動靜荷載作用下灰巖和白云巖破壞機理研究

賈 健，陶鐵軍，田興朝，婁乾星，謝財進，何 軍，虞培忠，王志濤

(1.貴州大學土木工程學院，貴陽 550025；2.中國建筑工程(香港)有限公司，香港 999077)

巖石是由多種礦物顆粒及內部孔隙的膠結物和微觀裂隙組成的一種非均質天然材料[1]。從巖石固體相物質成分及細觀結構出發，研究動靜荷載作用下灰巖和白云巖力學特性及破壞機理，對我國西南地區隧洞建設具有重要意義。

目前，諸多學者對巖石的力學性能進行了大量分析研究：Hao Li等[2]通過實驗研究循環荷載作用下化學腐蝕石灰巖微觀結構損傷演化，建立了循環荷載作用下化學腐蝕石灰巖的損傷模型。Ronghua SHU等[3]利用SHPB試驗系統研究熱處理對花崗巖在循環沖擊作用下能量耗散的影響，分析了能量耗散與溫度的相關性、能量耗散與沖擊次數的關系以及熱效應對吸收能量的影響規律。楊仁樹等[4]利用SHPB試驗系統分析了巖石在沖擊荷載下的應力波傳播特征、動態應力應變關系以及破碎塊度分形特征同時受波阻抗、應變率及沖擊速度的影響。李松等[5]利用NMR系統得出巖樣沖擊前后的孔隙度，探究動載下弱風化花崗巖的孔隙度變化規律及損傷特性。閆雷等[6]對單軸循環沖擊下弱風化花崗巖的損傷演化規律進行研究，分析爆破應力波作用下弱風化花崗巖的力學特性及損傷演化機理。劉漢香等[7]通過巖石單軸壓縮及聲發射試驗研究巖石損傷破壞過程中聲發射參數演化規律與其應力響應之間的相關性。劉連生等[8]進行了頻繁生產爆破加載下飽水巖體累積損傷效應現場聲波測試研究，分析巖體累積損傷增長規律，對爆破方案及參數提出了優化建議。王春等[9]利用改進的SHPB試驗裝置進行深部巖石的三維高靜載頻繁動態擾動試驗，分析動態應力-應變曲線的一般特征。李兵磊等[10]利用SHPB系統結合核磁共振試驗研究不同沖擊速度和次數下灰巖的動力學特性并分析了能量耗散規律。翟健等[11]利用改進的SHPB裝置及GDS-VIS三軸滲流試驗，研究有效孔隙度對巖石滲透性變化規律的影響。劉偉等[12]通過逐級循環沖擊實驗及沖擊后的靜態壓縮實驗，測量試件的孔隙度和滲透系數，為爆破增滲工藝提供了理論依據。王志亮等[13]利用SHPB試驗系統進行等幅循環沖擊試驗，分析其動力學特性。方正峰等[14]利用RMT-150C多功能實驗機和改進的SHPB實驗裝置，研究灰巖和白云巖試件的靜態力學特性和在5種不同應變率等級下的動態力學性能。

研究不同巖石在不同加載條件下動力學特性、損傷演化機理、滲透率演化規律及破壞形式的成果頗豐。但從巖石固體相及細觀結構角度出發，對灰巖及白云巖的動靜破壞差異性研究卻鮮有報道。本文通過X射線衍射分析儀和掃描電子顯微鏡分析灰巖和白云巖的固體相和微觀結構的差異性，利用TAJW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機及分離式HSPB壓桿測試系統ALT100配合高速攝影儀對兩類巖石的動靜力學特性進行分析，探究固體相物質成分在動靜破壞差異性中發揮的重要作用，探明巖石在動靜荷載作用下的破壞機理。

1 實驗內容

1.1 試樣制備

試樣取自蘭海高速桐梓隧道施工現場，為減小試件的離散型，避免巖石試件在組成成分和結構上的差異，實驗所用同一類型試件取自同一巖塊。根據國際巖石力學學會(ISRM)對巖樣在力學實驗中尺寸[10,15]的要求將試樣加工打磨制成標準試樣。

1.2 X射線衍射、SEM分析

為探究兩類巖石的固體相及細觀結構的差異性，使用日本理學Rigaku Ultima IV型X射線衍射分析儀和ZeissMerlin Compact型掃描電子顯微鏡SEM對灰巖、白云巖進行X射線衍射(XRD)分析和電鏡掃描分析。

1.3 動靜荷載試驗

采用TAJW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機開展三組巖石單軸壓縮試驗(Φ50 mm×100 mm)及巴西劈裂試驗(Φ50 mm×50 mm)，加載控制方式為等位移速率，加載速率為0.005 mm/s，如圖1所示。

圖1 微機控制電液伺服巖石三軸試驗機Fig.1 Electro-hydraulic servo rock triaxial testing machine controlled by microcomputer

采用阿基米德工業科技有限公司研制的分離式Hopkinson壓桿測試系統ALT100配合高速攝影儀，分別在0.1、0.2、0.3 MPa的沖擊氣壓下開展三組灰巖及白云巖沖擊壓縮實驗(Φ50 mm×25 mm)，實驗時涂抹潤滑脂減小試件和壓桿之間的端面摩擦效應，其中壓桿密度為7.81 g/cm3，彈性模量210 GPa，縱波波速5 410 m/s，如圖2所示。

圖2 分離式Hopkinson壓桿測試系統Fig.2 Separate Hopkinson pressure bar test system

2 實驗結果分析

2.1 X射線衍射分析

使用日本理學Rigaku Ultima IV型X射線衍射分析儀對灰巖及白云巖進行X射線衍射(XRD)分析，設置波長為1.541 8、電壓40 kV、電流40 mA，測試結果如圖3所示?；規r中CaCO3及SiO2物質成分占比較大，而白云巖中CaCO3及MgCO3的絡合物CaMg(CO3)2為其主要物質成分，且白云巖中各項雜質含量較多，這與周宗紅等[16]的測試結果較為吻合。

圖3 XRD分析結果Fig.3 Results of XRD analysis

SiO2為原子晶體，是以硅氧四面體為基本結構形成的立體網狀結構，在其晶體結構中，硅原子的4個價電子與4個氧原子形成4個共價鍵，Si原子處在正四面體中心，O原子位于四面體頂點。CaCO3、MgCO3為離子晶體，Ca2+、Mg2+與CO3-2之間形成離子鍵。共價鍵較離子鍵更為穩定，因此SiO2晶體硬度較大，難溶于水，灰巖內部富存SiO2使其力學性質優于白云巖。

2.2 SEM分析

使用ZeissMerlin Compact型掃描電子顯微鏡SEM對灰巖及白云巖進行電鏡掃描分析，能譜型號為牛津的X-MAX-20 mm2，分析結果如圖4所示。相對于灰巖，白云巖內部孔隙較多，結構排列較為松散，結構面頗為發育，這也是白云巖的抗壓強度、抗拉強度低于灰巖的重要原因。

圖4 SEM分析結果Fig.4 Results of SEM analysis

2.3 靜力學實驗分析

灰巖及白云巖單軸壓縮實驗后，分別取3個典型試樣，做出其靜態應力-應變曲線，如圖5所示，并分析其靜單軸壓縮下的破壞形式靜力學參數如表1所示。

圖5 灰巖和白云巖的靜態應力-應變Fig.5 Static stress-strain of limestone and dolomite

表1 灰巖及白云巖靜力學參數

此次實驗灰巖和白云巖形狀尺寸、實驗條件以及加載方式均相同，灰巖整體力學性能優于白云巖。在靜單軸壓縮荷載作用下，灰巖的破壞形式主要以剪切面破壞為主，白云巖的破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞并存，以劈裂破壞為主。同一類型的巖石基本表現為同種破壞模式，而灰巖與白云巖的破壞模式卻表現出差異性，認為主要原因是巖石內部固體相物質成分差異性及。

2.4 動力學實驗結果分析

2.4.1 應力-應變曲線

為保證實驗數據的有效性，對分離式Hopkinson壓桿ALT100裝置進行空沖實驗，入射桿與投射桿波阻抗相同，入射波幾乎全部轉化為透射波，有極少部分反射波。動態壓縮時灰巖的透射電壓遠大于白云巖，而反射電壓遠小于白云巖，這與巖石材料的性質如物質成分、靜力學特性以及孔隙率等密不可分，由圖4可知，相比于灰巖，白云巖內部孔隙較多，結構面更為發育，入射波在孔隙及結構面中多次反射，形成較大反射波，同時入射波能量耗散，透射波較少。試驗沖擊壓縮應力-應變曲線如圖6所示，沖擊壓縮結果如表2所示。

圖6 灰巖及白云巖動態應力-應變Fig.6 Dynamic stress-strain of limestone and dolomite

表2 試樣沖擊壓縮實驗結果

灰巖在0.1、0.2、0.3 MPa的沖擊氣壓下抗壓強度分別是靜單軸抗壓強度的2.13、2.26、2.33倍，白云巖在0.1、0.2、0.3 MPa的沖擊氣壓下抗壓強度分別是是靜單軸抗壓強度的2.21、2.46、2.61倍，在動態沖擊過程中，其抗壓強度均得到了不同程度的提高。白云巖試件的平均應變率普遍大于灰巖，相應的峰值應變也大于灰巖試件，而對應的峰值應力卻小于灰巖，說明白云巖試件的變形性能大于灰巖，可認為灰巖試件比白云巖有更高的抗沖擊壓縮強度和較低的變形性能，進而表現出更顯著的動態脆性。

以0.2 MPa沖擊荷載作用下為例，分析灰巖和白云巖沖擊破壞前應力-應變曲線圖4個階段的變化過程。

1)壓密階段(A區域)：其應力-應變曲線均呈下凹型，白云巖的壓密階段要長于灰巖。這與試樣內部密集的微孔隙以及微裂紋密切相關，試樣在高速沖擊荷載作用下，微孔隙迅速收縮，微裂紋逐漸閉合，較小的應力即可讓試樣產生較大應變。由SEM分析結果可知，白云巖內部微孔隙及微裂紋明顯多于灰巖，因此白云巖的壓密階段要長于灰巖。

2)彈性變形階段(B區域)：應力-應變曲線均呈直線型，壓密階段后，微孔隙及微裂紋密基本閉合，試樣內部應力應變呈線性變化，隨應變的增加，應力呈線性增大，動態彈性模量幾乎保持不變，此階段試樣應變率效應較弱。相較于灰巖，白云巖彈性變形階段較短，表明白云巖保持彈性變形、約束塑性變形產生的能力較弱。

3)微裂紋演化階段(C區域)：應力-應變曲線均呈略上凸型，應力隨應變的增加緩慢增長，此階段試樣內部微裂紋逐漸擴展(擴展速度較慢)，伴隨新微裂紋產生，此時微裂紋之間還未相互貫通，試樣內部逐漸產生塑性變形。白云巖微裂紋演化階段短于灰巖，微裂紋的生長速度快于灰巖，與白云巖的內部微孔隙和裂紋明顯多于灰巖相符合。

4)裂紋非穩定擴展階段(D區域)：此階段灰巖和白云巖的應力-應變曲線均呈明顯上凸型，較小應力即可使試樣產生較大塑性變形，此階段原有裂紋迅速擴展，并快速大量的形成新裂紋，微裂紋不斷聚集，最終形成宏觀裂紋，導致試樣貫穿破壞，此階段試樣所能承受的最大應力即為試樣的動態抗拉強度。

2.4.2 應變率效應分析

對灰巖及白云巖的動態抗壓強度隨應變率的變化關系進行線性擬合，如圖7所示。

圖7 巖石動態抗壓強度和單位吸收能與應變率關系Fig.7 Relationships between dynamic compressive strength, unit absorbed energy and strain rate of rock

灰巖和白云巖的動態抗壓強度均隨應變率的增大呈線性增加趨勢，這是因為隨著應變率的增大，試樣本身需要更大的能量來驅使更多的微裂紋參與擴展貫通破壞，而高速沖擊荷載作用在一瞬間完成，試樣本身來不及積累大量的能量，因此只能提高自身的抗壓應力來平衡外界的能量[17]，故試件的動態抗壓強度表現出顯著的應變率效應。

灰巖對平均應變率的相關性更加顯著，隨著平均應變率的增加，灰巖試件的動態抗壓強度增加幅度遠大于白云巖，應變率硬化效應更加顯著。無論是微裂紋的擴展還是宏觀裂紋的貫通，從根本上來講，是因為原子之間的共價鍵、離子之間的離子鍵斷裂造成，灰巖內部含有較多的SiO2，破壞Si原子與O原子之間的共價鍵需要消耗大量能量，因此灰巖具有顯著的應變率硬化效應。

巖石試件的破壞過程也就是試件吸收能量造成裂紋擴展的過程，研究巖石試件在沖擊壓縮實驗過程中的能量吸收情況，有利于揭示巖石試件整體破壞的本質特征。忽略壓桿與試件接觸面摩擦所產生的摩擦能，采用單位體積吸收能W′L(t)[10]來表示灰巖及白云巖在不同應變率下單位體積吸收能量的能力：

(1)

式中：E、A0和C分別為壓桿的彈性模量、橫截面積、縱波波速；V為巖石試樣的體積；εI、εR、εT分別為入射桿接受的入射、反射應變信號以及透射桿接受的透射應變信號。

灰巖及白云巖單位體積吸收能與應變率的關系如圖8所示。單位體積吸收能均隨應變率的增大而顯著增加，表現出較強的應變率效應，這是因為隨著應變率的增加，巖石試件中產生更多的新裂紋，而產生新裂紋所需能量要比原有裂紋擴展所需能量多，因而試件吸收的能量就更多。在相同沖擊氣壓下，灰巖單位體積吸收能分別是白云巖的2.68、1.63、1.53倍。說明沖擊荷載作用下，巖石固體相成分和細觀結構的差異性是導致試樣吸能、抗壓能力不同的重要原因。

2.4.3 沖擊壓縮破壞過程

灰巖及白云巖在沖擊荷載作用下的破壞過程如圖8所示。

圖8 沖擊荷載作用下試樣破壞過程Fig.8 Failure process of specimens under impact load

灰巖在沖擊荷載作用下試樣偏上部分首先沿軸向產生1條主裂紋，隨后主裂紋逐漸貫通，并產生第2條平行裂紋，隨著軸向荷載的作用，第2條平行裂紋逐漸貫通，并在兩條平行裂紋之間開始萌生環向裂紋，接著環向裂紋逐漸貫通兩條平行裂紋，同時在試樣偏下部分迅速產生多條軸向裂紋，試樣逐漸破壞，從裂紋產生至試樣完全破壞用時較長。

白云巖在沖擊荷載作用下，首先在入射桿與試樣交界面上產生了應力集中現象，小范圍內萌生了多條微裂紋，原因可能是試樣底面在此處稍有不平整或者入射桿底面殘有未完全清理干凈的巖石碎屑，隨后微裂紋迅速擴展，形成多條軸向貫通裂紋，并迅速導致試樣破壞，整個破壞過程用時較短。

3 結論

1)灰巖固體相組成物質中CaCO3及SiO2占比較大；而白云巖以CaCO3及MgCO3的絡合物CaMg(CO3)2為其主要物質成分，且各項雜質含量較多；相對于灰巖，白云巖內部孔隙較多，結構排列較為松散，結構面頗為發育。

2)靜荷載作用下灰巖以剪切面破壞為主，白云巖的破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞并存，并以劈裂破壞為主；動態沖擊壓縮作用下灰巖主要呈現軸向劈裂破壞，而白云巖主要呈壓碎破壞形式，破碎程度更為嚴重。

3)灰巖和白云巖動態抗壓強度、單位體積吸收能均隨應變率的增加顯著增大，且灰巖的應變率硬化效應更加顯著，灰巖單位體積吸收能分別是白云巖的2.68、1.63、1.53倍。