喷层混凝土-围岩组合体的循环冲击压缩试验研究

郭东明，闫鹏洋，张英实，张 伟，丁莹莹，赵黎明

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

巷(隧)道钻爆开挖过程中，炸药释放的能量除了使岩体粉碎、断裂、变形外，还会将破碎或断裂的岩块抛掷，爆破应力波及抛掷岩块多次对开挖面近区新喷混凝土产生冲击作用，将会使早龄期混凝土及岩石内部形成累计损伤[1-4]，从而影响锚喷混凝土与围岩组成的支护结构稳定性，因此研究多次冲击作用下早龄期混凝土与岩石的动力特性对巷(隧)道工程安全、高效施工具有重要的指导意义。

目前，针对混凝土及岩石的循环冲击力学特性问题，已有学者对其进行了研究，并取得了丰硕的成果。在混凝土方面，赖建中等[5]采用分离式SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)压杆装置对活性粉末混凝土进行了多次冲击压缩实验，研究了纤维掺量、冲击次数及方式对混凝土抗冲击性能的影响规律。李胜林等[6]采用SHPB技术对碳纤维布包裹的C40混凝土试件进行循环冲击压缩试验，研究了径向碳纤维布约束条件下混凝土的动态力学特性，并探讨累计损伤特性。李夕兵等[7-8]对养护龄期为1 d，3 d，7 d，14 d，28 d锚喷支护混凝土分别进行循环冲击压缩的SHPB试验，并利用Weibull 分布统计损伤模型分析试件的损伤特性，结果表明，7 d龄期以前混凝土，受到小于50%临界入射能的冲击后，继续养护后混凝土抗压强度提高。

在岩石循环冲击的研究方面，Li等[9]使用SHPB压杆对花岗岩进行低强度循环冲击试验，研究表明，循环冲击荷载的峰值应力小于静态峰值应力的60%～70%时，岩石内部的损伤基本不变。李地元等[10-12]用分离式SHPB系统，研究花岗岩在多次循环冲击过程中的累计损伤特性及能量吸收规律。李胜林等[13]利用大直径SHPB压杆装置对石灰岩试件进行了循环冲击实验，探究不同冲击荷载下石灰岩损伤与应力波波幅、耗能之间的关系。许金余等[14-15]利用大直径SHPB压杆设备进行了围压条件下的循环冲击试验，研究了斜长角闪岩及砂岩的动态力学性能及损伤规律。唐礼忠等[16-17]利用SHPB 装置对矽卡岩试件进行一维静载作用下的循环冲击试验，结果表明，随着冲击数增加，动态峰值应力、动态变形模量减小，峰值应变增大，具有疲劳损伤特性，试件呈现拉伸或剪切破坏。

综上所述，目前针对岩石循环冲击力学特性的研究相对混凝土方面而言，较为完善，而早龄期混凝土方面的研究相对较少，仍需进一步研究。目前针对早龄期混凝土与岩石的循环冲击的研究，仅考虑两者单介质状态下循环冲击过程的力学特性变化规律，而施工过程中，爆破产生的冲击作用对黏结面近区也产生冲击作用，受到黏结面黏结力影响，黏结面近区介质力学特性有别于单介质情况，目前针对此区域介质动力特性的研究相对较少。因此，本文利用SHPB实验装置，对早龄期混凝土与岩石黏结形成的层状组合体进行循环冲击试验，研究以及能量传递及耗散的规律，并分析多次冲击作用后组合体试件由损伤向破坏的演化规律。

1 循环冲击试验方案

1.1 SHPB实验装置

本文试验采用中国矿业大学(北京)Φ75 mm分离式SHPB实验系统，实验系统主要包括：动力系统、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆及数据测试及记录系统。入射杆和透射杆长度为3 000 mm，吸收杆长度为800 mm，材质均为高强度不锈钢，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为210 GPa。

为了实现冲击过程中试件两端面的应力平衡，本文试验采用异形纺锤形冲头加载，入射波为单一的半正弦波[18]，子弹长度为540 mm，材质与入射杆材质一致，纺锤形冲头及相应的入射波形，如图1所示。

图1 异形冲头及入射波波形Fig.1 Shaped striker and the incident waves

1.2 试件制备

实验中早龄期锚喷支护混凝土质量配比为水泥 ∶砂 ∶石子=1∶2∶1.97，水灰比为 0.46,速凝剂掺量为水泥量的3.75%，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，砂子使用粗砂，含泥量小于3%，碎石粒径为5～11 mm。

实验所需试件数量较多，现场取样工作对围岩扰动较大，实验结果离散性较大，综合考虑后，选用四川某采石场红砂岩作为本文试验岩样，单轴抗压强度为53.68 MPa，抗拉强度为4.92 MPa，泊松比为0.24，弹性模量为11.0 GPa。将岩样加工成400 mm(长)×180 mm(宽)×35 mm(高)的板状，选取其中一面作为浇筑面，清除表面的岩渣，将木模固定在试块周边，将搅拌均匀后的混凝土平铺在浇筑面上，之后振捣、抹平，1 d后拆模，如图2所示。

图2 浇筑后的试块Fig.2 Blocks after pouring

使用保鲜膜将岩石部分包裹密封，然后放进标准养护室内进行养护。养护至3 d时，使用Z1Z-FF-200取芯机钻芯取样，为了减小对混凝土的扰动，控制钻头进速为0.6 cm/min，黏结面水平倾斜度控制在0°～2.5°，之后对试件端面进行打磨，试件轴线偏差小于0.25°，平整度小于0.05 mm，端面平行度小于0.02 mm，满足工程岩体试验标准要求，之后将试件放入养护室继续养护，直至试验龄期。

浇筑后的试块及加工后的试件，如图2和图3所示，组合体试件直径为68 mm，混凝土和岩石的高度比为1∶1，试件高度为58 mm。早龄期混凝土试件尺寸为Φ50 mm×100 mm，相关力学参数如表1所示。

图3 部分组合体试件Fig.3 Part of the combined bodies

表1 早龄期混凝土及组合体力学参数Tab.1 The mechanical parameters of the early age concrete and the combined bodies

1.3 加载气压及冲击次数

为了确保试件能够承受多次冲击，经过多次试验，最终确定循环冲击气压分别为0.52 MPa，0.54 MPa，0.56 MPa。每次冲击后观察试件是否出现明显裂纹，当出现明显裂纹时结束冲击，以免影响端面应力平衡，循环冲击次数最多为5次，不同气压及龄期试件根据情况适当调整冲击次数，相同试验条件的循环冲击试验重复试验3～5次，不同龄期试件在不同冲击气压条件下的冲击次数，如表2所示。

表2 不同冲击气压条件下的循环冲击次数Tab.2 Number of cyclic impact under the different impact pressure conditions

试件混凝土部分与入射杆接触，岩石部分与透射杆接触，试验冲击过程如图4所示，图5为冲击过程中典型的试验波形及其应力平衡过程，从图5可知，3 d龄期试件端面具有较好的应力平衡效果。

图4 组合体试件循环冲击试验Fig.4 Cyclic impact tests for the combined bodies

图5 3 d组合体试件典型试验波形及应力平衡过程Fig.5 Typical SHPB experiment wave for the 3 d combined body and the process of stress equilibrium

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变曲线特征分析

图6为不同龄期喷层混凝土-围岩组合体试件在不同冲击气压条件下循环冲击时的应力-应变曲线。从图6中可知，3 d龄期(0.52 MPa和0.54 MPa冲击气压)和7 d龄期试件(0.52 MPa冲击气压)循环冲击的过程中，应力-应变曲线在最初表现为延性特征，这是由于早龄期混凝土具有一定的黏弹性，低速循环冲击过程中，混凝土内部空隙、孔隙及微裂纹被挤压，发生坍陷、闭合等现象，使得试件出现大塑性变形；由于界面过渡区及胶凝材料强度较低，前期的循环冲击作用，造成界面过渡区及砂浆区域裂纹、界面数量增多，冲击3次后，混凝土及岩石内部微裂隙增多，试件整体力学性能被劣化。

0.56 MPa冲击气压下，不同龄期组合体试件连续冲击2次，3 d龄期试件的应力-应变曲线均表现出延性变形特征，7 d和10 d龄期试件第1次冲击时的应力-应变曲线表现为脆性变形特征，第2次冲击时表现为延性变形特征，可以看出较大冲击气压下，组合体试件连续冲击后呈现延性材料特性，这主要是由于组合体受到较大冲击扰动时，混凝土及岩石内部空隙、孔隙及微裂纹不仅发生坍陷、闭合等现象，微观缺陷还将开裂、扩展、贯通，试件塑性变形增大，力学性能降低，表现出延性材料特性。

7 d龄期组合体试件在0.52 MPa循环冲击时应力-应变曲线的特征变化过程为“塑性特性-脆性特性-塑性特性”，而0.54 MPa和0.56 MPa冲击气压下应力-应变曲线的特征变化过程为“脆性特性-塑性特性”，前期冲击过程中，组合体试件表现出的力学特性存在差异，由文献[19]的试验结果及分析可知，7 d龄期混凝土黏弹性特性降低，表现出一定脆性材料特性，即7 d龄期混凝土即具有一定的黏弹性特性，也具有脆性的特性，当入射能较小时，一定应变率范围内，7 d龄期混凝土表现出明显的黏弹性，循环冲击的过程中会出现明显的塑性材料特性，当入射能增大后，应变率增大至一定值后，7 d龄期混凝土出现应变率硬化效应，表现出脆性特性，从而使得组合体试件应力-应变曲线表现出脆性特性。

图6 循环冲击作用下组合体试件的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of the combined bodies in cyclic impacts

2.2 峰值应变及弹性模量规律研究

图7为不同龄期试件不同冲击气压条件下峰值应变及弹性模量随冲击次数的变化曲线。从图7可知，0.52 MPa冲击气压下，不同龄期试件的峰值应变及弹性模量表现出相同的变化规律，峰值应变呈现先减小后增大的变化趋势，弹性模量呈现先增大后减小的变化趋势，两者呈现负相关关系，具有紧密的内在联系。

图7 组合体试件峰值应变及弹性模量随冲击次数的变化曲线Fig.7 Changes of peak strain and dynamic elastic modulus for the combined with impact times

早龄期混凝土具有较好的变形能力，也具有黏弹性特性，组合体试件在低气压多次冲击过程中，前期冲击作用后，混凝土内部空隙、孔隙及微裂纹等缺陷出现坍陷、闭合；继续冲击时，混凝土内部众多微小界面间存在摩擦阻力，同时组合体试件还受到黏结面环向约束，试件的轴向应变减小，弹性模量增大。相对而言，3 d龄期的混凝土黏弹性及变形能力更好，这也是3 d龄期组合体试件0.52 MPa冲击气压下峰值应变降低幅度大、弹性模量增大幅度大的原因；后期冲击过程，组合体试件微裂纹端部出现应力集中，微裂纹被激活—开裂、扩展、贯通，使得组合体试件应变增大，弹性模量减小。

而0.54 MPa作用下，3 d龄期组合体试件弹性模量(峰值应变)仍存在增大(减小)的变化过程，而7 d和10 d龄期试件则没有上述现象，这主要是由于混凝土龄期增大后，界面过渡区及砂浆强度增大，变形能力降低，混凝土内部少量空隙、孔隙等缺陷出现坍陷、闭合，更多的是空隙、孔隙及微裂纹的开裂、扩展、贯通，使得组合体内部出现损伤，力学性能弱化，峰值应变增大，弹性模量减小。

2.3 试件累积损伤规律研究

循环冲击作用后，组合体试件混凝土端面、岩石端面以及试件侧面均出现张拉裂纹，由于受本文篇幅限制，仅列出3 d龄期0.56 MPa冲击气压条件下的损伤特征图，如图8所示。

图8 试件损伤破坏特征Fig.8 Damage and failure characteristics of combined body

使用RSM-SY5非金属声波监测仪分别测量循环冲击试验前后试件混凝土以及岩石部分的纵波波速，并分别计算混凝土与岩石部分的累计损伤值，如图9所示。从图9可知，随着循环冲击气压的增大，试件内部的累计损伤呈现增大的变化趋势，并且混凝土的累计损伤程度较岩石严重，这是由于入射能首先传导至混凝土部分，能量通过混凝土内部时，内部的孔隙以及骨料界面等缺陷处较易吸收能量出现开裂、扩展等损伤现象，在此过程中，能量被削减，传导至岩石部分的能量相对减少，致使岩石部分的损伤较小。试件累计耗散能呈现先增大后减小的趋势，这是循环冲击气压、循环冲击次数及龄期等试验条件的综合结果，如图10所示。

图9 累计损伤值随冲击气压的变化曲线Fig.9 Changes of the accumulative damage vs impact pressure

对比图9和图10可知，对于0.54 MPa和0.56 MPa冲击气压下，3 d龄期试件，多组试验的累计耗散能平均值分别为64.19 J，64.65 J，混凝土累计损伤值平均值为0.325，0.383，岩石累计损伤值平均值分别为0.155，0.194，冲击气压及冲击次数不同情况下，两者耗散能均值基本相等，试件内部损伤均值差别较大，主要是由于低冲击气压下，冲击入射能相对较小，循环冲击过程中，混凝土及岩石在黏结面的环向约束做用下，内部空隙、孔隙及微裂纹等缺陷的坍陷、闭合过程，以及内部微小界面间的摩擦过程能够消耗大部分能量，新生裂纹数量较少，累计损伤相应较小，当冲击入射能增大后，试件应变率及变形量增大，超过内部裂纹缺陷活化能后，新生裂纹数量激增，因此在耗散等同的能量时，较大冲击气压条件下，试件的损伤值会相应增大；0.54 MPa和0.56 MPa冲击气压下，7 d龄期和10 d龄期试件的损伤情况具有上述类似的试验结果，0.56 MPa冲击气压下试件的累计耗散能均值较0.54 MPa冲击气压时小，相应试件的累计损伤均值却相应较大，也是由于上述原因造成的结果。

图10 累计耗散能随冲击气压的变化规律Fig.10 Changes of the accumulative dissipation energy vs impact pressure

从上述试验结果可以看出，在耗散等量时，减小冲击入射能，组合体试件耗散的能量更多，试件出现的损伤却减小，增强了试件抵抗外部冲击荷载的能力。目前巷(隧)道爆破掘进施工现场，经常采用交叉施工的方法提高掘进速度，早龄期喷层凝土与围岩均会受到多次冲击扰动，结合上述试验结果，适当减少单次炸药量、增大循环爆破次数的方法，可以减少爆破施工对早龄期喷层混凝土与围岩的扰动及损伤，对安全施工及保持巷(隧)道稳定性具有重要的指导意义。

3 结 论

(1)早龄期混凝土力学特性对组合体试件力学特性影响较大，在0.52 MPa冲击气压循环冲击下，混凝土力学性能提高，组合体试件力学特性由延性转变为脆性，峰值应变减小，弹性模量增大.

(2)0.56 MPa冲击气压下，3 d，7 d和10 d龄期组合体试件连续冲击2次后，均出现明显的损伤现象；组合体试件力学性能被劣化峰值应变增大，弹性模量减小。

(3)在0.54 MPa冲击气压下不同龄期组合体试件耗散能比0.56 MPa多，试件损伤值却较前者小，耗散能与损伤值呈负相关关系，说明在低入射能条件有利于组合体试件抵抗外部冲击荷载的多次冲击，降低内部损伤，这对现场施工具有重要的指导意义。

(4)组合体试件在循环冲击过程中，混凝土内部累计损伤值较岩石部分大，不同龄期试件在循环冲击后，混凝土与岩石端面出现明面的张拉裂纹。