李 玲，錢學(xué)登，王 科

（1.湖北科技學(xué)院 資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 咸寧437100；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著煤礦淺部資源日益枯竭，煤礦開采逐步由淺部向深部發(fā)展，深部煤炭賦存條件日益復(fù)雜，我國許多礦區(qū)都出現(xiàn)了用傳統(tǒng)巷道支護(hù)方法難以控制沖擊地壓巷道的支護(hù)難題，沖擊地壓巷道支護(hù)已經(jīng)成為目前深部煤炭資源開發(fā)亟待解決的技術(shù)難題[1-3]。針對沖擊地壓巷道圍巖控制，我國學(xué)者提出了多種控制手段，錨桿支護(hù)[4]作為一種常用的支護(hù)手段已經(jīng)被廣泛用于沖擊地壓巷道中，然而錨桿支護(hù)的沖擊地壓巷道在受到?jīng)_擊載荷時，容易出現(xiàn)大量的錨桿、錨索破斷或錨固端失效問題，嚴(yán)重影響了其在沖擊地壓巷道中的安全使用。潘一山[1，5]教授采用實(shí)驗(yàn)手段，研究了沖擊載荷下支護(hù)體與圍巖之間的相互作用關(guān)系，提出了采用高支護(hù)剛度和快速吸能讓壓來控制沖擊地壓巷道。鞠文君[6]針對沖擊地壓巷道支護(hù)技術(shù)，提出了巷道能量校核設(shè)計(jì)法。上述研究成果為進(jìn)一步解決沖擊地壓巷道圍巖控制提供了基礎(chǔ)。

目前，現(xiàn)場為解決沖擊地壓巷道支護(hù)問題，通常采用復(fù)合支護(hù)方式，第一級支護(hù)采用錨桿、錨索對巷道圍巖進(jìn)行初次支護(hù)，然后再架設(shè)U型棚進(jìn)行二次支護(hù)，U型棚與錨桿支護(hù)間充填木板、矸石或混凝土等進(jìn)行填充，從而實(shí)現(xiàn)二級支護(hù)的協(xié)同控制沖擊地壓。然而錨桿支護(hù)和U型棚間充填的材料難以實(shí)現(xiàn)二級支護(hù)的協(xié)同作用，主要是由于填充材料力學(xué)特性不能滿足2種支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。充填木材或混凝土?xí)r，充填材料脆性強(qiáng)，延性差，容易破壞。所以探索一種即能在靜載作用下提供高的強(qiáng)度，又能在沖擊載荷下進(jìn)行延性吸能是解決該問題的關(guān)鍵。

在混凝土動態(tài)力學(xué)性能研究方面，是由國外學(xué)者等[7-9]最先提出的，至今已有很多研究成果。胡時勝等[10-11]利用自行研發(fā)的變截面SHPB裝置進(jìn)行了混凝土動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，得出了其高應(yīng)變率的敏感性遠(yuǎn)大于低應(yīng)變率（準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)）的敏感性；劉海峰等[12]采用數(shù)值模擬的方法對混凝土動態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出混凝土峰值應(yīng)力隨著沖擊速度增大而增大，是一種率敏感材料，骨料粒徑對混凝土動態(tài)力學(xué)特性有較大影響。聶良學(xué)[13]利用φ100 mmSHPB分離式霍普金森壓桿裝置研究了不同溫度及加載速率下混凝土沖擊變形韌性。趙慶新[14]對纖維增韌混凝土的沖擊性能進(jìn)行了研究，纖維的加入有效提高了混凝土對沖擊能量的吸收。雖已有諸多對混凝土力學(xué)性能研究成果，但大多集中于對單一混凝土動態(tài)力學(xué)性能的研究，而對復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土受沖擊荷載作用的動力學(xué)特征及變形破壞機(jī)制研究相對較少。針對上述問題，利用SHPB桿技術(shù)對復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土在沖擊荷載作用下動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，通過研究復(fù)合混凝土的動態(tài)力學(xué)特性，力求為深部沖擊地壓巷道圍巖控制提供一定的參考。

1 SHPB試驗(yàn)簡介

1.1 試樣制作

復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土由2種材料組合而成，試樣1由C30混凝土制成，試樣2由泡沫混凝土制成。2種試樣長度均為25 mm，直徑均為75 mm。實(shí)測的試件C30和450型泡沫混凝土的性能參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

1.2 SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

霍普金森裝置（簡稱SHPB裝置）主要包括撞擊桿、子彈、輸入桿和輸出桿，具體系統(tǒng)圖及原理圖如圖1和圖2，圖2中εi為入射波應(yīng)變；εr為反射波應(yīng)變；εt為透射波應(yīng)變；L為試件長度。子彈、輸入桿和輸出桿直徑均為75 mm，而子彈長度400 mm，輸入桿和輸出桿長度均為2 000 mm，其鋼材彈性模量均為200 GPa，其中測試沖擊應(yīng)變的應(yīng)變片分別放置在輸入桿和輸出桿的中間位置。

霍普金森試驗(yàn)裝置的測試原理基于應(yīng)力波理論，該理論假定在桿體傳播的應(yīng)力波保持平面狀態(tài)，且試件中的應(yīng)力都是相同的。基于上述假定，得出應(yīng)力-應(yīng)變的簡化公式：

圖1 SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 SHPB實(shí)驗(yàn)原理

式中：C0為應(yīng)力波在桿體中傳播的波速，5 060 m/s；E0為鋼質(zhì)桿體彈性模量，200 GPa；A0為試件橫截面積，m2；L 為試件的長度，m；ε（t˙）為試樣應(yīng)變率；ε（t）為試樣應(yīng)變；σ（t）為試樣應(yīng)力，MPa；εr（t）為反射波應(yīng)變；εt（t）為透射波應(yīng)變。

由于實(shí)驗(yàn)子彈的沖擊控制速度是由高壓氣體提供，子彈的沖擊速率很難控制在某一指定數(shù)值，本文選擇的沖擊速率范圍為1.500~5.000 m/s之間。

2 復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土動力學(xué)性能研究

2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土變形破壞形態(tài)

子彈的速度是通過調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的氣體壓力來實(shí)現(xiàn)的，通過改變不同氣壓，達(dá)到控制子彈速度，從而控制復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土的破壞程度。試樣破壞情況見表2。

復(fù)合混凝土部分試件破壞形態(tài)如圖3。從試樣的破壞形態(tài)來看，當(dāng)沖擊速度位于1.593～2.585 m/s之間時，C30普通混凝土保持完整，而泡沫混凝土破壞形態(tài)逐步從開裂直至完全破碎。當(dāng)沖擊速度超過3.102 m/s時，C30混凝土也逐漸由破碎變成粉碎，同時泡沫混凝土破壞更加嚴(yán)重，呈現(xiàn)粉碎性破壞。

表2 不同子彈速度下試件破壞情況

圖3 復(fù)合混凝土部分試件破壞形態(tài)

2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力衰減規(guī)律研究

基于復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣沖擊動力學(xué)理論，可以計(jì)算出泡沫混凝土左端面應(yīng)力峰值、右端面應(yīng)力峰值、左、右端面應(yīng)力峰值比等參數(shù)，雖然子彈的沖擊速度不同，但沖擊波經(jīng)過復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土后應(yīng)力都得到了大幅度衰減，不同沖擊速度下試樣左側(cè)和右側(cè)的應(yīng)力峰值見表3。

從表3可以看出，試樣2左側(cè)的應(yīng)力峰值與入射應(yīng)力波的應(yīng)力峰值基本相同，也就是說，應(yīng)力波穿透試樣1后衰減很小，僅衰減了5%～10%。

泡沫混凝土左右端面應(yīng)力峰值與速度的關(guān)系如圖4。從圖4可以看出，沖擊速度增大時，試樣2左側(cè)應(yīng)力峰值增加速度比較快，基本達(dá)到其右側(cè)應(yīng)力峰值的5倍。也就是說，當(dāng)沖擊速度增加時，試樣2右側(cè)的應(yīng)力峰值沒有等比例增加，應(yīng)力增長幅度比較小。泡沫混凝土左右端面應(yīng)力峰值比與速度的關(guān)系如圖5。從圖5可以看出，泡沫混凝土右側(cè)應(yīng)力峰值基本都在左側(cè)應(yīng)力峰值的1/5，這說明試樣2對應(yīng)力波有很好的衰減作用。

表3 泡沫混凝土應(yīng)力峰值統(tǒng)計(jì)表

圖4 泡沫混凝土左右端面應(yīng)力峰值與速度的關(guān)系

圖5 泡沫混凝土左右端面應(yīng)力峰值比與速度的關(guān)系

試件應(yīng)力達(dá)到峰值時間與速度的關(guān)系如圖6。從圖6可以看出，隨著沖擊速度的增大，試樣達(dá)到應(yīng)力峰值的時間變短，時間基本與沖擊速度呈線性關(guān)系，這也進(jìn)一步表明，沖擊速度越快，泡沫混凝土破壞越快。

2.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土整體動量變化分析

圖6 試件應(yīng)力達(dá)到峰值時間與速度的關(guān)系

假設(shè)將輸入桿和復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土作為1個整體進(jìn)行動量分析。將輸出桿的動量Iout和時間的變形關(guān)系作為反映復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土的力學(xué)行為，比值表示復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土和單一介質(zhì)在試驗(yàn)過程中對動量的衰減的不同。

輸出桿的動量Iout根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果得到。子彈初始沖量Iin由子彈的初速度得到。單層介質(zhì)和復(fù)合結(jié)構(gòu)的動量試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由相同實(shí)驗(yàn)裝置得到，二者的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同，試件來源相同，并且組合介質(zhì)和單層介質(zhì)的長度相同，都為0.025 m。

復(fù)合結(jié)構(gòu)與單層介質(zhì)在相同實(shí)驗(yàn)裝置、相同沖擊速度下的動量隨時間變化的對比圖如圖7和圖8。

圖7 v=1.897 m/s時單層介質(zhì)與復(fù)合結(jié)構(gòu)輸出動量對比

圖8 v＝1.444 m/s時單層介質(zhì)與復(fù)合結(jié)構(gòu)輸出動量對比

復(fù)合結(jié)構(gòu)會極大的衰減子彈的沖擊動量，試樣2兩側(cè)的應(yīng)力幅度差別很大。從沖擊應(yīng)力波的時程曲線可以看出，強(qiáng)度較低的軟材料改變了復(fù)合結(jié)構(gòu)的動載受力情況，包括作用時間、應(yīng)力幅值、系統(tǒng)動量分配等參數(shù)。

對應(yīng)力波傳播有較大影響的是復(fù)合結(jié)構(gòu)中的軟材料。當(dāng)入射波通過軟材料時，軟材料會對入射波進(jìn)行波幅衰減、作用時間延長，同時吸收入射波能量。入射波的作用時間除了與復(fù)合結(jié)構(gòu)中材料屬性有關(guān)，還與介質(zhì)厚度、材料波阻抗、入射波波長等參數(shù)有關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，波幅和作用時間是影響復(fù)合結(jié)構(gòu)吸能減沖的主要因素。

2.4 復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土與單一混凝土動態(tài)性能比較

分別對C30混凝土或450泡沫混凝土進(jìn)行動態(tài)力學(xué)特性的測試。取試件長度50 mm，與復(fù)合混凝土試件的總長度相同。輸入桿與輸出桿采用鋼桿（對于C30混凝土）或鋁桿（對于泡沫混凝土）。實(shí)驗(yàn)中，子彈速度為v＝2.8 m/s。取子彈速度為2.968 m/s時的復(fù)合混凝土的等效本構(gòu)曲線與單一介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行對比（圖9）。

圖9 單一試件與分層試件本構(gòu)曲線

從圖9可知，在沖擊速度為2.9 m/s時，復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土的動態(tài)等效彈性模量為12.9 GPa，C30混凝土為21.32 GPa，450泡沫混凝土為3.1 GPa。可以看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)彈性模量基本是2種單一介質(zhì)動態(tài)彈性模量的平均值。

泡沫混凝土的破壞應(yīng)力值較小，但其破壞時的應(yīng)變很大，達(dá)到4 000×10-6。這主要是由于泡沫混凝土內(nèi)部有很多氣孔，材料孔隙率大，氣孔直徑大于孔壁厚度，在受到?jīng)_擊波作用時，大量的氣孔在坍塌破壞過程中吸收大量的能量，沖擊波的能量主要耗散在氣孔坍塌的塑性變形上，在外在表現(xiàn)為強(qiáng)度較低，而變形較大，尤其具有很大的極限變形能力。這說明了微觀結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致宏觀力學(xué)特性不同的根本原因。所以，當(dāng)泡沫結(jié)構(gòu)用于復(fù)合結(jié)構(gòu)中時，可以很好的吸收應(yīng)力波的能量，大大降低應(yīng)力波的峰值強(qiáng)度。復(fù)合結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系中，軟材料的試件2的吸能作用，很好的保護(hù)了硬材料的試件1。

從復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看，復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出大的塑性變形能力，隨著應(yīng)力和應(yīng)變的增大，動態(tài)彈性模量降低，而單一介質(zhì)則表現(xiàn)為很大的脆性性質(zhì)。

3 結(jié)論

1）從試樣的破壞形態(tài)來看，當(dāng)沖擊速度較低時，C30普通混凝土保持完整，而泡沫混凝土破壞形態(tài)逐步從開裂直至完全破碎。當(dāng)沖擊速度超過3.102 m/s時，C30混凝土也逐漸由破碎變成粉碎，同時泡沫混凝土破壞更加嚴(yán)重，呈現(xiàn)粉碎性破壞。

2）由泡沫混凝土左、右兩側(cè)應(yīng)力－時間變化，得出泡沫混凝土的厚度為0.025 m時，應(yīng)力衰減為原來的1/5。并且左端面應(yīng)力隨速度增加的程度為右端面的5倍，說明復(fù)合結(jié)構(gòu)具有很好的抗高速沖擊和削波作用。

3）將帶過渡段的入射桿與復(fù)合結(jié)構(gòu)作為1個整體，通過分析動量變化關(guān)系，得出復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力衰減主要取決于軟材料試件2的性質(zhì)。通過計(jì)算復(fù)合結(jié)構(gòu)近似等效本構(gòu)關(guān)系，得出復(fù)合結(jié)構(gòu)試件整體上表現(xiàn)為較大的塑性性質(zhì)和應(yīng)變率相關(guān)性。