不同孔隙率红砂岩的动力响应特性试验

陆 华， 王建国， 杨继清， 黄 博

(1. 北方民族大学 土木工程学院， 银川 750021； 2. 云南农业大学 建筑工程学院， 昆明 650201；3．青岛地铁集团有限公司工程建设分公司， 山东青岛 266000)



不同孔隙率红砂岩的动力响应特性试验

陆 华1， 王建国2， 杨继清2， 黄 博3

(1. 北方民族大学 土木工程学院， 银川 750021； 2. 云南农业大学 建筑工程学院， 昆明 650201；3．青岛地铁集团有限公司工程建设分公司， 山东青岛 266000)

摘要：采用分离式霍普金森压杆冲击试验系统，对现场采集的试样加工后进行相似速率条件下的冲击试验，得到了冲击荷载作用下一定范围内的不同孔隙率红砂岩的相关动力特性。即在相似冲击速率下，随着红砂岩的孔隙率从5.67%增大到11.86%，其反射波幅值逐渐增大，透射波幅值逐步减小，透射波峰值出现时间随着孔隙率的增大而提前；动力传递率随着孔隙率的增大呈指数下降；动态弹性模量和峰值强度随着孔隙率的增大而明显减小，峰值强度降低率随孔隙率的增加基本呈直线上升；当孔隙率在5.67%～8.32%区间变化时，峰值强度对应的应变相差不大，但是当孔隙率增为11.86%时，无论是峰值强度还是峰值对应的应变都显著减小。

关键词：冲击动力学； SHPB； 孔隙率； 红砂岩； 应力波； 动力响应

1引 言

岩石材料内部存在着大量的孔隙，使得岩石结构呈现出非连续、非均匀、各向异性和非线性等特征，严重影响岩石的静态和动态力学性能〔1〕。同时，岩石材料的力学性质还与外部加载条件，如加载速率、载荷大小以及耦合情况有关〔2〕。HILTL, MICHAEL等〔3〕通过试验探究了干燥和饱和水两种情况下，孔隙率对红砂岩的扰动恢复能力的影响；卢应发、田斌等〔4-5〕对大孔隙率砂岩在不同饱和液体情况下的力学特性进行了试验研究，以两种破坏理论对大孔隙率砂岩的破坏特征进行了解释；黄先伍等〔6〕利用一种专利装置与MTS815.02型岩石力学试验系统，进行了破碎砂岩的稳态渗透试验，得到了不同孔隙率下破碎砂岩的渗透率和非Darcy流β因子；SKRIPKIN等〔7〕对水、油、气三相状态下砂岩渗透率的测试系统及方法进行了改进；杨永明、鞠杨等〔8〕利用自制的孔隙物理模型，通过单轴压缩和CT扫描试验研究了受载条件下孔隙率对岩石孔隙结构的演化及其对外部物理力学性能的影响，得到了不同加载阶段和不同CT观察尺度下孔隙模型的裂纹扩展规律以及孔隙和固体介质的损伤变化情况；随后，又以砂岩为研究对象，重构了三维孔隙模型，应用数值模型试验的方法，分析并探讨了孔隙结构参数对孔隙砂岩力学性能的影响，揭示了孔隙岩石变形破坏的内在机制〔9〕；韩国锋等〔10〕利用风化的高孔隙率岩石进行三轴试验，研究了岩石在压缩带形成过程中的渗透性变化特征、卸载围压时渗透性变化、体积应变与渗透性变化的关系。

以上研究基本是考察静力条件下，岩石孔隙率对其物理力学性质的影响，专门考察孔隙率对岩石动力特性影响的文献并不多见。夏昌敬、谢和平等〔11-12〕利用分离式Hopkinson压杆装置进行了不同孔隙率人造岩石的冲击试验，探讨了孔隙率对岩石能量耗散的影响及岩石临界破坏时能量耗散情况。高全臣等〔13〕采用分离式霍普金森压杆冲击试验系统，对流固耦合的多孔隙红砂岩试样进行了不同冲击速率下的损伤效应对比试验，提出不同耦合介质和孔隙率对多孔隙砂岩冲击损伤效应的影响关系。RIVIERE J等〔14〕研究了砂岩在不同应变率条件下的动态声弹规律。研究孔隙率对岩石动力特性的影响对工程爆破等领域意义重大，本文以红砂岩为例，探究气-固状态下，红砂岩受冲击荷载作用后的动力响应特性。

2试验系统

试验的红砂岩试件来自广州地铁一号线某段开挖工程的施工现场，对大块红砂岩取样后，用取芯钻机在外观较完整均质的地方取芯，直径50mm。经切割、端面打磨制成长度L=100mm，直径φ=50mm的标准试件40个，用于研究气-固状态下孔隙率对红砂岩动力响应特性的影响〔15〕。试验前，需将试件放在干燥环境下7d以上，基本确保试件为全干燥状态，以避免孔隙中水介质对应力波传播的影响。

冲击试验采用中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的SHPB试验系统，该装置由动力系统、撞击杆(子弹)、输入杆、输出杆、吸收杆和测量记录系统等组成，被测试样置于输入杆和输出杆之间，如图1所示〔16〕。

图1　SHPB试验系统简图Fig.1　SHPB experimental system

动力系统中选用尺寸为φ50mm×800mm的子弹，高压氮气驱动子弹以一定的速度沿轴向冲击输入杆，该速度由激光测速仪在子弹出膛处测量。试验中冲击加载信号及红砂岩试样的动力响应信号的测量，由粘贴在输入、输出杆上的应变片，超动态应变仪和信号记录、存储、显示仪器组成的系统完成。

3冲击荷载下不同孔隙率红砂岩的动力响应分析

3.1波形分析

子弹和输入杆均为弹性杆，只发生弹性变形，根据一维弹性应力波理论，子弹撞击入射杆后，杆中质点的波速与应力分别为〔17〕：

(1)

(2)

式中：ρ0，v0分别为撞击杆的密度和速度；c0为压杆的弹性波波速；v(t),σ(t)分别是入射杆质点的速度和入射波的幅值。可见，入射波幅值由冲击速度决定且与其呈线性关系。若子弹速度基本相近，入射波波幅也基本一致。

试验中，通过控制气压仓的充气值，保持每次的撞击速度基本恒定。根据孔隙率大小将试验结果归纳为4组，选择每组中具有代表性的一个比较分析，图2即为不同孔隙率红砂岩在相似冲击速度(约为2.5m/s)下测得的入射波和反射波波形图。

图2　入射波和反射波的波形图Fig.2　The incident and reflection wave oscillograms

从图2中可以看出，入射波形状比较稳定，近似为矩形，入射波幅值在相似的速率下基本重合，满足一维弹性应力波理论。

反射波随着孔隙率的增大出现不同的形状，当孔隙率较小时，反射波虽接近“U”形，但到达波峰后又逐渐下降；当孔隙率增大为11.86%时，反射波呈“U”形，峰值形成一个平台。这是由于空气介质与岩石固体具有不同波阻抗，孔隙数量的增加代表承受和传递应力波的固体介质减少，孔穴界面增多，造成应力波在孔穴界面反射的次数增加，多次反射产生的波叠加效应增大了反射波的波幅。

与图2入射波相对应的透射波如图3所示。

图3　透射波形图Fig.3　The transmission wave oscillograms

透射波幅值随着孔隙率的增大，明显减小，当孔隙率从5.67%增至11.86%时，透射波峰值降幅约70.0%。从应力波传播过程来看，透射波峰值出现时间随着孔隙率的增大而提前。与反射波的情况一样，随着孔隙率的增加，岩石内部孔穴增多，即空气介质增多，相应的，承载应力波的固体介质就越少，因此透射波幅明显随孔隙率的增大逐步减小。从介质的波阻抗角度来分析，空气介质的波阻抗明显小于红砂岩，因此孔隙率高的红砂岩试件对透射波传播的阻隔作用小于孔隙率低的试件，于是有图中透射波波峰出现的时间随着孔隙率的增大而提前的情况。

3.2动力传递率分析

用透射波峰值与入射波峰值的比值表示动力传递率，干燥红砂岩试件的动力传递率随孔隙率的变化情况如图4所示。

图4　动力传递率与孔隙率关系图Fig.4　The relationship graph between power transmission rate and porosity rate

显然，红砂岩动力传递率随着孔隙率的增大而递减，当孔隙率从5.67%增大到11.86%时，红砂岩的动力传递率从55.25%迅速降到22.38%，下降趋势接近指数关系。孔隙率小于8.32%时，下降幅度较大，孔隙率继续增大，下降趋势开始变缓，孔隙率大于11.86%的情况有待对更多不同结构的红砂岩进行动力学试验。

3.3应力应变关系分析

不同孔隙率红砂岩在冲击荷载作用下的σ -ε关系曲线如图5所示。

图5　冲击荷载下不同孔隙率红砂岩的σ -ε关系Fig.5　σ -ε curve of red sandstone under differentimpact loading

当孔隙率在5.67%～11.86%范围内变动时，红砂岩试件的σ -ε关系曲线变化趋势基本各不相同，其中孔隙率为11.86%时，σ -ε关系曲线变化显著，整个加载过程中基本未出现弹性阶段，表现出明显的塑性特性，岩石出现应变软化，即随着应力的加大，应变增长的速率加快。此外，从不同孔隙率的σ -ε关系曲线可以看出：红砂岩的动态弹性模量和峰值强度随着孔隙率的增大而明显减小，当孔隙率在5.67%～8.32%区间变化时，峰值强度对应的应变相差不大，约为0.0045；但是当孔隙率增为11.86%时，无论是峰值强度还是峰值对应的应变都显著减小。

试验不同孔隙率红砂岩试件的冲击测试结果参见表1。选择孔隙率最小的试验试样的峰值应力为参照标准，按照孔隙率由小到大的顺序，绘制峰值应力降低率随孔隙率变化的关系，如图6所示。随着孔隙率的增大，红砂岩试件的峰值应力降低率基本呈直线上升。说明红砂岩的峰值强度具有很强的孔隙率敏感性。

表1　相似冲击速度下不同孔隙率红砂岩的应力应变对比

图6　峰值应力降低率随孔隙率的变化关系Fig.6　The relationship graph between reduction rate of peak stress and porosity rate

4结 论

(1)相似冲击速度下，随着红砂岩的孔隙率从5.67%增大到11.86%，其反射波幅值逐渐增大；透射波幅值则随着孔隙率的增大而减小，当孔隙率增至11.86%时，透射波降幅达70%左右；透射波峰值出现时间随着孔隙率的增大而提前。

(2)相似冲击速度下，当孔隙率在5.67%～11.86%范围变化，红砂岩的动力传递率随孔隙率的增加呈指数形式下降。

(3)红砂岩的动态弹性模量和峰值强度随着孔隙率的增大而减小，当孔隙率在5.67%～8.32%区间变化时，峰值强度对应的应变相差不大；但是当孔隙率增为11.86%时，无论是峰值强度还是峰值对应的应变都显著减小。

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Dynamic response characteristics experiment of red sandstone under different porosity

LU Hua1, WANG Jian-guo2, YANG Ji-qing2, HUANG Bo3

(1．School of Civil Engineering, Northern University for Nationalities, Yinchuan 750021, China;2．College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;3．Qingdao Metro Group Co.,Ltd., Engineering Construction Branch, Qingdao 266000, Shandong, China)

ABSTRACT：Impact experiment under similar velocity on field specimen after being processed was carried out with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. Dynamic response characteristics of red sandstone with different porosity were achieved in a certain range of impact loading. From the experiment, the following conclusions were obtained, under the similar impact velocity, as the red sandstone porosity increased from 5.67% to 11.86%, the reflection amplitude value increased gradually, but the transmission amplitude value reduced little by little. The peak value of transmission wave turned out in advance with the increasing of porosity. Power transmission rate reduced exponentially with the increasing of porosity. Dynamic elastic modulus and peak strength decreased with the increasing of porosity and peak intensity reduction rised in a straight line with the increasing of porosity.The strain corresponding with peak intensity changed unconspicuously when the porosity varied from 5.67% to 8.32%, but when the porosity increased to 11.86%, both the peak value strength and the corresponding strain were significantly reduced.

KEY WORDS:Impact dynamics; SHPB; Porosity; Red sandstone; Stress wave; Dynamics response

文章编号：1006-7051(2016)02-0019-05

收稿日期：2015-10-20

基金项目：北方民族大学国家自科培育项目(2014Q2P06)

作者简介：陆 华(1978-)，女，博士、讲师，从事岩石动力学方面的研究。E-mail：8494122@qq.com

中图分类号：TD235.2； TU458+3

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.004