层状节理岩体模型冲击实验*

  曾  晟1，江博为1，邓显石2，孙冰2，谭  均2

  （1．南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001；2．南华大学城市建设学院，湖南衡阳421001）

摘要：为研究层状节理岩体在冲击荷载作用下的力学特性，实验采用水泥砂浆预制层状节理岩体模型，设计4个落锤高度对不同节理组数的岩体进行冲击加载。通过对冲击过程中载荷及加速时程信号的分析处理，得出节理岩体动态承载力与节理组数呈负相关性，压缩位移与冲击高度呈正相关性；当冲击荷载较小时，节理岩体动态压缩位移主要来自节理法向闭合，节理周边开始产生细微裂缝；随着冲击荷载的逐渐增大，裂缝逐渐沿节理面扩展贯通导致岩体破坏。

关键词：岩石动力学；模型实验；冲击荷载；层状节理

中图分类号：X936   doi：10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 033

0  引  言

  工程岩体大都经受长期复杂的地质作用，形成了多种多样的节理及软弱面，使得岩体的强度大大降低。并且，这些结构面使得岩体受力特征表现为各向异性，严重威胁了岩体工程的安全性和稳定性。在实际工程中的岩体大多是含有不同等级裂隙的节理岩体，因此，研究含节理岩体的力学特性，特别是在动荷载作用下的力学性质，才能真实地反映工程岩体的实际力学行为。节理岩体在动荷载条件下的力学特性、破坏机理和力学参数的研究具有重要的工程意义。

  国内外学者对节理岩体力学特性从实验、理论和数值模拟3个方面开展了一系列的研究。在实验研究方面有：Brown等…较早通过节理岩体的力学特性实验，获得岩体的动态变形随节理密度的增大而增强的结论；Pyrak - nolte等提出动载作用下岩体节理刚度恒大于其准静态刚度；Bagde等指出静态循环荷载作用下岩石的变形和强度受加载峰值与频率影响较大；Jiang和Grasselli等建立了节理表面粗糙度参数与抗剪强度的本构关系；王瑞红等通过节理岩体卸荷实验发现节理岩体卸荷破坏时从峰值强度至残余强度过程中轴向应变较大，脆性特征不明显，变形特征受到节理倾角与围压的影响，最大主应力方向张性裂隙非常发育。在

理论研究方面有：Cai J G等研究了弹性纵波在节理岩体中的传播特征和衰减规律；葛涛等利用力学模型分析了岩石在冲击荷载作用下破坏过程，认为冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态；宋林等采用时域分析方法分析了节理非线性特征、节理刚度、应力波入射角和入射波幅值等因素对纵波在岩石节理中传播规律的影响，同时指出节理面剪切滑移效应对波的传播规律以及能量的变化规律有影响；陈赞成等采用工程地质力学方法对某铁矿山的地质、节理裂隙以及岩体结构进行统计与分类，并对该工程岩体质量进行评价与分类。在数值模拟研究方面有：节理岩体数值模拟的方法主要有有限元法、离散元法和有限差分法，如唐春安等采用RFPA2D对节理岩体进行了数值模拟研究，证实了岩石的非均匀性、层状结构面倾角大小对节理岩体的变形、破裂过程及其破坏模式有很大的影响；吴琼等应用三维离散单元法开展了复杂节理岩体力学参数尺寸效应及空间各向异性研究；朱道建等应用FLAC3D对节理岩体进行单轴与三轴压缩的数值模拟实验，分析了破坏过程变形、塑性破坏区和能量的耗散规律。

  专家学者的研究主要集中在研究1组节理岩体在静载作用或卸荷作用下的变形特性、破坏机理以及弹性波在节理中的传播规律等，对于2组节理岩体的动荷载作用下的力学特性研究有少量的文献报道，而在多组复杂节理控制下的岩体其力学特性，特别是动荷载作用下的力学特性的文献报道就更少，因此，对于复杂节理控制下的岩体其力学特性、破坏模式有待进一步研究。针对岩体工程的动力失稳破坏模式以及受力特性，本文基于相似原理，采用水泥砂浆制作了层状节理岩体模型，开展了层状节理岩体在冲击荷载作用下的动态力学特性以及动力破坏特征的冲击加载实验研究。这将为地下工程围岩结构动力稳定性分析和围岩支护体系在动荷载作用下安全可靠性评价提供理论基础。

  1  实验研究

  1.1  实验设备加载

  实验采用XJL - 98落锤式冲击实验机，选用5 kg球形钢质重锤进行冲击加载，并将3 mm厚的铝合金板置于加速度传感器上方，以获得稳定的冲击过程，实验测点布置如图1。同时使用96 kHz采样频率的动态数据采集系统，测量试块的动态数据。实验中采用的动态数据采集系统如图2。

  1.2  实验模型制作

  由于采集含规则节理的天然岩体比较困难，实验配置与其物理力学参数接近的水泥砂浆模拟岩体。选用标号为32.5的普通硅酸盐水泥、含水率为3%的河沙和自来水，以质量比为水泥：砂：水=1：3.9：1，试配强度等级为M15的水泥砂浆制作含1组、2组、3组节理及无节理边长为150 mm的立方体岩体试样。其中节理岩体试样制作是在试样入模振捣后，随即将0.3 mm厚的不锈钢片贯穿插入试样，待初凝后拔出，形成含不同组数节理的层状岩体如图3，浇筑1 d后脱模，运至标准养护室内养护28 d后进行冲击加载实验。试验测得完整岩体模型标养28 d后抗压强度为15.6 M Pa，弹性模量为2. 72 G Pa，泊松比为0.27。

  2  实验结果分析

  2.1  不同节理组数岩体试样冲击规律研究

  选用落锤冲击高度2m，对含0~3组不同节理组数试样进行4组冲击实验，每组冲击3次，通过力传感器测得平均冲击力时程如图4所示，图中可见无节理完整岩体试样冲击荷载峰值最大，随着节理组数的增加，冲击荷载峰值降低，加载时长相近，均在1ms左右，随着节理组数增加，荷载极值降低，加载速率下降。不同节理组数试样在落锤冲击高度为2m时的动量与冲量统计如表1，其中冲量是各组实验测得的荷载时程积分，落锤动量的计算是假设落锤完全没有回弹的情况，如式(1): 

在碰撞过程中，落锤动量转化为冲量，由表1统计可见不同工况的冲量始终小于计算得到的落锤初始动量，证明冲击后落锤仍有残余速度，随着节理组数的增加，其冲量持续降低，节理裂隙破坏了岩体的整体性，随着节理组数的增加，试样的抗冲击强度逐渐降低。

  通过竖向加速度时程积分，得到竖向位移时程如图5。随着节理组数增加，岩体试样竖向位移增大，节理组数对岩体试样的动态强度有一定的影响，力和位移曲线如图6，可见随节理组数的增加导致落锤对岩体试样做的功减少。试样动态强度随着节理组数增加而降低是因为节理面间的能量衰减造成的。由于节理的存在，破坏了试样本身的均匀性，把试样分割开，改变了试样的原有尺寸，也影响了试样的动态强度。

2.2  不同高度下岩体试样冲击规律研究

  选用含一组节理岩体试样J，，分别在0.5 m、1．0m、1.5 m和2.0 m下落高度下进行4组冲击实验，得到力时程曲线如图7。图中可见随着落锤下落高度增加，峰值荷载增加。当落锤下落高度为2m时，加载时长最大为1ms左右，其他3组实验的加载时长相近，在0.85 ms左右。

  相同节理组数试样在不同高度下的动量与冲量统计如表2，冲量始终小于落锤初始动量，说明冲击过程存在塑性变形，并由于节理的存在增加了冲击能量耗散。但随着下落高度的降低，冲量与动量之间相差越小，实验结果显示当下落高度增加到2m时，岩体试样发生破坏，丧失承载能力，而其他下落高度只产生细微裂缝。这是因为岩体在冲击荷载作用下，根据弹性损伤理论，其弹性模量随着损伤的增加逐渐降低，损伤方程如式(2)：

  式中：E为损伤后的弹性模量，E0为初始弹性模量，D为损伤变量。损伤变量如式(3): 

式中： λ 为残余强度系数，εt为极限弹性变形的应变，εtu为试样丧失承载能力时的临界应变。所以预测岩体试样的动态变形是随着动态荷载的增加从弹性变形到塑性变形的转变。

  将加速度传感器测得的加速度进行积分得到试样竖向位移时程如图8，图中可见随着落锤下落高度的增加，试样竖向位移逐渐增加，当落锤下落高度很小的时候，竖向位移小于试样预制节理厚度，主要来自于节理的动态闭合，随着下落高度增大，岩体试样动态竖向压缩位移超过了节理的最大允许闭合量，试样内部单元损伤量逐渐增长。通过冲击时间将冲击过程中力与位移的变化关系作曲线如图9，由图可知随着落锤下落高度增加，落锤对试样做功增加。实验结果显示，随着落锤下落高度的增加，试样沿预制节理周围开始产生细微裂缝，并逐渐与节理联通形成贯通裂缝，直至试样破坏。

3  结论

  本文通过分析不同节理组数相同高度和相同节理组数不同高度下岩体模型试样的落锤冲击实验，得出以下结论：  

1)在相同冲击高度作用下，冲击过程中峰值荷载降低，冲击加载速率下降。落锤冲击后存在一定的残余速度，并且随着节理组数的增加，冲击后落锤的残余速度增大，落锤对试样做功减少。

  2)在不同冲击高度作用下，随着下落高度的增大，冲击荷载峰值增大，通过弹性损伤理论，试样弹性模量随着损伤的增加逐渐降低，并推测岩体动态变形随着荷载增加从弹性变形到塑性变形转变。

  3)在动态冲击荷载作用下，含节理试样压缩变形大于完整岩体，当冲击荷载较小时，含节理试样的竖向位移主要来自张开节理的闭合。