动静荷载作用下灰岩和白云岩破坏机理研究

贾 健，陶铁军，田兴朝，娄乾星，谢财进，何 军，虞培忠，王志涛

(1.贵州大学土木工程学院，贵阳 550025；2.中国建筑工程(香港)有限公司，香港 999077)

岩石是由多种矿物颗粒及内部孔隙的胶结物和微观裂隙组成的一种非均质天然材料[1]。从岩石固体相物质成分及细观结构出发，研究动静荷载作用下灰岩和白云岩力学特性及破坏机理，对我国西南地区隧洞建设具有重要意义。

目前，诸多学者对岩石的力学性能进行了大量分析研究：Hao Li等[2]通过实验研究循环荷载作用下化学腐蚀石灰岩微观结构损伤演化，建立了循环荷载作用下化学腐蚀石灰岩的损伤模型。Ronghua SHU等[3]利用SHPB试验系统研究热处理对花岗岩在循环冲击作用下能量耗散的影响，分析了能量耗散与温度的相关性、能量耗散与冲击次数的关系以及热效应对吸收能量的影响规律。杨仁树等[4]利用SHPB试验系统分析了岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率及冲击速度的影响。李松等[5]利用NMR系统得出岩样冲击前后的孔隙度，探究动载下弱风化花岗岩的孔隙度变化规律及损伤特性。闫雷等[6]对单轴循环冲击下弱风化花岗岩的损伤演化规律进行研究，分析爆破应力波作用下弱风化花岗岩的力学特性及损伤演化机理。刘汉香等[7]通过岩石单轴压缩及声发射试验研究岩石损伤破坏过程中声发射参数演化规律与其应力响应之间的相关性。刘连生等[8]进行了频繁生产爆破加载下饱水岩体累积损伤效应现场声波测试研究，分析岩体累积损伤增长规律，对爆破方案及参数提出了优化建议。王春等[9]利用改进的SHPB试验装置进行深部岩石的三维高静载频繁动态扰动试验，分析动态应力-应变曲线的一般特征。李兵磊等[10]利用SHPB系统结合核磁共振试验研究不同冲击速度和次数下灰岩的动力学特性并分析了能量耗散规律。翟健等[11]利用改进的SHPB装置及GDS-VIS三轴渗流试验，研究有效孔隙度对岩石渗透性变化规律的影响。刘伟等[12]通过逐级循环冲击实验及冲击后的静态压缩实验，测量试件的孔隙度和渗透系数，为爆破增渗工艺提供了理论依据。王志亮等[13]利用SHPB试验系统进行等幅循环冲击试验，分析其动力学特性。方正峰等[14]利用RMT-150C多功能实验机和改进的SHPB实验装置，研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。

研究不同岩石在不同加载条件下动力学特性、损伤演化机理、渗透率演化规律及破坏形式的成果颇丰。但从岩石固体相及细观结构角度出发，对灰岩及白云岩的动静破坏差异性研究却鲜有报道。本文通过X射线衍射分析仪和扫描电子显微镜分析灰岩和白云岩的固体相和微观结构的差异性，利用TAJW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机及分离式HSPB压杆测试系统ALT100配合高速摄影仪对两类岩石的动静力学特性进行分析，探究固体相物质成分在动静破坏差异性中发挥的重要作用，探明岩石在动静荷载作用下的破坏机理。

1 实验内容

1.1 试样制备

试样取自兰海高速桐梓隧道施工现场，为减小试件的离散型，避免岩石试件在组成成分和结构上的差异，实验所用同一类型试件取自同一岩块。根据国际岩石力学学会(ISRM)对岩样在力学实验中尺寸[10,15]的要求将试样加工打磨制成标准试样。

1.2 X射线衍射、SEM分析

为探究两类岩石的固体相及细观结构的差异性，使用日本理学Rigaku Ultima IV型X射线衍射分析仪和ZeissMerlin Compact型扫描电子显微镜SEM对灰岩、白云岩进行X射线衍射(XRD)分析和电镜扫描分析。

1.3 动静荷载试验

采用TAJW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机开展三组岩石单轴压缩试验(Φ50 mm×100 mm)及巴西劈裂试验(Φ50 mm×50 mm)，加载控制方式为等位移速率，加载速率为0.005 mm/s，如图1所示。

图1 微机控制电液伺服岩石三轴试验机Fig.1 Electro-hydraulic servo rock triaxial testing machine controlled by microcomputer

采用阿基米德工业科技有限公司研制的分离式Hopkinson压杆测试系统ALT100配合高速摄影仪，分别在0.1、0.2、0.3 MPa的冲击气压下开展三组灰岩及白云岩冲击压缩实验(Φ50 mm×25 mm)，实验时涂抹润滑脂减小试件和压杆之间的端面摩擦效应，其中压杆密度为7.81 g/cm3，弹性模量210 GPa，纵波波速5 410 m/s，如图2所示。

图2 分离式Hopkinson压杆测试系统Fig.2 Separate Hopkinson pressure bar test system

2 实验结果分析

2.1 X射线衍射分析

使用日本理学Rigaku Ultima IV型X射线衍射分析仪对灰岩及白云岩进行X射线衍射(XRD)分析，设置波长为1.541 8、电压40 kV、电流40 mA，测试结果如图3所示。灰岩中CaCO3及SiO2物质成分占比较大，而白云岩中CaCO3及MgCO3的络合物CaMg(CO3)2为其主要物质成分，且白云岩中各项杂质含量较多，这与周宗红等[16]的测试结果较为吻合。

图3 XRD分析结果Fig.3 Results of XRD analysis

SiO2为原子晶体，是以硅氧四面体为基本结构形成的立体网状结构，在其晶体结构中，硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键，Si原子处在正四面体中心，O原子位于四面体顶点。CaCO3、MgCO3为离子晶体，Ca2+、Mg2+与CO3-2之间形成离子键。共价键较离子键更为稳定，因此SiO2晶体硬度较大，难溶于水，灰岩内部富存SiO2使其力学性质优于白云岩。

2.2 SEM分析

使用ZeissMerlin Compact型扫描电子显微镜SEM对灰岩及白云岩进行电镜扫描分析，能谱型号为牛津的X-MAX-20 mm2，分析结果如图4所示。相对于灰岩，白云岩内部孔隙较多，结构排列较为松散，结构面颇为发育，这也是白云岩的抗压强度、抗拉强度低于灰岩的重要原因。

图4 SEM分析结果Fig.4 Results of SEM analysis

2.3 静力学实验分析

灰岩及白云岩单轴压缩实验后，分别取3个典型试样，做出其静态应力-应变曲线，如图5所示，并分析其静单轴压缩下的破坏形式静力学参数如表1所示。

图5 灰岩和白云岩的静态应力-应变Fig.5 Static stress-strain of limestone and dolomite

表1 灰岩及白云岩静力学参数

此次实验灰岩和白云岩形状尺寸、实验条件以及加载方式均相同，灰岩整体力学性能优于白云岩。在静单轴压缩荷载作用下，灰岩的破坏形式主要以剪切面破坏为主，白云岩的破坏形式为劈裂破坏与剪切破坏并存，以劈裂破坏为主。同一类型的岩石基本表现为同种破坏模式，而灰岩与白云岩的破坏模式却表现出差异性，认为主要原因是岩石内部固体相物质成分差异性及。

2.4 动力学实验结果分析

2.4.1 应力-应变曲线

为保证实验数据的有效性，对分离式Hopkinson压杆ALT100装置进行空冲实验，入射杆与投射杆波阻抗相同，入射波几乎全部转化为透射波，有极少部分反射波。动态压缩时灰岩的透射电压远大于白云岩，而反射电压远小于白云岩，这与岩石材料的性质如物质成分、静力学特性以及孔隙率等密不可分，由图4可知，相比于灰岩，白云岩内部孔隙较多，结构面更为发育，入射波在孔隙及结构面中多次反射，形成较大反射波，同时入射波能量耗散，透射波较少。试验冲击压缩应力-应变曲线如图6所示，冲击压缩结果如表2所示。

图6 灰岩及白云岩动态应力-应变Fig.6 Dynamic stress-strain of limestone and dolomite

表2 试样冲击压缩实验结果

灰岩在0.1、0.2、0.3 MPa的冲击气压下抗压强度分别是静单轴抗压强度的2.13、2.26、2.33倍，白云岩在0.1、0.2、0.3 MPa的冲击气压下抗压强度分别是是静单轴抗压强度的2.21、2.46、2.61倍，在动态冲击过程中，其抗压强度均得到了不同程度的提高。白云岩试件的平均应变率普遍大于灰岩，相应的峰值应变也大于灰岩试件，而对应的峰值应力却小于灰岩，说明白云岩试件的变形性能大于灰岩，可认为灰岩试件比白云岩有更高的抗冲击压缩强度和较低的变形性能，进而表现出更显著的动态脆性。

以0.2 MPa冲击荷载作用下为例，分析灰岩和白云岩冲击破坏前应力-应变曲线图4个阶段的变化过程。

1)压密阶段(A区域)：其应力-应变曲线均呈下凹型，白云岩的压密阶段要长于灰岩。这与试样内部密集的微孔隙以及微裂纹密切相关，试样在高速冲击荷载作用下，微孔隙迅速收缩，微裂纹逐渐闭合，较小的应力即可让试样产生较大应变。由SEM分析结果可知，白云岩内部微孔隙及微裂纹明显多于灰岩，因此白云岩的压密阶段要长于灰岩。

2)弹性变形阶段(B区域)：应力-应变曲线均呈直线型，压密阶段后，微孔隙及微裂纹密基本闭合，试样内部应力应变呈线性变化，随应变的增加，应力呈线性增大，动态弹性模量几乎保持不变，此阶段试样应变率效应较弱。相较于灰岩，白云岩弹性变形阶段较短，表明白云岩保持弹性变形、约束塑性变形产生的能力较弱。

3)微裂纹演化阶段(C区域)：应力-应变曲线均呈略上凸型，应力随应变的增加缓慢增长，此阶段试样内部微裂纹逐渐扩展(扩展速度较慢)，伴随新微裂纹产生，此时微裂纹之间还未相互贯通，试样内部逐渐产生塑性变形。白云岩微裂纹演化阶段短于灰岩，微裂纹的生长速度快于灰岩，与白云岩的内部微孔隙和裂纹明显多于灰岩相符合。

4)裂纹非稳定扩展阶段(D区域)：此阶段灰岩和白云岩的应力-应变曲线均呈明显上凸型，较小应力即可使试样产生较大塑性变形，此阶段原有裂纹迅速扩展，并快速大量的形成新裂纹，微裂纹不断聚集，最终形成宏观裂纹，导致试样贯穿破坏，此阶段试样所能承受的最大应力即为试样的动态抗拉强度。

2.4.2 应变率效应分析

对灰岩及白云岩的动态抗压强度随应变率的变化关系进行线性拟合，如图7所示。

图7 岩石动态抗压强度和单位吸收能与应变率关系Fig.7 Relationships between dynamic compressive strength, unit absorbed energy and strain rate of rock

灰岩和白云岩的动态抗压强度均随应变率的增大呈线性增加趋势，这是因为随着应变率的增大，试样本身需要更大的能量来驱使更多的微裂纹参与扩展贯通破坏，而高速冲击荷载作用在一瞬间完成，试样本身来不及积累大量的能量，因此只能提高自身的抗压应力来平衡外界的能量[17]，故试件的动态抗压强度表现出显著的应变率效应。

灰岩对平均应变率的相关性更加显著，随着平均应变率的增加，灰岩试件的动态抗压强度增加幅度远大于白云岩，应变率硬化效应更加显著。无论是微裂纹的扩展还是宏观裂纹的贯通，从根本上来讲，是因为原子之间的共价键、离子之间的离子键断裂造成，灰岩内部含有较多的SiO2，破坏Si原子与O原子之间的共价键需要消耗大量能量，因此灰岩具有显著的应变率硬化效应。

岩石试件的破坏过程也就是试件吸收能量造成裂纹扩展的过程，研究岩石试件在冲击压缩实验过程中的能量吸收情况，有利于揭示岩石试件整体破坏的本质特征。忽略压杆与试件接触面摩擦所产生的摩擦能，采用单位体积吸收能W′L(t)[10]来表示灰岩及白云岩在不同应变率下单位体积吸收能量的能力：

(1)

式中：E、A0和C分别为压杆的弹性模量、横截面积、纵波波速；V为岩石试样的体积；εI、εR、εT分别为入射杆接受的入射、反射应变信号以及透射杆接受的透射应变信号。

灰岩及白云岩单位体积吸收能与应变率的关系如图8所示。单位体积吸收能均随应变率的增大而显著增加，表现出较强的应变率效应，这是因为随着应变率的增加，岩石试件中产生更多的新裂纹，而产生新裂纹所需能量要比原有裂纹扩展所需能量多，因而试件吸收的能量就更多。在相同冲击气压下，灰岩单位体积吸收能分别是白云岩的2.68、1.63、1.53倍。说明冲击荷载作用下，岩石固体相成分和细观结构的差异性是导致试样吸能、抗压能力不同的重要原因。

2.4.3 冲击压缩破坏过程

灰岩及白云岩在冲击荷载作用下的破坏过程如图8所示。

图8 冲击荷载作用下试样破坏过程Fig.8 Failure process of specimens under impact load

灰岩在冲击荷载作用下试样偏上部分首先沿轴向产生1条主裂纹，随后主裂纹逐渐贯通，并产生第2条平行裂纹，随着轴向荷载的作用，第2条平行裂纹逐渐贯通，并在两条平行裂纹之间开始萌生环向裂纹，接着环向裂纹逐渐贯通两条平行裂纹，同时在试样偏下部分迅速产生多条轴向裂纹，试样逐渐破坏，从裂纹产生至试样完全破坏用时较长。

白云岩在冲击荷载作用下，首先在入射杆与试样交界面上产生了应力集中现象，小范围内萌生了多条微裂纹，原因可能是试样底面在此处稍有不平整或者入射杆底面残有未完全清理干净的岩石碎屑，随后微裂纹迅速扩展，形成多条轴向贯通裂纹，并迅速导致试样破坏，整个破坏过程用时较短。

3 结论

1)灰岩固体相组成物质中CaCO3及SiO2占比较大；而白云岩以CaCO3及MgCO3的络合物CaMg(CO3)2为其主要物质成分，且各项杂质含量较多；相对于灰岩，白云岩内部孔隙较多，结构排列较为松散，结构面颇为发育。

2)静荷载作用下灰岩以剪切面破坏为主，白云岩的破坏形式为劈裂破坏与剪切破坏并存，并以劈裂破坏为主；动态冲击压缩作用下灰岩主要呈现轴向劈裂破坏，而白云岩主要呈压碎破坏形式，破碎程度更为严重。

3)灰岩和白云岩动态抗压强度、单位体积吸收能均随应变率的增加显著增大，且灰岩的应变率硬化效应更加显著，灰岩单位体积吸收能分别是白云岩的2.68、1.63、1.53倍。