加趋势。冲击速度相同时,轴压越大,试样破坏时所需累计比能量吸收值越大,亦即轴压的增加可以显著提高试样的耗能能力。

图8 累计比能量吸收值与冲击次数的关系Fig.8 Relationships between cumulative specific energy absorption value and impact times

2.6 累积损伤演化

采用弹性模量法[23-25]计算循环冲击过程中机制砂喷射混凝土试样的累积损伤,如式(8)所示。

(8)

式中,Dn为基于弹性模量法喷射混凝土的累积损伤;En和E0分别为第n冲击后和初始无损伤时的弹性模量,此处E0取25 GPa。

图9为在不同冲击速度下,试样累积损伤值与轴压和冲击次数的变化关系。由图9可以看出,不同轴压下的喷射混凝土累积损伤规律性不够明显。试样累积损伤随冲击次数的增加不断增大;轴压增大可以抑制试样损伤的发展。冲击速度越大,试样累积损伤发展越快,试样达到破坏所需要的冲击次数越少。

图9 累积损伤与冲击次数的关系Fig.9 Relationships between cumulative damage and impact times

3 结论

采用改进的大直径SHPB试验装置,对28 d龄期的机制砂喷射混凝土试样分别进行3,6,9 MPa和12 MPa四个轴压下的循环冲击试验,研究循环冲击荷载作用下机制砂喷射混凝土的动力特性和能量演化规律,主要结论如下。

(1)轴压和冲击速度对机制砂喷射混凝土的破坏形态、峰值应力、峰值应变和应变率均有较大影响,轴压的增加能够有效抑制试样的变形。

(2)轴压相同时,冲击速度越大,试样破坏所需的冲击次数越少,冲击速度相同时,试样破坏所需的冲击次数随着轴压的增大而不断增加。轴压为12 MPa,冲击速度为6 m/s时,试样破坏所需的冲击次数为12次,远大于冲击速度为8 m/s时的7次。

(3)冲击速度和轴压均相同时,随着冲击次数的增加,试样峰值应力和动弹性模量不断降低,峰值应变和应变率不断增加;轴压对试样动弹性模量和累积损伤的影响不显著。

(4)随着冲击次数的增加,试样的累计比能量吸收值呈线性增加趋势。冲击速度相同时,轴压越大,试样破坏时所需累计比能量吸收值越大。