裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

张 慧， 邢闯锋， 张力民， 刘红岩

(1. 黄淮学院 建筑工程学院， 河南驻马店 463000； 2. 中铁七局集团有限公司勘测设计院， 郑州 450016；3. 北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083； 4. 河北承德钢铁公司， 河北承德 067000；5. 中国地质大学(北京) 工程技术学院， 北京 100083)



裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

张 慧1， 邢闯锋2， 张力民3,4， 刘红岩5

(1. 黄淮学院 建筑工程学院， 河南驻马店 463000； 2. 中铁七局集团有限公司勘测设计院， 郑州 450016；3. 北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083； 4. 河北承德钢铁公司， 河北承德 067000；5. 中国地质大学(北京) 工程技术学院， 北京 100083)

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律，以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征，采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明，对长度相同的完整试件而言，试件直径越大，即试件体积越大，试件破碎就越充分，断面也越不规整；试件中的裂隙长度越长，试件破坏时的吸收功就越小，冲击韧性也越小，试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小；试件裂隙角度越大，试件破坏断面就越不规整，试件破坏后的块度也越不均匀，试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。

裂隙岩体； 冲击韧性； 破坏模式； 吸收功； 冲击速度

1　引言

岩石在冲击载荷下的力学特性如弹性模量、强度及破坏模式等明显不同于静态载荷下〔1-5〕。近年来，随着我国基础设施建设及资源开发的蓬勃发展，岩石动力学在诸多工程领域中发挥了越来越重要的作用。由于建筑人防、水利交通、矿山等工程中的岩体都不可避免地受到动载荷的影响〔6〕，如硐室开挖过程中的爆破冲击波及地震作用等，都会涉及到冲击载荷下的岩石动力学特性。其中，冲击韧性是评定材料冲击抗力的一个重要指标，它表示材料在冲击荷载作用下抵抗变形和断裂的能力。冲击韧性的大小不仅取决于材料的性能，而且与试件形状、尺寸、缺口形式等密切相关。目前，已有不少学者采用实验手段对该问题进行了较深入的研究。于永江等〔7〕利用摆锤式冲击实验机对块煤进行了不同冲击速度、不同冲击方向条件下的有缺口冲击实验，结果表明，裂纹扩展所需能量与冲击方向密切相关，且其冲击韧性对块煤中的节理等缺陷很敏感。俞祁浩等〔8〕采用传统冲击实验机对冻结兰州黄土、兰州中砂和纯冰进行了不同冲击速度、不同温度条件下有缺口冲击实验，发现裂纹在试样中扩展所需能量随速度的增加而增加，并与试样种类密切相关，且锤速对试样冲击韧度的影响很大。马芹永等〔9〕利用摆锤式冲击实验仪对冻结粘土进行不同温度、不同冲击能量的带缺口冲击实验，结果表明，冻结粘土的冲击韧度随温度降低而增大，随冲击能量的增加而增大。

然而，目前关于岩石冲击实验的研究还主要存在以下两方面的不足：首先，在实验手段上，目前岩石冲击实验主要采用SHPB实验机进行〔2,10〕，虽然可以很好地获得岩石的动态应力应变曲线、破坏模式等动态力学特性，但是无法获得岩石的冲击韧性等参数；其次，目前岩石动力学实验所用试件主要是完整岩块，而实际岩体都是含有节理、裂隙等宏观缺陷的，且这些宏观缺陷对其动力学特性有着重要影响。因此，本文拟采用摆锤式冲击实验机对裂隙岩体在冲击载荷下的能量吸收、冲击韧性及破坏模式等进行研究，重点探讨裂隙对岩体动力特性的影响规律。

2　冲击实验方案

图1为实验所用的ZBC3302-2型金属摆锤冲击实验机，满程冲击能量为300J，对应的摆锤预扬角为150°。

图1　ZBC3302-2型冲击实验机Fig.1　ZBC3302-2 impact test machine

根据研究目的，设计四种实验方案：①试件长度l相同而直径d不同的完整试件：取l=100 mm、直径d分别为50 mm和25 mm的两类圆柱形试件，冲击摆预扬角α取满扬角度，α=150°；②裂隙长度a不同的试件：对φ50 mm×100 mm、β=0°的试件，分别制作a=1 cm,2 cm和3 cm的试件，冲击摆预扬角α取满扬角度，α=150°；③裂隙角度β不同的试件：对φ50 mm×100 mm的试件分别制作β=0°，15°，30°，45°的裂隙，裂隙长度a=2 cm，预扬角α取满扬角度，α=150°；④不同预扬角α设计：对φ50 mm×100 mm的完整试件，取冲击摆预扬角α分别为30°和45°。以上每种工况均取3个试件。含不同裂隙角度、长度的试件模型见图2。

试件的制作方法：由于利用真实岩块制作裂隙岩体比较困难，因此采用由水泥∶砂∶水按质量比4.5∶4.5∶2配制而成的水泥砂浆来制作，所得材料脆性与岩石比较接近。对于完整试件，将配制好的水泥砂浆浇注于预制好的模具中振动至密实，1d后拆模并在室温下浇水养护28d；对于裂隙试件，则待试件脱模后用锯条按照设计制作相应的裂隙。

3　实验结果及分析

3.1试件直径d不同

l=100 mm完整圆柱试件的冲击破坏形态如图3所示，实验结果如表1所示。

图3　l=100 mm完整圆柱试件的冲击破坏形态Fig.3　Impact failure mode of the intact cylinder sample with l=100 mm

尺寸/mm体积/mm3吸收功/(W·J-1)平均/(W·J-1)冲击韧性/(J·cm-2)平均/(J·cm-2)ϕ50×100196349.5300.14299.6515.2915.27ϕ50×100196349.5299.1615.24ϕ25×10049087.3840.7540.428.308.24ϕ25×10049087.3840.098.17

由图3及表1可知：

(1)从破坏形态上看：φ50 mm试件破坏为四部分，且断面形状不规则；φ25 mm试件破坏为两部分，且断面相对比较平整。分析认为，当由冲击摆产生的冲击力作用于试件中部时，将在作用点处瞬时产生压缩应力波，并在试件内传播。一方面，当压缩应力波传播到试件对侧时，由于反射作用将在试件对侧产生拉伸应力波，由于试件抗拉强度远低于其抗压强度，因而会首先在对侧产生拉伸裂纹，并沿试件横向传播；另一方面，当试件直径较小时，在试件内传播的压缩应力波就类似于一维波，仅沿试件横向传播，因而容易出现如图3(b)所示的沿横断面破裂成两部分的形式。而当试件直径较大时，在试件内传播的压缩应力波更类似于平面波，在整个试件内部传播，由于与作用点垂直的横截面的传播距离最短，因而由反射拉伸应力波产生的拉伸裂纹将出现在与作用点相对应的试件对侧。同时，在试件与仪器接触的两个接触点处也将产生反作用的压缩应力波在试件内传播，这两个相向传播的应力波将在试件内部相遇，进而导致试件内部产生破裂，产生如图3(a)所示的破裂形式。

(2)从吸收功及冲击韧性上看：φ50 mm试件体积是φ25 mm试件体积的4倍，而吸收功则为其7.41倍，冲击韧性为其1.85倍。可知，试件体积越大，其破坏时吸收的能量就越大，但二者并不一定成正比例关系。由于试件抵抗冲击破坏的能力随着试件体积的增加而增强，所以在军事防御工程中，可通过适当增加防御工程的厚度、体积等提高其抗打击能力。

3.2裂隙长度a不同

裂隙长度a不同、角度β为0°的试件冲击破坏形态如图4所示，裂隙长度与吸收功和冲击韧性的关系如图5所示。

图4　裂隙长度a不同、角度β为0°的试件冲击破坏形态Fig.4　Impact failure modes of the sample with a crack in different length a and 0° dip angle

图5　裂隙长度a与吸收功和冲击韧性的关系Fig.5　The relationship between crack length, absorbed energy and impact toughness

由图4和图5可知：

(1)从破坏形态上看：对于裂隙长度a不同的φ50 mm×100 mm的圆柱形试件，其破坏后几乎都分为四块，而且其破坏截面与裂隙所在截面相同，破坏形态比完整试件更规则。这是由于试件中裂隙的存在不但降低了破裂面的有效面积，而且也为试件破坏提供了初始裂纹源，使试件更容易沿着初始裂隙的方向发生扩展、破坏。但是三种不同裂隙长度试件的破裂形态还有微小差别，即a=1 cm的试件破坏截面平整度相对较差，a=3 cm的试件破坏后有小块掉落。

(2)从吸收功及冲击韧性上看：对于0°裂隙试件，a分别为1，2，3 cm，其吸收功分别为完整试件的66.13%，36.95%及14.52%，冲击韧性分别为完整试件的77.1%，58.9%和38.8%，可知不同长度裂隙对试件抵抗冲击破坏的能力有较大负面影响，裂隙越长，其破坏时所需要的冲击能量就越小、冲击韧性就越低，即抵抗破坏的能力就越差。

3.3裂隙角度β不同

a=2cm而裂隙角度不同时的试件冲击破坏形态如图6所示，裂隙角度与吸收功和冲击韧性的关系如图7所示。

图6　a=2 cm而裂隙角度β不同时的试件冲击破坏形态Fig.6　Impact failure modes of the sample with crack in different dip angle β and a=2 cm

图7　裂隙角度β与吸收功和冲击韧性的关系Fig.7　The relationship between crack dip angle β， absorbed energy and impact toughness

由图6和图7可知：

(1)从破坏形态上看：试件破坏后大体被分为四块，但其破坏形态随缺口角度变大逐渐变得不规则，0°裂隙试件破坏面比较整齐，15°,30°裂隙试件破坏面基本与端口所在面一致，但与0°裂隙试件破坏面不同；45°裂隙试件破坏是从裂隙端处开始，但断面呈现不规则形状，而且破坏后大小不均匀。说明随着裂隙倾角变大，试件破坏后断面越来越不规则，试件破坏形态也愈加不均匀。

(2)从吸收功及冲击韧性上看：倾角为0°，15°，30°，45°的裂隙试件吸收功分别为完整试件的36.96%，22.51%，18.65%和15.62%，冲击韧性分别为完整试件的102.62%，59.79%，43.61%和30.39%；即试件破坏时的吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增加呈下降趋势，但下降幅度有所不同，在0° ～15°之间下降幅度较大，而后下降幅度则逐渐变缓，且二者随裂隙角度的变化趋势基本一致。

3.4冲击能量不同

不同预扬角α下完整试件的破坏形态见图8。

图8　不同预扬角α下完整试件的破坏形态Fig.8　Impact failure modes of the intact sample under different pre-tilt angle α

由图8可知：

(1)冲击实验机的摆锤预扬角为30°时的相应冲击能量为21.55J，试件经过多次重复冲击后发生破坏。在整个冲击过程中，试件外观最初基本没有变化，摆锤的冲击能量均被试件所吸收，当冲击次数足够多时，试件在沿冲击方向的对侧首先产生裂纹，表明试件所承受能量已经开始超出所能吸收的能量，而后随着冲击次数增加，作用于试件上的能量也继续增加，最终导致试件沿冲击横截面破坏为两块，并兼有少量的局部破坏。

(2)当摆锤预扬角度为45°时的相应冲击能量为47.11J，同样是经过多次冲击后试件才发生破坏。在整个冲击过程中，试件同样是先吸收能量，当达到一定程度后开始出现破坏迹象，初期有部分片状试件掉落，最终试件破坏为三块。

(3)对比图3(a)可知，当摆锤冲击预扬角度不同时，其破坏形态有较大差别，摆锤预扬角分别为30°，45°，150°时，试件分别破坏为两块、三块和四块；说明冲击能量越大，试件破碎越充分。分析认为，随着摆锤预扬角的增大，载荷应变率增加，试件单位体积吸收能变大，试件破碎越充分。从岩石的动态断裂角度分析，由于岩石内部分布了大小不等的微裂纹、孔隙等，岩石试件的破坏过程亦是裂纹产生、扩展和贯通的过程，裂纹产生所需的能量要比裂纹扩展所需的能量高。在应变率较低时(入射能量低)，只有少数扩展时消耗能量较小的裂纹被激活，此时吸收的能量较小，被激活的裂纹沿着压应力的方向扩展、贯通，导致轴向劈裂破坏。随着应变率的增大(入射能量提高)，在少数消耗能量较小的裂纹扩展贯通之前，有更多的消耗能量较高的裂纹被激活，岩石试件吸收的能量增加，从而有更多的裂纹扩展参与破碎，导致试件破碎块度变小。

4　结论

(1)对长度相同的完整试件，其直径越大(即体积越大)，其破碎就越充分，断面就愈加不规整。

(2)裂隙长度变化对试件冲击韧性和吸收功有较大负面影响，试件裂隙越长，其破坏时所吸收的冲击能量就越低，冲击韧性也越小。试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加均呈减小趋势。

(3)试件裂隙倾角越大，其破坏后的断面就越不规整，试件破坏后的块度也愈加不均匀。试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增加均呈减小趋势。

(4)当试件承受多次冲击才发生破坏的条件下，摆锤预扬角越大，试件最终破坏形态就越破碎。

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Impacttoughnessandfailuremodeofcrackedrockmass

ZHANGHui1,XINGChuang-feng2,ZHANGLi-min3, 4,LIUHong-yan5

(1.ArchitectureEngineeringCollege,HuanghuaiUniversity,Zhumadian463000,Henan,China；2.EngineeringSurvey&DesignCompanyofChinaRailwaySeventhGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,China；3.SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；4.HebeiChengdeIronandSteelCorporation,Chengde067000,Hebei,China；5.CollegeofEngineering&Technology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China)

Inordertostudytheeffectlawofthecrackonrockmassimpacttoughnessandfailuremodeanditsdynamicfailurecharacteristicunderhighstrainrates,aseriesofimpacttestswereconductedoncrackandintactrockmasswithdifferentimpactvelocityandcrackconditionbypendulum-typeimpacttestmachine.Thetestresultsshowedthat,totheintactsamplewiththesamelength,thefragmentationofthesamplewasmorefullandthecrosssectionwasmoreirregularifthesample′sdiameterwaslarger.Whenthecrackinthesamplewaslonger,theabsorbedenergyandimpacttoughnesswereless.Theabsorbedenergyandimpacttoughnessdecreasedwiththeincreaseofcracklength.Whenthedipangleofthecrackwaslarger,thefailureareaofthesamplewasmoreirregularandtheblocksizewasmoreuneven.Theabsorbedenergyandimpacttoughnessdecreasedwiththecrackdipangleincreasing.

Crackedrockmass;Impacttoughness;Failuremode;Absorbedenergy;Impactvelocity

1006-7051(2016)04-0011-05

2015-12-10

国家自然科学基金项目(41002113/41162009)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2652014019；2652015263)

张 慧(1982-)，女，硕士、讲师，主要从事工程管理专业方面的教学研究与实践工作。E-mail： 191657464@qq.com

刘红岩(1975-)，男，博士、教授，主要从事土木工程方面的研究与教学工作。E-mail：lhyan1204@126.com

TD235.1

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.003