馬艾陽1,2,王 波1,3,孔德銘1,韓世禮1,2*,段先哲1,2,李玲珂1
(1.南華大學 資源環境與安全工程學院,湖南 衡陽 421001;2.稀有金屬礦產開發與廢物地質處置技術湖南省重點實驗室,湖南 衡陽 421001;3.東華理工大學 地球科學學院,江西 南昌 330013)
摘 要：採用RMT-150B巖石力學電液剛性伺服控制試驗系統對含預製鋸齒狀結構面類巖石試件進行了單軸壓縮試驗,包括4級不同的加載速率,定量地分析了加載速率對峰值強度及加載速率對應變等物理力學性態的影響。結果表明，在靜態加載速率下,含預製鋸齒狀結構面類巖石試件的峰值強度與加載速率呈非線性正相關，峰值強度以及對應的應變值與加載速率呈非線性負相關，破壞形式為沿結構面滑動剪切啃斷式破壞,鋸齒啃斷面積基本隨應變速率增大而增加。
關鍵詞：鋸齒狀結構面;加載速率;峰值強度;鋸齒啃斷面積
0 引 言隨著國家礦產與水電資源的開發利用，以及交通運輸工程、城市基礎工程與國防工程中地下空間的利用與建設，很多大型工程所涉及的工程地質條件越來越複雜，因此，相應巖體力學問題所帶來的挑戰顯得越來越艱巨。
在巖石力學中，加卸載速率是實驗的基本參數之一，對不同的工程問題，這一參數是變化的。在採礦爆破過程中，巖體的卸載速率往往為每秒幾分之一量級，與之相比，地下採礦巷道和礦柱的變形增量相對較小，僅達到0.10～0.15 mm/a[1]。加載速率能夠影響材料破壞形態，包括局部破壞失穩和全面破壞失穩，巖爆就是後者的表現形式之一[2]。加載速率越高材料破損程度越高；巖石峰值強度和變形參數隨應變率的提高而提高[2]。通過剛性加載條件下巖石的變形全過程記錄，陳昇強等指出，與應變速率較低的峰值後卸荷剛度相比，應變速率較高的巖石峰值後卸荷剛度明顯要小[3]。巖石力學基本研究任務就包括不同應變速率條件下巖石材料的力學效應分析。
作為地質體的一部分，巖體的力學性質不僅與結構體有關，還深受各類先存結構面的影響。與完整的巖石試件相比，含節理的巖石試件的力學參數均在不同程度上降低，其中，彈模、抗壓強度、黏聚力等隨節理傾角變化而表現為高—中低—高的U型分布，60°傾角節理的試件的力學試驗中出現上述幾個巖石力學參數的最小值[4-5]。鋸齒狀巖體結構面的剪切變形模式包括3種，分別為爬坡、爬坡啃斷與啃斷，而相應產生的微破裂損傷、耗散能量依次增多[6]。當裂隙含充填的節理試件的峰值強度提高、峰後塑性變形能力增強[7-9]，卸荷條件下節理試件和完整試件的力學特性不同[10]。通過對含有非貫通節理的水泥砂漿試件的單軸壓縮試驗研究，P.L.P.Wasantha等指出節理位置、節理傾角和節理跡長均對單軸抗壓強度都有影響[11]。
總的來說，具有先存結構面的巖體和完整巖體的力學性質有較大差異。
1 試驗概況1.1 試件製備採用的模型材料質量配比為複合矽酸鹽水泥∶細沙∶水=23∶19∶10，細沙經孔徑為0.5 mm的篩晾乾篩分，以保證結構面製作時較好成形且質地均勻。試件模具為鋼製(如圖1所示)，試件為長方體試件，其尺寸為100 mm×50 mm×50 mm。
圖1 試驗所用鐵質模具與結構面製作模具
Fig.1 The iron mould used in the test and the mould with the structural surface
鋸齒狀結構面的實現是通過一塊含有與之相似結構面的鋼塊來實現；將製作好的兩塊水泥試件按結構面對應拼接，構成一個截面為50 mm×50 mm；長度為100 mm，內部含與水平面成60°角的長方體類巖石試件。在試件製作完成後24 h時拆模，拆模後檢查結構面的完整性及試件的完好性，剔除破損試件和尺寸不合格試件。對合格試件進行養護箱養護，養護時間為28 d，取出靜置於通風處1 d，然後進行力學加載試驗。
1.2 實驗設備與加載條件本次試驗加載設備為RMT-150B巖石力學試驗機。其原始加載頭足以完全覆蓋長方體的截面50 mm×50 mm，故加載時不用添加加載板。由於結構面角度較傾斜(60°)，所以加載時破壞形式為結構面滑動破壞[4]。故在加載前需要將拼接好的長方體試件用透明膠帶纏繞一圈半，防止加載後移動試件造成結構面的二次破壞。
1.3 實驗設計和結果本次實驗的加載速率設定為0.1，0.2，0.5，1.0 kN/s等4級，每級對應4個試件，共計16件。每一級下的四組試件都是隨機分配的。實驗結果見表1，峰值強度、峰值對應應變值和峰值後割線模量均為算術平均值。
表1 不同加載速率所對應的實驗結果
Table 1 Mechanical parameters under different
loading rates
四級加載速率相對應的應力—應變全過程曲線見圖2，由於試驗中每級加載速率下分別對應4件樣品，為了使所繪製的曲線具有代表性，並能客觀顯示試驗結果，因此將同一級加載速率下的數據加以求平均值整理後再繪製該曲線。
由圖2所示，結構面的存在並沒有改變巖石應力—應變曲線的總體形態，即巖石的應力—應變曲線一般可分為4個階段，包括壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破壞變形階段。在加載的初期，最大主應力方向的應變隨最大主應力的增加而增加，曲線表現為上凹形，這是由於類巖石試件中的鋸齒狀結構面壓密而產生的；並且在加載速率較高的情況下，壓密階段的應變量較小(應力—應變曲線第一個拐點靠前)，這是由於在該階段加載速率越高，壓力導致的次生裂隙較少。隨後，鋸齒狀結構面閉合，應力應變關係則具有近似於線性彈性的性質。隨著不斷加載進入塑性變形階段，該階段隨加載速率增高對應應變量減少，因為加載速率的提高抑制了材料破損過程中優勢剪切帶的發展[12]。當應力超過試件的最大承載力時，試件開始破裂，應力—應變曲線表現為急轉直下。
圖2 不同加載速率下試件的應力—應變關係曲線
Fig.2 Stress-strain relationship curves of specimens
under different loading rates
峰值強度即試件的單軸抗壓強度。按表1所示的4級加載速率，對相同加載速率的試樣的峰值強度值進行平均，得出4級加載速率下的平均峰值強度。每組試件在不同加載速率下的曲線如圖3。隨加載速率的提高峰值強度也隨即增加，這是因為在相對高的加載速率下試件內部的微裂紋或鋸齒剪斷來不及充分發育就發生了最終的剪切破壞——對應的剪切面積較大，故峰值強度高，而在相對低的加載速率下試件內部的微裂紋或鋸齒剪斷可相對充分地擴展，最終的剪切破壞對應的剪切面積較小，故峰值強度低。
峰值強度不是隨加載速率的增大而線性增加的，即非線性增長，如圖4所示。
圖3 不同加載速率下不同組試件的峰值強度關係曲線
Fig.3 Peak strength curve of different groups of
specimens under different loading rates
圖4 不同加載速率下試件的峰值強度關係曲線
Fig.4 Relation curve of peak strength of specimens
under different loading rates
峰值強度對應的應變是指試件達到峰值強度時所對應的應變，該值是巖體工程建設中應進行直接的測量並應控制的物理量。
如圖5所示，峰值強度對應的應變量與加載速率呈非線性關係，並且隨加載速率升高，峰值強度對應的應變量降低，兩者之間表現為負相關性，但是，4種加載速率下的峰值強度對應的位移相差較小。當加載速率較大時，試件內部的微裂紋與鋸齒啃斷未能充分發育，損傷較低；在低加載速率下，由於試件內部微裂紋與鋸齒具有充足的變形破壞時間，微裂紋與鋸齒的變形破壞相對更多，損傷較高。內部的微裂紋的發育與加載速率之間的關係，是導致上述負相關性的根本原因[13]。
圖5 不同加載速率下試件的峰值強度
對應位移的關係曲線
Fig.5 Relation curve of peak strength corresponding
to strain variable under different loading rates
由於技術的限制，預製裂隙多設計為光滑的、未切斷整個試件的，該類含預製裂隙的試件破壞方式往往表現為微裂紋的集中—宏觀裂紋出現[14]，或者不同參數的裂隙條件下新生裂紋的張拉類型、剪切類型和混合類型之間的轉換[15-16]。而本試驗的試件破壞主要沿預製裂隙面發生剪斷—剪切破壞。
對4種加載速率下破壞的試件進行破壞情況統計；對試件的兩個結構面進行破壞百分比統計，且將四組試件的統計結果求平均值，最後統計結果見表2。
表2 不同加載速率下試件破壞情況統計
Table 2 Statistics of specimen failure under different loading rates
總的來說，局部化帶(鋸齒狀結構面)主導了試件的破壞。對不同加載速率結構面破壞的百分比進行比較，可以發現，除1.0 kN/s這組試件外，隨著加載速率的增大，結構面啃斷面積百分比也逐步增加。這種例外可能與測試試件數量及試件製作水平有一定關係。
3 結 論1)4種加載速率對含先存鋸齒狀結構面類巖石試件的影響與其它巖石類材料在不同加載速率表現出的力學性質大致相同，即應力—應變曲線的形態一致，各個階段展現出來的力學規律一致。
2)加載速率對含先存鋸齒狀結構面類巖石試件的峰值強度影響較大，其峰值強度與加載速率呈非線性正相關的關係。
3)峰值強度對應的應變量與加載速率呈非線性負相關的關係；加載速率較大時，鋸齒啃斷沒有充分發育，故損傷變形較小。
4)不同加載速率下觀測到的試件破壞形式只有一種，其破壞形式為沿結構面滑動剪切啃斷式破壞。除1.0 kN/s這組試件外，隨著加載速率的增大，結構面啃斷面積百分比也逐步增加。
致謝：感謝蒲成志博士及其研究生在試驗過程中提供了較多指導和幫助！也感謝楊帆、陳道龍、孫夢瑤同學在試件製備過程中提供了較多支持！
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Effect of Loading Rate on Mechanical Properties of Surface Rock Specimens with Prefabricated Serrated StructureMA Aiyang1,2,WANG Bo1,3,KONG Deming1,HAN Shili1,2*,DUAN Xianzhe1,2,LI Linke1
(1.School of Resource Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.Hunan Key Laboratory of Rare Metal Minerals Exploitation and Geological Disposal of Waste,Hengyang,Hunan 421001,China;3.School of Earth Sciences,East China University of Technology,Nanchang,Jiangxi 330013,China)
Abstract：According to uniaxial compression deformation test on concrete samples with precast serrated structural surface under 4 different loading rate by RMT-150B rock mechanics experimental system,influence of loading rate on peak strength as well as the corresponding strain was analyzed quantitatively.Conclusions were drawn:1)Under the static loading rate,the peak strength has a nonlinear positive correlation with the loading rate;2)The peak strength as well as the corresponding strain is negatively correlated with the loading rate;3)The failure mode is sliding shear and nibbling failure along the structural surface,and the area of nibbling failure basically has a nonlinear positive correlation with the loading rate.
key words：serrated structural plane;loading rate;peak strength;the area of nibbling failure