蔚立元，朱子涵，孟慶彬，靖洪文，蘇海健，何 明

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2. 陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007）

地下工程施工過(guò)程中圍巖體不可避免地會(huì)受到循環(huán)載荷擾動(dòng)，經(jīng)循環(huán)荷載擾動(dòng)圍巖體的力學(xué)性能是決定圍巖承載能力的重要因素。大量巖土工程實(shí)踐表明，巖體(如地下洞室群[1])會(huì)受到多次開(kāi)挖擾動(dòng)等循環(huán)荷載作用，導(dǎo)致巖體承受的荷載作用形式是多次的、循環(huán)的。在循環(huán)荷載作用下，巖石的力學(xué)特性與靜態(tài)荷載作用下有顯著不同[2]。經(jīng)循環(huán)荷載擾動(dòng)的圍巖體仍將面臨沖擊地壓[3]、毗鄰洞室爆破開(kāi)挖[4]等動(dòng)荷載威脅，因此研究經(jīng)循環(huán)荷載損傷的巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性十分有意義。

以往的研究表明，影響巖石疲勞壽命的主要因素是周期荷載的上限應(yīng)力和幅值[5]。謝和平等[6]從能量的角度出發(fā)，認(rèn)為巖石的變形破壞過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)從局部損耗到局部破壞最終到整體災(zāi)變過(guò)程。張志鎮(zhèn)等[7]通過(guò)4 種加載速率對(duì)紅砂巖試件進(jìn)行單軸不斷增加荷載循環(huán)加、卸載實(shí)驗(yàn)，得到能量的演化及轉(zhuǎn)化規(guī)律。鄧華鋒等[8]探討頻率和幅值變化對(duì)加卸載過(guò)程中動(dòng)彈性模量、阻尼比和阻尼系數(shù)等動(dòng)力參數(shù)的影響。郭印同等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出提高上限應(yīng)力值和平均應(yīng)力值，鹽巖初始軸向變形和循環(huán)軸向變形的比率都會(huì)提高，疲勞破壞時(shí)的總循環(huán)次數(shù)顯著減小。Shalev 等[10]分析了體積應(yīng)變、體積模量和加、卸載過(guò)程中的滯回效應(yīng)及幅值的關(guān)系。周家文等[11]利用砂巖的循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)得到了利用應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算損傷變量的方法。張媛等[12]對(duì)砂巖進(jìn)行循環(huán)荷載作用下不同圍壓時(shí)的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到循環(huán)荷載作用下圍壓對(duì)砂巖滯回環(huán)演化規(guī)律。黎立云等[13]通過(guò)對(duì)巖石試件進(jìn)行了豎向循環(huán)加卸載直至破壞的雙向壓縮實(shí)驗(yàn)，得出破壞時(shí)的總吸收能、總耗散能和總彈性應(yīng)變能；朱珍德等[14]利用細(xì)觀圖像實(shí)驗(yàn)得到頻率與巖石斷口細(xì)觀裂紋總數(shù)目、面積及分形維數(shù)關(guān)系。以上研究可以分為兩大類，一類是研究不同加載速率、不同偏應(yīng)力、不同圍壓等因素對(duì)滯回曲線、能量、損傷等參數(shù)的影響，一類是研究疲勞壽命與上限應(yīng)力等因素的關(guān)系，得到了一些有益的結(jié)論。

爆破等沖擊荷載直接威脅地下工程的安全[4]，章根德[15]通過(guò)霍普金森壓桿研究巖石的動(dòng)態(tài)響應(yīng),還分析討論了影響動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的一些因素。黎立云等[16]對(duì)砂巖試件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)霍普金森桿沖擊破壞實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)加壓破壞實(shí)驗(yàn)，對(duì)于動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，得到了不同沖擊速度下巖石試件破壞時(shí)的總吸收能、總耗散能。劉紅巖等[17]討論了節(jié)理參數(shù)及載荷應(yīng)變率等對(duì)巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響，得到了巖體動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度及彈性模量則隨著節(jié)理法向及切向剛度的增大分別減小或增大。宮鳳強(qiáng)等[18]分別利用RMT-150C 和分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)砂巖進(jìn)行了不同應(yīng)變率下的單軸壓縮、三軸壓縮和拉伸實(shí)驗(yàn)，給出了不同應(yīng)變率范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則和動(dòng)態(tài)Hoek-Brown 準(zhǔn)則的具體表達(dá)形式。胡柳青等[19]研究了沖擊荷載作用下巖石破裂損傷的耗能規(guī)律。劉軍忠等[20]得到了動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度增強(qiáng)因子、比能量吸收與平均應(yīng)變率之間的關(guān)系。李夕兵等[21]研究了動(dòng)靜組合加載條件下巖石的力學(xué)特性與破壞模式。這些研究主要集中于率效應(yīng)、節(jié)理對(duì)巖石力學(xué)行為的影響及率效應(yīng)對(duì)沖擊過(guò)程中能量分配的影響。

實(shí)際上地下工程的開(kāi)挖，受循環(huán)荷載擾動(dòng)后的損傷巖體力學(xué)性能是決定工程安全的重要因素,但對(duì)循環(huán)荷載損傷大理巖的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究鮮有報(bào)道。本文中在上述研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置循環(huán)荷載上限應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)，得到不同損傷變量的大理巖巖樣。通過(guò)損傷巖樣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，揭示損傷變量對(duì)大理巖動(dòng)力學(xué)參數(shù)及能量分配的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用白色大理巖取自中國(guó)云南，所含礦物成分及其含量通過(guò)X 射線衍射獲得：主要由CaO(33.4%)、MgO(19.1%)和SiO2(11.5%)組成。此外，還檢測(cè)到其他礦物雜質(zhì)，例如Fe2O3(0.16%)和Al2O3(0.16%)。試樣密度和孔隙率分別為2.810 g/cm3和0.596%。

所取大理巖的CT 掃描如圖1 所示，從圖中可以看出每個(gè)CT 圖像中所有像素的平均CT 數(shù)（CTa）沒(méi)有顯著差異，并且標(biāo)準(zhǔn)差（CTsd）非常?。ㄔ?00 Hu 內(nèi)）。因此，所選大理石的均質(zhì)性和完整性較好?？紤]到巖樣損傷后要采用分離式Hopkinson 壓桿（SHPB）裝置進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，圓柱形試樣的高徑比定為1∶1，均為50 mm。加工精度符合相關(guān)規(guī)定，并保持自然風(fēng)干狀態(tài)。巖樣共計(jì)51 塊，包括測(cè)定靜單軸抗壓強(qiáng)度試樣U01～U03，以及等荷載循環(huán)加卸載試樣T01～T48（見(jiàn)表1）。

圖 1 大理巖8 個(gè)等距橫截面的CT 圖像Fig. 1 CT images of eight equidistant cross-sections

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

實(shí)驗(yàn)分為兩部分，單軸等荷載循環(huán)加卸載損傷實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)。

循環(huán)損傷實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用MTS 815，試樣兩端涂抹凡士林以減小端部效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。本次實(shí)驗(yàn)第一次循環(huán)加載段采用加載速率為1 kN/s 的線性加載，加載到上限應(yīng)力處采用頻率為0.2 Hz 的正弦波進(jìn)行加載，直到達(dá)到設(shè)計(jì)的循環(huán)次數(shù)。上限應(yīng)力（σuls）分別設(shè)置為單軸抗壓強(qiáng)度（σucs）的80%、85%、90%及95%。

沖擊實(shí)驗(yàn)：采用分離式Hopkinson 壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸沖擊實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)子彈、入射桿、透射桿的直徑均為75 mm，長(zhǎng)度依次為0.6、5 和3 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，沖擊氣壓設(shè)定為0.14 MPa，子彈速度4 m/s 左右，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2 所示。

表 1 等荷載循環(huán)加卸載試樣Table 1 Cyclic loading and unloading specimens under equal load

圖 2 MTS 815、SHPB 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 2 MTS 815 and SHPB testing systems

2 單軸等荷載循環(huán)損傷實(shí)驗(yàn)

2.1 上限應(yīng)力確定

圖 3 單軸抗壓強(qiáng)度曲線Fig. 3 Axial stress-axial strain curves

圖 4 大理巖損傷強(qiáng)度Fig. 4 Determination of the damage strength

單軸抗壓強(qiáng)度曲線如圖3 所示，U01～U03 單軸抗壓強(qiáng)度分別為76、80、67 MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度取74 MPa。本文中損傷強(qiáng)度（σcd）采用體積應(yīng)變曲線的體積應(yīng)變（εv）最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值[22]，如圖4 所示。為了防止巖樣循環(huán)過(guò)程中發(fā)生破壞，最大上限應(yīng)力設(shè)置為單軸抗壓強(qiáng)度的95%（70 MPa），為了獲取損傷效果較好的巖樣，最小上限應(yīng)力取單軸抗壓強(qiáng)度的80%（59 MPa，高于圖4 所得的損傷強(qiáng)度）。

典型單軸循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示。由圖5 可知，加載曲線與卸載曲線不重合，形成滯回環(huán)并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力應(yīng)變滯回環(huán)向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较虬l(fā)展。發(fā)展趨勢(shì)由疏到密，最終趨于重合，與文獻(xiàn)[12]的結(jié)論一致。

2.2 耗散能分析

圖 5 等荷載循環(huán)實(shí)驗(yàn)典型應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curves for cyclic loading with constant amplitude

巖石在變形直至破壞過(guò)程中，會(huì)伴隨能量的耗散和釋放。由能量守恒定律可知，假設(shè)此物理過(guò)程中與外界沒(méi)有熱交換，計(jì)算公式如下[6]：

式中：U 為輸入能，即外界對(duì)試樣所做的功；Ud為耗散能，即加載過(guò)程中耗散的能量，主要用于巖石的內(nèi)部損傷和塑性變形；Ue為彈性應(yīng)變能，即加載過(guò)程中儲(chǔ)存在巖石試樣內(nèi)部的能量，卸載階段會(huì)釋放出去。其中能量密度計(jì)算公式如下：

式中：ε′為卸載應(yīng)力σ′處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；ε″為應(yīng)力卸載到0 處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，即塑性應(yīng)變。

圖6 所示為巖石在應(yīng)力水平σ′處的加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線。循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中（以60 次循環(huán)為例）耗散能密度如圖7 所示。

圖 6 巖石在應(yīng)力水平σ′處能量計(jì)算示意圖Fig. 6 Schematic diagram of energy calculation at σ′

圖 7 不同上限應(yīng)力累積耗散能密度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 7 Relation between cumulative dissipation energy density and number of cycles under different upper limit stress levels

當(dāng)加載到應(yīng)力水平σ′時(shí)，輸入能密度為ui，可由該應(yīng)力點(diǎn)處加載曲線與橫坐標(biāo)的面積確定；耗散能密度為ui,d，可由該應(yīng)力點(diǎn)處加載曲線與卸載曲線之間的面積確定；彈性應(yīng)變能密度為ui,e，可由卸載曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積確定[7]。

由圖7 可知，累積耗散能密度隨循環(huán)次數(shù)的增加呈線性增加，上限應(yīng)力越大累積耗散能密度增長(zhǎng)速率越大。

2.3 塑性應(yīng)變

塑性應(yīng)變?yōu)椴豢赡鎽?yīng)變，即總應(yīng)變與彈性應(yīng)變的差值，如下式所示[11]：

式中：ε″為塑性應(yīng)變，ε′為卸載應(yīng)力σ′處應(yīng)變即總應(yīng)變，εe(i)為彈性應(yīng)變。

根據(jù)公式（3）得到塑性應(yīng)變均值隨上限應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，同等上限應(yīng)力水平下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性應(yīng)變先快速增大，后緩慢增加，最后趨于穩(wěn)定，且趨于穩(wěn)定所需的循環(huán)次數(shù)與上限應(yīng)力呈正相關(guān)。原因是隨循環(huán)次數(shù)增加，滯回環(huán)最終趨于重合，即耗散能趨近于0，此時(shí)繼續(xù)加卸載，試樣不會(huì)產(chǎn)生新的塑性變形，即塑性應(yīng)變最終會(huì)穩(wěn)定在一定數(shù)值，而上限應(yīng)力越大，累積耗散能密度越大，巖樣內(nèi)部損傷和塑性變形也會(huì)增大，如圖5、7 所示。

3 損傷大理巖動(dòng)力學(xué)特性

為消除矩形波加載帶來(lái)的彌散效應(yīng)，需進(jìn)行入射波整形[23-24]，本次實(shí)驗(yàn)入射波波形整形器選用直徑10 mm、厚2 mm 的橡膠片[25]。經(jīng)整形器整形后應(yīng)變波如圖9 所示，由圖9 可知波形整形效果較好。損傷試樣動(dòng)彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于桿件的彈性模量，因此忽略了試件橫截面積的不匹配引起的二維效應(yīng)[26]。利用三波法計(jì)算出應(yīng)變率均值為48.69 s?1，標(biāo)準(zhǔn)差為8.43 s?1，可以認(rèn)為恒應(yīng)變率加載，忽略應(yīng)變率對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的影響。

本文中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用三波法[27]計(jì)算，動(dòng)態(tài)彈性模量采用ISRM 推薦的計(jì)算方法[28]。

3.1 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所得動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖10 所示。由圖10 可知，試樣承受循環(huán)加卸載的上限應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)不同，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的差異性更為顯著。試樣所受循環(huán)次數(shù)越多、上限應(yīng)力越大，其強(qiáng)度越低，破壞應(yīng)變明顯偏大。這是由于循環(huán)次數(shù)和上限應(yīng)力的差異造成巖樣內(nèi)部微裂隙發(fā)育情況不盡相同，循環(huán)次數(shù)越多、上限應(yīng)力越大，巖樣內(nèi)部微裂隙越多造成的。

圖 8 塑性應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 8 Relationship between plastic strain and number of cycles

圖 9 整形后的應(yīng)變波Fig. 9 Strain waves after shaping

圖 10 動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 10 Dynamic stress-strain curves

動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與上限應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系分別如圖11～12 所示。由圖11 可以看出，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨循環(huán)加卸載上限應(yīng)力的增加呈負(fù)相關(guān)，可以劃分為兩個(gè)階段：σuls/σucs=0.80～0.85 的快速下降階段及σuls/σucs=0.85～0.95 的緩慢下降階段。從圖12 可知，動(dòng)彈性模量隨上限應(yīng)力變化規(guī)律與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨上限應(yīng)力變化規(guī)律類似，動(dòng)彈性模量隨上限應(yīng)力的變化也呈現(xiàn)出2 個(gè)階段：σuls/σucs=0.80～0.85 的快速下降段和σuls/σucs=0.85～0.95 的緩慢下降段。

圖 11 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨上限應(yīng)力變化規(guī)律Fig. 11 Relationship between dynamic compressive strength and upper limit stress

3.2 損傷變量對(duì)大理巖動(dòng)力學(xué)特性影響

上文分析了循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)上限應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)對(duì)大理巖動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量隨循環(huán)加卸載上限應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)中上限應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)對(duì)大理巖的影響，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是對(duì)大理巖造成了不同程度損傷。損傷變量定義如下[29]：

式中：D 為損傷變量，vr為受損巖石中的波速，v0為原始巖石中的波速。本文中通過(guò)康科瑞NM–4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀測(cè)得各個(gè)巖樣的波速，如表2 所示。

分析表2 可知，上限應(yīng)力越大（或循環(huán)次數(shù)越多），損傷巖樣的波速越小，表明巖樣的損傷越大，內(nèi)部微裂隙越多。損傷變量隨上限應(yīng)力演化情況如圖13 所示。

由圖13 可知，同等循環(huán)次數(shù)下，上限應(yīng)力越大，損傷變量隨著上限應(yīng)力的增加而增大。由上文可知累積耗散能密度與上限應(yīng)力（循環(huán)次數(shù)）呈正相關(guān)，因此損傷變量也隨著上限應(yīng)力（循環(huán)次數(shù)）的增大而增大。

損傷變量增量隨上限應(yīng)力的增大而減小，這可能是由于巖石材料承受的上限應(yīng)力達(dá)到損傷強(qiáng)度時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂隙，當(dāng)微裂隙達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，上限應(yīng)力的增大并不能使巖樣內(nèi)部裂隙數(shù)量持續(xù)快速增加。

圖 12 動(dòng)態(tài)彈性模量隨上限應(yīng)力變化規(guī)律Fig. 12 Relationship between dynamic elastic modulus and upper limit stress

表 2 不同上限應(yīng)力及循環(huán)次數(shù)下波速Table 2 Wave speed for different upper limit stress and number of cycles

圖 13 損傷變量與上限應(yīng)力關(guān)系曲線Fig. 13 Relationship between damage variable and upper limit stress

動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量隨損傷變量的演化過(guò)程如圖14～15 所示。

本文中采用指數(shù)函數(shù)擬合，可以更好地?cái)M合損傷變量為1 時(shí)試樣失去承載能力、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量趨近于0 的情況。由圖14～15 可知，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)彈性模量均隨損傷變量的增加呈指數(shù)衰減。這主要是由于隨著損傷變量的增加，內(nèi)部微裂隙數(shù)目越多，巖樣劣化越嚴(yán)重，在同一沖擊氣壓下必然導(dǎo)致動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的衰減。動(dòng)彈性模量主要表征了巖樣的軸向抗變形能力，破壞應(yīng)變是其主導(dǎo)因素之一，從圖10 可以看出，損傷變量越大破壞應(yīng)變?cè)酱?，這也從另一方面驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)彈性模量隨損傷變量增加而降低。

圖 14 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨損傷變量演化過(guò)程Fig. 14 Relationship between dynamic compressive strength and damage variable

圖 15 動(dòng)態(tài)彈性模量隨損傷變量演化過(guò)程Fig. 15 Relationship between dynamic elastic modulus and damage variable

3.3 能量分析

沖擊實(shí)驗(yàn)中，入射波、反射波和透射波包含的能量依次為WI、WR、WT，試樣吸收能量為WL，WL主要為由三部分構(gòu)成：（1）破碎耗能WFD，主要用于產(chǎn)生新的斷裂表面和裂紋擴(kuò)展等；（2）碎塊彈射的動(dòng)能WK；（3）其他能量WO，主要指以其他如熱能等各種形式耗散的能量。其中被耗散的能量很小可以忽略，且碎塊彈射速度的測(cè)定非常困難，因此WK的確定也存在一定難度。Zhang 等[30]利用高速相機(jī)對(duì)SHPB 實(shí)驗(yàn)中巖石碎塊的速度進(jìn)行測(cè)定，WK約占WL的5.05%，因此本文的研究中，巖石的破碎吸能WFD的計(jì)算直接以巖石總吸收能來(lái)近似替代[31]。計(jì)算公式如下：

式中：σI、σR和σT分別對(duì)應(yīng)于壓桿上的入射波、反射波和透射波的應(yīng)力；c0和E 為壓桿中聲波傳播速度和彈性模量；A0為壓桿橫截面積。計(jì)算結(jié)果如圖16～17 所示。

由圖16 可知，當(dāng)D＜0.343 時(shí)，透射能占比大于反射能占比，且隨著損傷增加，透射能占比呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)而反射能占比則不斷增加，破碎耗能占比穩(wěn)定在10%左右；而D＞0.343 時(shí)，透射能占比小于反射能，透射能占比持續(xù)降低反射能占比不斷增加，而破碎耗能占比情況與D＜0.343 時(shí)完全不同，出現(xiàn)占比增大的趨勢(shì)。這可以通過(guò)一維應(yīng)力波理論進(jìn)行解釋，根據(jù)一維應(yīng)力波理論得到的試樣應(yīng)變和應(yīng)力如式（6）所示：

圖 16 能量分配隨損傷變量演化規(guī)律Fig. 16 Evolution curves of energy under different damage variables

圖 17 破碎吸能隨損傷變量演化規(guī)律Fig. 17 Relationship between WFD and damage variable

式中：AS和A0為試件和壓桿橫截面積，L 為試件長(zhǎng)度。

由式（6）可知，反射波決定了試件的應(yīng)變變化，透射波能夠反映巖石試件中的平均應(yīng)力變化情況。結(jié)合圖10 可得隨損傷變量的增加，損傷大理巖破壞應(yīng)變顯著增大，而動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有所降低，因此反射波與損傷變量呈正相關(guān)而透射波隨損傷變量增加不斷減小。

由圖17 可知，在沖擊載荷下，隨著巖石損傷變量的增加，破碎吸能分為兩個(gè)階段，穩(wěn)定階段和增長(zhǎng)階段，臨界損傷變量D=0.343；當(dāng)D＜0.343 時(shí)，破碎吸能穩(wěn)定在13 J 左右，而D＞0.343 時(shí)，破碎吸能隨著損傷變量增加持續(xù)增加。這是因?yàn)閹r石破壞過(guò)程中的能量耗散特性與其內(nèi)部損傷特征有十分密切的聯(lián)系，裂紋的繁衍、擴(kuò)展和貫通每一階段都要從外部吸收能量，而且是不可逆的能量耗散過(guò)程。當(dāng)D＜0.343 時(shí)，巖樣內(nèi)部的微裂隙較少導(dǎo)致巖樣能量吸收較少；當(dāng)D＞0.343 時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂隙較多，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易吸收更多的能量用于內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展和貫通。

由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，本次實(shí)驗(yàn)忽略了碎塊彈射動(dòng)能，因此當(dāng)D＞0.343 時(shí)，碎塊彈射動(dòng)能是否是引起試樣總吸收能增加的因素以及隨損傷變量增加碎塊彈射動(dòng)能的演化規(guī)律仍然需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

對(duì)大理巖進(jìn)行了4 級(jí)上限應(yīng)力、4 種循環(huán)次數(shù)的等荷載循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，得到了48 塊不同損傷程度的大理巖試樣，并對(duì)循環(huán)加卸載損傷巖樣開(kāi)展了SHPB 沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了如下主要結(jié)論：

（1）相同上限應(yīng)力下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性應(yīng)變逐漸增大。上限應(yīng)力越大，塑性應(yīng)變趨于穩(wěn)定所需的循環(huán)次數(shù)也會(huì)增大。

（2）動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量隨上限應(yīng)力σuls的變化呈現(xiàn)出兩個(gè)變化階段：(80%～85% )σucs的快速下降段和(85%～95% )σucs的緩慢下降段。

（3）損傷變量隨上限應(yīng)力、塑性應(yīng)變?cè)黾映史蔷€性增加，損傷變量增量隨著上限應(yīng)力、塑性應(yīng)變的增大而減小。動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量隨損傷變量增大呈指數(shù)衰減。

（4）當(dāng)D＜0.343 時(shí)，反射能占比隨損傷變量增加逐漸增大，透射能不斷衰減，但透射能占比大于反射能占比，破碎吸能占比在10%上下浮動(dòng)，其數(shù)值約為13 J；當(dāng)D＞0.343 時(shí)，反射能和破碎吸能占比逐漸增加，透射能不斷衰減，此時(shí)透射能占比小于反射能。碎塊彈射動(dòng)能隨損傷變量的演化規(guī)律仍然需要進(jìn)一步的研究。

感謝陸軍軍官學(xué)院姜錫權(quán)教授對(duì)SHPB 實(shí)驗(yàn)給予的悉心指導(dǎo)與熱情幫助。