·1784· 工程科学学报，第39卷，第12期 扰动是不可忽视的，而地下工程所经历的地质概况复 森压杆试验干燥和水饱和花岗岩的动态拉断强度，表 杂，难免受到水的影响.水改变了岩石的黏弹性质，对 明水饱和花岗岩比干燥时更难拉断.王斌等a对风 于不同含水岩体的岩石力学性质是不同的.因此在不 干和饱水状态下砂岩实施单轴冲击压缩试验，发现 同含水情况岩体进行施工，对围岩所造成的影响亦不 砂岩饱水状态动态强度与风干状态时相近.通过以 同.因此有必要对岩石在不同含水条件下的动态应力 上对有关含水岩石动力学的研究成果进行总结，发 响应进行研究.了解并掌握不同含水状态岩石的动态 现以往学者在进行岩石试样处理的时候，没有排除 响应规律对岩土工程开挖的益处是不可小觑的. 除水以外因素的影响，比如热、岩石试样所处试验环 室内试验是直观了解岩石动态响应规律的一种常 境等 规手段.Logan等以砂岩为研究对象，发现其摩擦因数 为研究不同含水条件下岩石的动力响应规律，减 在水环境下会降低回.Burshtein以石英砂屑岩、砂 小甚至避免因多种影响因素同时导致的岩石力学响应 岩为研究对象，发现它们的抗压性能很大程度受含水 不稳定的现象，除进行饱水处理外，对所有砂岩试样同 率的影响.Lajtai等以花岗岩为实验材料，发现水分 时进行相同的干燥试验.对干燥后岩石试样部分进行 的作用会使其强度特性降低.Dyke与Dobereiner可以 水处理，制备干燥、半饱和以及完全饱和的岩石试样， 石英砂屑岩为实验对象，对不同含水情况的岩石强度 对岩石试样进行动态荷载辅以静态荷载试验.采用 进行了测试总结.Hawkins与McConnell因以砂岩为研 SHPB装置分别从岩石峰值应力、应力一应变变化规律 究对象，分析其干燥和含水情况下的强度差别.汪亦 以及岩石试样的破坏形态对不同含水状态的岩石试样 显等切研究了在不同浸水时间下软岩的强度、刚度及 进行动态响应规律研究. 亚临界裂纹扩展规律，研究结果发现，当浸水时间增加 时，软岩的强度和刚度的损伤劣化越来越严重，亚临界 1 SHPB动态抗压试验原理 裂纹的扩展速率越来越快.周翠英等习对软岩进行 SHPB装置的压缩试验如图1所示-9.试验时 了水作用研究，实验结果表明浸水作用时间与岩石的 需将试样夹持在入射杆和透着杆之间.采用冲头冲击 抗剪、单轴抗压和抗拉强度性能的衰减变化是呈指数 分布的.朱珍德等对泥板岩进行了单轴抗压试验， 入射杆的方式施加动荷载，并在入射杆产生一应力脉 研究结果表明泥板岩的含水率会对其抗压强度产生影 冲σ()，应力脉冲在一维应力传播的条件下向前传 响.以上学者均从静力学方面对含水岩石进行研究， 播，波速C。=EpT（式中：E为压杆的弹性模量， 从动力学角度研究含水量对岩石力学性质的影响的学 MPap为压杆密度，kgm3),当应力波达到岩石试样 者较少.近期研究含水岩石动力学特性的主要有：袁 位置后，会分别在入射杆和透射杆中产生反射应力脉 璞等1采用分离式霍普金森压杆装置（以下简称 冲σm(t)和透射应力脉冲o,(t).应力波的传播通过 SHPB)研究了不同含水状态下干煤矿砂岩动态力学性 粘贴在入射杆和透射杆上的应变片G,、G,测得，G,可 能，并从应力一应变、能量等角度研究了砂岩含水率对 测得入射应变信号e,(t)和反射应变信号e.(t）,G,可 力学性质的影响.Rubin等n与楼沩涛的利用霍布金 测得透射应变信号s1(t). 气炮 发射腔冲头 人射杆应变片C, 岩石试样 应变片G2 透射杆 吸收杆 图1SHPB压缩试验示意图 Fig.1 Schematic diagram of compression test 由于一维应力弹性应力波具有在细长杆件中传 AE 0=c,0, (1) 播不会发生畸变的特性，在如图1所示的SHPB试验 系统中，界面X,处的入射应变波￡，()和反射应变波 e(0=-22,ea(dd山 (2) e.(t)以及X2处的透射应变波e,()可以分别由通过 粘贴在入射杆的应变片G,以及透射杆上的应变片 (3) G,测得的信号代替.由此可以通过公式(1~3)计算 0-2.0. 得到岩石试样的动态应力σ()，应变ε(t)和应变率 式中：A为入射杆的横截面积，m2:A,为岩石试样的横 e(t). 截面积，m2:l,为岩石试件的长度，m工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 扰动是不可忽视的，而地下工程所经历的地质概况复 杂，难免受到水的影响． 水改变了岩石的黏弹性质，对 于不同含水岩体的岩石力学性质是不同的． 因此在不 同含水情况岩体进行施工，对围岩所造成的影响亦不 同． 因此有必要对岩石在不同含水条件下的动态应力 响应进行研究． 了解并掌握不同含水状态岩石的动态 响应规律对岩土工程开挖的益处是不可小觑的． 室内试验是直观了解岩石动态响应规律的一种常 规手段． Logan 等以砂岩为研究对象，发现其摩擦因数 在水环境下会降低［2］． Burshtein［3］ 以石英砂屑岩、砂 岩为研究对象，发现它们的抗压性能很大程度受含水 率的影响． Lajtai 等［4］以花岗岩为实验材料，发现水分 的作用会使其强度特性降低． Dyke 与 Dobereiner ［5］以 石英砂屑岩为实验对象，对不同含水情况的岩石强度 进行了测试总结． Hawkins 与 McConnell ［6］以砂岩为研 究对象，分析其干燥和含水情况下的强度差别． 汪亦 显等［7］研究了在不同浸水时间下软岩的强度、刚度及 亚临界裂纹扩展规律，研究结果发现，当浸水时间增加 时，软岩的强度和刚度的损伤劣化越来越严重，亚临界 裂纹的扩展速率越来越快． 周翠英等［8--9］对软岩进行 了水作用研究，实验结果表明浸水作用时间与岩石的 抗剪、单轴抗压和抗拉强度性能的衰减变化是呈指数 分布的． 朱珍德等［10］对泥板岩进行了单轴抗压试验， 研究结果表明泥板岩的含水率会对其抗压强度产生影 响． 以上学者均从静力学方面对含水岩石进行研究， 从动力学角度研究含水量对岩石力学性质的影响的学 者较少． 近期研究含水岩石动力学特性的主要有: 袁 璞等［11--13］采用分离式霍普金森压杆装置( 以下简称 SHPB) 研究了不同含水状态下干煤矿砂岩动态力学性 能，并从应力--应变、能量等角度研究了砂岩含水率对 力学性质的影响． Ｒubin 等［14］与楼沩涛［15］利用霍布金 森压杆试验干燥和水饱和花岗岩的动态拉断强度，表 明水饱和花岗岩比干燥时更难拉断． 王斌等［16］对风 干和饱水状态下砂岩实施单轴冲击压缩试验，发现 砂岩饱水状态动态强度与风干状态时相近． 通过以 上对有关含水岩石动力学的研究成果进行总结，发 现以往学者在进行岩石试样处理的时候，没有排除 除水以外因素的影响，比如热、岩石试样所处试验环 境等． 为研究不同含水条件下岩石的动力响应规律，减 小甚至避免因多种影响因素同时导致的岩石力学响应 不稳定的现象，除进行饱水处理外，对所有砂岩试样同 时进行相同的干燥试验． 对干燥后岩石试样部分进行 水处理，制备干燥、半饱和以及完全饱和的岩石试样， 对岩石试样进行动态荷载辅以静态荷载试验． 采用 SHPB 装置分别从岩石峰值应力、应力--应变变化规律 以及岩石试样的破坏形态对不同含水状态的岩石试样 进行动态响应规律研究． 1 SHPB 动态抗压试验原理 SHPB 装置的压缩试验如图 1 所示［17--19］． 试验时 需将试样夹持在入射杆和透着杆之间． 采用冲头冲击 入射杆的方式施加动荷载，并在入射杆产生一应力脉 冲 σI ( t) ，应力脉冲在一维应力传播的条件下向前传 播，波速 C0 = 槡Eρ － 1 ( 式中: E 为压杆的弹性模量， MPa; ρ 为压杆密度，kg·m － 3 ) ，当应力波达到岩石试样 位置后，会分别在入射杆和透射杆中产生反射应力脉 冲 σＲ ( t) 和透射应力脉冲 σT ( t) ． 应力波的传播通过 粘贴在入射杆和透射杆上的应变片 G1、G2测得，G1可 测得入射应变信号 εI ( t) 和反射应变信号 εＲ ( t) ，G2可 测得透射应变信号 εT ( t) ． 图 1 SHPB 压缩试验示意图 Fig． 1 Schematic diagram of compression test 由于一维应力弹性应力波具有在细长杆件中传 播不会发生畸变的特性，在如图 1 所示的 SHPB 试验 系统中，界面 X1处的入射应变波 εI ( t) 和反射应变波 εＲ ( t) 以及 X2处的透射应变波 εT ( t) 可以分别由通过 粘贴在入射杆的 应 变 片 G1 以及 透 射 杆 上 的 应 变 片 G2测得的信号代替． 由此可以通过公式( 1 ～ 3) 计算 得到岩石试样的动态应力 σ( t) ，应变 ε( t) 和应变率 ε ·( t) ． σ( t) = AE As εT ( t) ， ( 1) ε( t) = － 2 C0 ls ∫ t 0 εＲ ( t) dt， ( 2) ε ·( t) = － 2 C0 ls εＲ ( t) ． ( 3) 式中: A 为入射杆的横截面积，m2 ; As为岩石试样的横 截面积，m2 ; ls为岩石试件的长度，m． · 4871 ·