(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

礦產(chǎn)開(kāi)采、隧道交通、水利土木、能源存儲(chǔ)、核廢料處理以及軍事國(guó)防等重大工程領(lǐng)域都會(huì)在地下形成大量硐室結(jié)構(gòu)[1-5]，這些結(jié)構(gòu)在建設(shè)施工和使用過(guò)程中往往會(huì)受到爆破、鉆孔、機(jī)械振動(dòng)、外部襲擊、地震等外部動(dòng)載荷的作用，產(chǎn)生難以預(yù)料的破壞和損失[6-8]。然而，直接開(kāi)展工程尺度的地下硐室研究十分困難。在實(shí)驗(yàn)室條件下利用孔洞巖石開(kāi)展相關(guān)研究并揭示其響應(yīng)特性和破壞特征是一種可行的途徑，對(duì)指導(dǎo)各類(lèi)地下硐室工程具有十分重要的意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下孔洞巖石試樣進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，如：ZENG 等[9]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了單軸壓縮下不同形狀單孔試樣的力學(xué)性能及裂紋形成前后的應(yīng)力場(chǎng)分布，結(jié)果表明孔的形狀對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度和破壞模式有較大影響；LI等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了孔的形狀對(duì)大理巖強(qiáng)度和邊界切向應(yīng)力分布的影響；HUANG等[11]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了孔洞形狀對(duì)試樣強(qiáng)度、裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力分布和破壞模式的影響規(guī)律；LIN等[12]通過(guò)研究單軸壓縮下不同孔分布花崗巖的裂紋萌生、聚結(jié)機(jī)制和破壞行為，發(fā)現(xiàn)孔洞分布對(duì)裂紋萌生、聚結(jié)和峰值應(yīng)力以及裂紋擴(kuò)展的形態(tài)有很大的影響；ZHOU等[13]通過(guò)研究單軸壓縮下含孔洞大理巖中孔洞周?chē)臄嗔丫劢Y(jié)和其對(duì)試樣破壞模式和力學(xué)性能的影響，得出孔洞數(shù)量和孔洞布置對(duì)試件的力學(xué)性能有顯著影響；HAERI等[14]分析了孔洞布置方式對(duì)含孔洞巖石破裂演化過(guò)程的影響，討論了孔洞分布對(duì)裂紋聚結(jié)的影響；張闖等[15]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)孔洞數(shù)量對(duì)孔洞巖石的彈性模量和峰值強(qiáng)度有重要影響；LIU等[16]采用聲發(fā)射和矩張量分析法研究了含孔洞花崗巖在單軸壓縮下微裂紋的時(shí)空演化，發(fā)現(xiàn)剪切裂紋占裂紋數(shù)的40%以上，張拉裂紋占裂紋數(shù)的30%以上，混合裂紋占比最小；WONG 等[17]對(duì)含不同直徑和寬度的單孔試樣進(jìn)行了一系列單軸壓縮和數(shù)值模擬，研究了裂紋擴(kuò)展引起的試樣的劈裂破壞、破壞模式和強(qiáng)度表征；TANG等[18]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)含單孔、3孔和多孔缺陷的非均質(zhì)固體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)角排列孔的試樣比垂直或水平排列孔的試樣更有利于相互作用；ZHAO 等[19-20]通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)拉伸應(yīng)力和壓應(yīng)力及巖石的非均質(zhì)性對(duì)圓孔巖石的變形破壞有重要影響。事實(shí)上，動(dòng)載荷對(duì)巖石(體)的力學(xué)行為的影響十分顯著[21-22]，一些學(xué)者對(duì)動(dòng)載荷作用下孔洞巖石的相關(guān)力學(xué)特性及裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了研究，如：TAO等[23]利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了空腔花崗巖試件在動(dòng)靜耦合作用下的破壞過(guò)程及特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)會(huì)引起隧道周?chē)鷰r石的初始應(yīng)變能釋放；李夕兵等[24]研究了含孔洞巖石在動(dòng)靜耦合作用下的裂隙結(jié)構(gòu)變化和細(xì)觀損傷演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相同荷載條件下方形孔洞試樣較圓形孔洞試樣的損傷程度大；LI等[25]研究了動(dòng)靜耦合作用下含預(yù)切孔砂巖的斷裂過(guò)程，發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜耦合作用下的開(kāi)裂行為與單獨(dú)動(dòng)載荷作用下的開(kāi)裂行為有顯著差異；李地元等[26]研究了沖擊載荷作用下預(yù)制孔洞試樣的力學(xué)特征和裂紋擴(kuò)展特性，發(fā)現(xiàn)孔洞直徑、形狀和空間位置對(duì)巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度都有影響，孔洞直徑和形狀都影響動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展速度；HAN 等[27]研究了含雙橢圓巖石的缺陷傾角和韌帶角對(duì)巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、變形特性和斷裂演化的影響，發(fā)現(xiàn)缺陷傾角較韌帶角對(duì)巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和彈性模量的影響明顯；LI等[28]通過(guò)爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了雙空孔對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響，發(fā)現(xiàn)空孔對(duì)出射裂紋有止裂作用，止裂作用的效果取決于兩孔間距，兩孔間距越小，止裂作用越強(qiáng)；WANG 等[29]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了預(yù)制空孔對(duì)裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)脆性材料中的空孔缺陷對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂有重要影響；孫博[30]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了開(kāi)挖過(guò)程中深埋地下硐室的圍巖穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)深部巖體在開(kāi)挖擾動(dòng)影響下，首先在洞壁表面和開(kāi)挖面附近區(qū)域形成破壞損傷區(qū)，而后隨著開(kāi)挖面的不斷推進(jìn)，開(kāi)挖損傷區(qū)逐漸向深部發(fā)展；CUI[31]通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)值模擬研究了爆破對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)最大垂直位移發(fā)生在隧道頂部。綜觀上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于孔洞巖石的研究主要是在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下開(kāi)展的，關(guān)于動(dòng)載荷條件下孔洞巖石的研究尚處于起步階段，尤其是對(duì)動(dòng)載荷下不同孔洞數(shù)量和排列方式孔洞巖石的應(yīng)變演化及破壞特征的研究很少。為此，本文借助落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展孔洞巖樣的沖擊試驗(yàn)研究，以期了解不同孔洞數(shù)量及排列方式孔洞巖石的應(yīng)變演化規(guī)律和破壞特征，為實(shí)際工程中地下硐室的建設(shè)施工和安全防護(hù)提供理論支撐。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用的花崗巖試樣取自湖南省汨羅市某采石場(chǎng)的一整體巖塊，該巖塊具有良好的巖相一致性和幾何完整性。試樣制備時(shí)，先將試樣加工成長(zhǎng)度×寬度×高度為100 mm×100 mm×30 mm的長(zhǎng)方體，然后，在各長(zhǎng)方體上預(yù)制不同數(shù)量和不同排列形式的方形孔洞，孔洞的長(zhǎng)×寬為10 mm×10 mm，孔洞間距為10 mm。研磨試樣的加載端面，保證其不平整度和不垂直度均小于0.02 mm。本次試驗(yàn)共計(jì)制備A，B，C，D和E共5種類(lèi)型孔洞花崗巖試樣各3 個(gè)，具體幾何形狀如圖1所示。試樣加工完成后，在其表面噴涂一層均勻、厚度適中的白漆。待白漆完全風(fēng)干，在白漆表面噴涂用于數(shù)字散斑分析的黑點(diǎn)，以便獲取試驗(yàn)過(guò)程中試樣表面的變形信息。

圖1 5種類(lèi)型試樣圖Fig.1 Specimen diagrams of five types

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

圖2所示為試驗(yàn)所用的落錘試驗(yàn)系統(tǒng)，由主機(jī)、錘體組件、釬桿裝置、防二次沖擊裝置組成。主機(jī)由主機(jī)框架、提錘裝置和抓脫錘裝置組成，主機(jī)框架的總高度為5 500 mm，其中落錘機(jī)架高度為3 500 mm，釬桿機(jī)架高度為2 000 mm，釬桿的彈性模量為206 GPa。提錘裝置不僅能夠按設(shè)置高度提升錘體，而且能在斷電時(shí)，保證電機(jī)自鎖，防止錘體意外下落。抓脫錘裝置為專(zhuān)門(mén)的自鎖裝置，抓住錘后即自鎖。錘體組件由錐頭、錘體和砝碼組成，錘頭及錘體總質(zhì)量為7 kg，并配備質(zhì)量為0.5～3.0 kg的砝碼。防二次沖擊裝置通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到錘體反彈后，驅(qū)動(dòng)氣缸伸出，防止試樣受到二次沖擊。

圖2 落錘試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of drop weight test system

試驗(yàn)時(shí)，將質(zhì)量為10 kg 的落錘從600 mm 處垂直落下，確保錘頭沿試樣軸線進(jìn)行沖擊，沖擊速度約為3.43 m/s，沖擊能量均為58.8 J。在整個(gè)過(guò)程中，落錘試驗(yàn)裝置的釬桿上距試樣1 m的位置對(duì)稱(chēng)地粘貼1對(duì)應(yīng)變片，并使用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄沖擊過(guò)程中應(yīng)變片的應(yīng)變響應(yīng)。由于落錘試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程約為600 μs，所以，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的采樣頻率設(shè)置為1 MHz。同時(shí)，由高速攝像儀全程實(shí)時(shí)記錄試樣的完整破壞過(guò)程?？紤]到落錘裝置廣泛應(yīng)用于應(yīng)變率在10-1～102s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)[32]，試驗(yàn)中，高速攝像儀的圖像的采集速度為79 161 幀/s，拍攝分辨率為256像素×256像素。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 沖擊響應(yīng)力

圖3所示為試驗(yàn)中5種類(lèi)型試樣在落錘沖擊下的響應(yīng)力時(shí)程曲線。從圖3可見(jiàn)：以A型試樣為參照，垂直孔洞試樣(B 型和D 型)到達(dá)響應(yīng)力峰值的時(shí)間更早，但孔洞數(shù)量每增加1 個(gè)，峰值減少約2 MPa。水平孔洞試樣到達(dá)時(shí)間(C型和E型)較A型試樣更晚，其峰值與孔洞數(shù)量未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律特征。C 型試樣較A 型試樣響應(yīng)力峰值減少3.6 MPa，E 型試樣較C 型試樣響應(yīng)力峰值增加2.8 MPa。由于落錘的質(zhì)量和下落高度相同，各型試樣的響應(yīng)力持續(xù)時(shí)間約為530 μs。然而，水平孔洞試樣(B 和D 型)的響應(yīng)力持續(xù)時(shí)間均比A 型試樣的短，垂直孔洞試樣(C 和E 型)的響應(yīng)力持續(xù)時(shí)間均比A 型試樣的長(zhǎng)?？傮w上，試樣的響應(yīng)力受試樣中孔洞數(shù)量和排列方式的影響非常顯著。

圖3 5種類(lèi)型試樣的沖擊響應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.3 Impact response stress time-history curve of five types specimens

2.2 應(yīng)變演化

巖石的損傷通常表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變局部化，而巖石表面應(yīng)變場(chǎng)的演化能夠較好地反映出其受力后的變形和裂紋演化情況[33-36]。數(shù)字散斑技術(shù)因其能夠完整快速、低成本地得到巖樣表面的應(yīng)變場(chǎng)而被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究，其中，水平應(yīng)變圖適用于研究垂直裂紋的擴(kuò)展，垂直應(yīng)變圖適用于描述水平裂紋的擴(kuò)展[33]。本文利用數(shù)字散斑技術(shù)得到了試樣在沖擊過(guò)程中前表面(長(zhǎng)度×寬度為100 mm×100 mm)的水平應(yīng)變圖，并從中選取6 個(gè)典型時(shí)刻水平應(yīng)變以分析在沖擊過(guò)程中試樣前表面的應(yīng)變場(chǎng)演化情況。同時(shí)，為了更好地了解沖擊載荷對(duì)孔洞周?chē)冃蔚挠绊懀谇氨砻嫠綉?yīng)變圖中各個(gè)孔洞的上下左右分別布置長(zhǎng)×寬為10 mm×10 mm 的應(yīng)變監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)域的布置如圖4所示。在沖擊過(guò)程中，5 種類(lèi)型試樣的表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征如下。

圖4 5種類(lèi)型試樣的監(jiān)測(cè)區(qū)域分布Fig.4 Monitoring regions distribution of five types specimens

2.2.1 A型試樣表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征

圖5 A型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.5 Strain evolution of type A specimen and strain-time curves of each monitoring area

圖5所示為A型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線，圖中，6 個(gè)時(shí)刻的水平應(yīng)變圖與各監(jiān)測(cè)區(qū)域應(yīng)變時(shí)間曲線上的6點(diǎn)(a，b，c，d，e和f)一一對(duì)應(yīng)。從圖5可以看出：113.4 μs時(shí)，試樣表面出現(xiàn)了明顯的高應(yīng)變集中區(qū)，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變曲線開(kāi)始上升；151.2 μs時(shí)，高應(yīng)變集中區(qū)明顯減小，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變繼續(xù)上升；226.8 μs 時(shí)，試樣表面第1 次出現(xiàn)裂紋，監(jiān)測(cè)區(qū)域1，3和4的平均應(yīng)變達(dá)到最大值，這說(shuō)明裂紋的出現(xiàn)對(duì)上述3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響最大；226.8～264.6 μs時(shí)，高應(yīng)變集中區(qū)隨裂紋的擴(kuò)展向下移動(dòng)，但始終未移動(dòng)至孔洞下方；監(jiān)測(cè)區(qū)域1，3 和4 的平均應(yīng)變下降，監(jiān)測(cè)區(qū)域2的平均應(yīng)變緩慢上升并保持穩(wěn)定；264.6 μs 時(shí)，高應(yīng)變集中區(qū)第1 次移動(dòng)至孔洞下方，監(jiān)測(cè)區(qū)域1，3和4的平均應(yīng)變第1次出現(xiàn)極小值；264.6～289.8 μs 時(shí)，裂紋逐漸擴(kuò)展至孔洞邊緣，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明孔洞上方裂紋擴(kuò)展期間，高應(yīng)變集中區(qū)的移動(dòng)主導(dǎo)了孔洞周?chē)O(jiān)測(cè)區(qū)域平均應(yīng)變的變化趨勢(shì)；289.8～352.8 μs 時(shí)，裂紋逐漸貫穿孔洞，孔洞周?chē)鞅O(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變先下降后小幅度上升；352.8 μs 時(shí)，裂紋和高應(yīng)變集中區(qū)均完全穿過(guò)孔洞。

2.2.2 B型試樣表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征

圖6所示為B型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線。從圖6可以看出：在252 μs 之前，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變逐漸增加；252 μs 時(shí)，試樣表面第1次出現(xiàn)裂紋，監(jiān)測(cè)區(qū)域1的平均應(yīng)變?nèi)猿噬仙厔?shì)，其他各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均第1次到達(dá)極大值；277.2 μs時(shí)，除監(jiān)測(cè)區(qū)域2 外，孔洞Ⅰ周?chē)乃衅骄鶓?yīng)變均達(dá)到最大值；352.8 μs時(shí)，裂紋貫穿孔洞Ⅱ，孔洞Ⅱ周?chē)O(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變達(dá)到極大值；378 μs時(shí)，試樣中的裂紋已經(jīng)貫穿試樣，除孔洞下方的監(jiān)測(cè)區(qū)域3外，其他所有監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均出現(xiàn)拐點(diǎn)，這可能是沖擊響應(yīng)力反射導(dǎo)致高應(yīng)變集中區(qū)上移所致。

2.2.3 C型試樣表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征

圖6 B型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.6 Strain evolution of type B specimen and strain-time curves of each monitoring area

圖7所示為C型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線。從圖7可以看出：在163.8 μs前，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變逐漸增加；163.8 μs時(shí)，試樣表面第1 次出現(xiàn)裂紋，且監(jiān)測(cè)區(qū)域1，2，3和4的平均應(yīng)變達(dá)到第1個(gè)極大值；163.8～264.6 μs時(shí)，高應(yīng)變集中區(qū)逐漸穿過(guò)孔洞，監(jiān)測(cè)區(qū)域5，6和7的平均應(yīng)變均逐漸上升，監(jiān)測(cè)區(qū)域1，2，3和4的平均應(yīng)變出現(xiàn)2次明顯的波動(dòng)。264.6 μs時(shí)，試樣中的裂紋擴(kuò)展至孔洞Ⅰ的右上角，孔洞周?chē)鞅O(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均再次出現(xiàn)極大值；302.4 μs時(shí)，裂紋從孔洞Ⅰ向下擴(kuò)展，監(jiān)測(cè)區(qū)域3，4，6和7的平均應(yīng)變?cè)俅纬霈F(xiàn)極大值，這可能是孔洞下方裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生了變化所致；365.4 μs時(shí)，試樣表面裂紋貫穿高應(yīng)變集中區(qū)。

圖7 C型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.7 Strain evolution of type C specimen and strain-time curves of each monitoring area

2.2.4 D型試樣表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征

圖8所示為D型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線。從圖8可以看出：138.6 μs 時(shí)，試樣表面出現(xiàn)明顯的高應(yīng)變集中區(qū)；151.2 μs 時(shí)，試樣表面第1次出現(xiàn)裂紋，此時(shí)，孔洞周?chē)鷥H有監(jiān)測(cè)區(qū)域1，5 和8 的平均應(yīng)變出現(xiàn)輕微波動(dòng)，這說(shuō)明沖擊載荷初期所致的裂紋對(duì)垂直3孔洞試樣各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變影響較??；189 μs時(shí)，裂紋擴(kuò)展至孔洞Ⅰ邊緣，試樣中監(jiān)測(cè)區(qū)域1，5 和8 的平均應(yīng)變達(dá)到最大值，而此時(shí)其他監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變繼續(xù)增加，且監(jiān)測(cè)區(qū)域2的平均應(yīng)變?cè)谠黾舆^(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)，這說(shuō)明裂紋擴(kuò)展至孔洞Ⅰ時(shí)，僅孔洞Ⅰ周?chē)O(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變受到影響，其他監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變未受影響；264.6 μs 時(shí)，3 個(gè)孔洞之間的橋區(qū)均出現(xiàn)裂紋，孔洞周?chē)O(jiān)測(cè)區(qū)域4，7 和10的平均應(yīng)變繼續(xù)上升，其他監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變達(dá)到極大值。

圖8 D型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.8 Strain evolution of type D specimen and strain-time curves of each monitoring area

2.2.5 E型試樣表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征

圖9所示為E型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線。從圖9可以看出：176.4 μs 時(shí)，試樣表面第1次出現(xiàn)裂紋，此時(shí)，除監(jiān)測(cè)區(qū)域1，2和3的平均應(yīng)變出現(xiàn)輕微波動(dòng)外，其他監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變繼續(xù)增加，這說(shuō)明沖擊載荷初期所致裂紋對(duì)水平3孔洞試樣各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變影響較??；226.8 μs 時(shí)，裂紋擴(kuò)展至試樣軸向長(zhǎng)度的1/4處，監(jiān)測(cè)區(qū)域1，2，3，4，5和6的平均應(yīng)變均出現(xiàn)極大值；隨著裂紋逐漸擴(kuò)展，277.2 μs時(shí)，裂紋擴(kuò)展至孔洞Ⅱ邊緣，此時(shí)，除監(jiān)測(cè)區(qū)域4 和7 的平均應(yīng)變沒(méi)有變化外，其他監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均達(dá)到極大值；302.4 μs時(shí)，監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均出現(xiàn)極大值，這可能是裂紋完全貫穿孔洞所致；327.6 μs 時(shí)，除監(jiān)測(cè)區(qū)域4 外，其他監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均出現(xiàn)極大值，這可能是裂紋方向發(fā)生了變化所致；352.8 μs時(shí)，試樣中再次出現(xiàn)高應(yīng)變集中區(qū)。

圖9 E型試樣的應(yīng)變演化及各監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.9 Strain evolution of type E specimen and strain-time curves of each monitoring area

2.2.6 綜合分析

綜合5種類(lèi)型試樣的表面應(yīng)變演化過(guò)程及特征發(fā)現(xiàn)：隨著試樣中高應(yīng)變集中區(qū)移動(dòng)，試樣表面出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)展，這說(shuō)明裂紋的擴(kuò)展過(guò)程是高應(yīng)變集中區(qū)的漸進(jìn)發(fā)展過(guò)程[10]；試樣中的高應(yīng)變集中區(qū)在穿過(guò)孔洞前后均為橢圓狀，而在穿過(guò)孔洞時(shí)會(huì)由橢圓狀變成長(zhǎng)條狀；受孔洞排列方式的影響，垂直孔洞試樣的高應(yīng)變集中區(qū)中長(zhǎng)條狀的持續(xù)時(shí)間明顯較水平孔洞試樣長(zhǎng)；在整個(gè)沖擊過(guò)程中，高應(yīng)變集中區(qū)的直接作用范圍隨孔洞數(shù)量增加而增大，且其最多覆蓋2個(gè)孔洞。值得指出的是，3孔洞試樣的孔洞橋區(qū)均在高應(yīng)變集中區(qū)直接作用范圍內(nèi)且垂直孔洞試樣的橋區(qū)受影響的范圍更大，因此，對(duì)相關(guān)多硐室的地下工程尤其是硐室群垂直排列的地下工程在建設(shè)施工和安全防護(hù)時(shí)，應(yīng)高度關(guān)注動(dòng)載荷對(duì)連接各硐室礦柱(巖體)的影響。

對(duì)比沖擊過(guò)程中5種類(lèi)型試樣表面監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變發(fā)現(xiàn)：隨著孔洞數(shù)量增加，裂紋擴(kuò)展初期對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響范圍逐漸減??；水平孔洞試樣較垂直孔洞試樣監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線更曲折，這說(shuō)明已產(chǎn)生的裂紋在水平孔洞試樣中擴(kuò)展時(shí)更容易改變方向。各型試樣中監(jiān)測(cè)區(qū)域的最大平均應(yīng)變往往出現(xiàn)在4 個(gè)重要時(shí)刻：裂紋起裂時(shí)、裂紋擴(kuò)展至孔洞邊緣時(shí)、高應(yīng)變集中區(qū)穿過(guò)孔洞時(shí)、裂紋擴(kuò)展至孔洞下方時(shí)。表1所示為整個(gè)沖擊過(guò)程中5種類(lèi)型試樣各監(jiān)測(cè)區(qū)域的最大平均應(yīng)變。結(jié)合應(yīng)變圖可以看出：在破壞裂紋穿過(guò)孔洞前后，單孔洞試樣沿沖擊方向的最大平均應(yīng)變有輕微變化，約增加0.3%，這說(shuō)明孔洞的存在在一定程度上促進(jìn)了試樣沿沖擊方向的變形；雙孔洞垂直排列時(shí)，沖擊載荷對(duì)孔洞Ⅰ和Ⅱ周?chē)O(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變均影響較大，同時(shí)，孔洞Ⅰ的存在顯著減弱了試樣沿沖擊方向的變形(最大平均應(yīng)變減少約47.85%)，孔洞Ⅱ的存在顯著促進(jìn)了試樣沿沖擊方向的變形(最大平均應(yīng)變?cè)黾蛹s19.18%)，這導(dǎo)致垂直雙孔洞試樣的橋區(qū)在沖擊方向的應(yīng)變量最小；雙孔洞水平排列時(shí)，孔洞Ⅰ和孔洞Ⅱ的下方最大平均應(yīng)變較其上方的最大平均應(yīng)變均有較大增加(分別增加約66.4%和24.2%)，這說(shuō)明水平雙孔洞的存在促進(jìn)了試樣沿沖擊方向的變形；3孔洞垂直排列時(shí)，在沖擊響應(yīng)力作用下，孔洞Ⅰ和孔洞Ⅱ減弱了試樣沿沖擊方向的變形(最大應(yīng)變分別減少21.34%和22.88%)，孔洞Ⅲ促進(jìn)了其沿沖擊方向的變形(最大平均應(yīng)變?cè)黾?6.06%)；3孔洞水平排列時(shí)，孔洞Ⅱ在一定程度上促進(jìn)了試樣在沖擊方向的變形，導(dǎo)致孔洞下方的最大應(yīng)變大于孔洞上方的最大應(yīng)變(增加約21.98%)，然而，在沖擊過(guò)程中，裂紋穿過(guò)孔洞Ⅱ，兩橋區(qū)的最大平均應(yīng)變相差不大。因此，在多硐室群的地下工程建設(shè)施工和安全防護(hù)時(shí)，應(yīng)充分考慮沖擊載荷下硐室群中各硐室不同排列方式對(duì)工程巖石(體)變形的不同作用，使建設(shè)施工和安全防護(hù)合理、高效。

2.3 破壞特征

巖石的破壞模式在巖石力學(xué)研究中起著重要的作用。5種類(lèi)型試樣的破壞形態(tài)和裂紋類(lèi)型如圖10所示。根據(jù)這5種類(lèi)型試樣最終破壞形態(tài)中的裂紋擴(kuò)展路徑可將試樣的破壞裂紋分為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉伸-剪切混合裂紋3類(lèi)。從圖10可以看出：這5種類(lèi)型試樣的破壞裂紋較少且軸向拉伸裂紋占主導(dǎo)地位，所有試樣的破壞模式均表現(xiàn)為明顯的劈裂破壞。然而，孔洞的數(shù)量和排列方式對(duì)試樣的破壞形態(tài)有顯著影響。水平孔洞試樣的破壞裂紋在孔洞上下方分別表現(xiàn)為拉伸裂紋和拉伸-剪切混合裂紋，且孔洞數(shù)量對(duì)裂紋類(lèi)型沒(méi)有影響。隨著孔洞數(shù)量增加，水平孔洞試樣表面的拉伸裂紋數(shù)量增加且容易合并，這導(dǎo)致試樣局部剝落。垂直孔洞試樣的破壞形態(tài)更加復(fù)雜，隨著孔洞數(shù)量增加，試樣中拉伸裂紋數(shù)量迅速增加且容易出現(xiàn)聚結(jié)，試樣的破壞伴有局部塊狀剝落。值得注意的是，隨著孔洞數(shù)量增加，垂直孔洞試樣中剪切裂紋和拉伸-剪切混合裂紋的作用區(qū)域發(fā)生明顯變化。

圖11所示為試驗(yàn)過(guò)程中高速攝像儀拍攝的照片，圖中數(shù)字代表裂紋出現(xiàn)的先后順序。從圖11可以看出：這5種類(lèi)型試樣的最終破壞均是沖擊過(guò)程中孔洞引起的裂紋遷移和合并造成的，各型試樣的破壞裂紋整體形態(tài)呈現(xiàn)相同規(guī)律：試樣上表面軸線位置產(chǎn)生裂紋，沿孔洞邊緣穿過(guò)孔洞并進(jìn)一步擴(kuò)展，最終圍繞孔洞的兩端呈現(xiàn)為“S”型。值得指出的是，水平孔洞試樣中的沖擊能量更容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展方向變化并產(chǎn)生二次裂紋。因此，考慮到本試驗(yàn)中破壞裂紋多發(fā)生在孔洞邊緣位置且多孔洞橋區(qū)的破壞裂紋受排列方式和孔洞數(shù)量的影響顯著，地下硐室群的防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)特殊位置進(jìn)行特殊防護(hù)設(shè)計(jì)。

表1 沖擊過(guò)程中5種類(lèi)型試樣表面各監(jiān)測(cè)區(qū)域的最大應(yīng)變Table 1 The maximum strain of five types specimens in each monitoring area during impact %

目前，對(duì)沖擊荷載作用下不同排列方式孔洞巖石的破裂特征還沒(méi)有一個(gè)普遍接受的成因解釋或理論模型，因此，雖然此次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)5種類(lèi)型試樣沿沖擊方向劈裂的破壞特征進(jìn)行了很好解釋?zhuān)杂斜匾獙?duì)這一現(xiàn)象與相關(guān)研究的差異特征進(jìn)行討論。沖擊過(guò)程中A型試樣為明顯的劈裂破壞，這與SAMMIS等[17,37]研究的靜態(tài)壓縮下孔洞巖石的劈裂破壞特征一致。然而，在沖擊過(guò)程中，A型試樣的拉伸裂紋由上而下貫穿孔洞，靜態(tài)壓縮下拉伸裂紋的擴(kuò)展路徑為由孔洞向兩端延伸，且其受試樣尺寸的影響顯著。而CHEN等[38]對(duì)水平和垂直排列的雙隧道襯砌的地震波響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，地震對(duì)隧道襯砌軸向推力的影響無(wú)論是水平排列還是垂直排列都不顯著，這可能由于動(dòng)載荷強(qiáng)度和沖擊位置不同，使得這2種研究結(jié)果有所不同。值得注意的是，沖擊過(guò)程中D型試樣和E型試樣的試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)靜力學(xué)的研究結(jié)果有一定相關(guān)性。TANG等[18]利用數(shù)值模擬方法研究了單軸壓縮下水平及垂直3孔洞試樣的應(yīng)力集中區(qū)和破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)單軸壓縮下水平3孔洞試樣的拉伸裂紋集中在兩側(cè)孔洞的上方和2個(gè)橋區(qū)下方，并最終導(dǎo)致試樣劈裂破壞。而垂直3孔洞試樣的拉伸裂紋集中在孔洞的上下方區(qū)域、孔洞的左側(cè)區(qū)域和橋區(qū)，并導(dǎo)致試樣劈裂破壞。WONG 等[39]利用數(shù)值模擬方法研究了水平和垂直排列的3 孔洞試樣的靜態(tài)破壞特征，得到單軸壓縮下水平排列3孔洞試樣在峰值應(yīng)力處剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力相互作用，在左側(cè)兩孔洞下方形成間接聚結(jié)區(qū)。而垂直排列3孔洞試樣在峰值應(yīng)力處2條拉伸裂紋向孔擴(kuò)展并貫通形成2個(gè)聚結(jié)區(qū)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著荷載形式、作用位置、作用面積以及試樣尺寸的變化，無(wú)論是水平排列還是垂直排列的孔洞巖石，其破壞過(guò)程和破壞形態(tài)必然更加復(fù)雜。本次試驗(yàn)中試樣的孔洞間距、孔洞數(shù)量、排列方式、沖擊位置、作用面積還較單一，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展深入試驗(yàn)研究。

圖10 5種類(lèi)型試樣的破壞形態(tài)和裂紋類(lèi)型Fig.10 Failure patterns crack types of five types specimens

圖11 試驗(yàn)過(guò)程中高速攝像儀拍攝的破壞形態(tài)照片F(xiàn)ig.11 Photos taken by high speed camera during test

3 結(jié)論

1)在沖擊載荷作用下，垂直孔洞試樣的沖擊響應(yīng)力峰值隨試樣中孔洞數(shù)量增加而顯著減小。在設(shè)定的沖擊區(qū)域和孔洞分布下，水平孔洞試樣的沖擊響應(yīng)力峰值與孔洞數(shù)量的變化沒(méi)有明顯關(guān)系。同時(shí)，孔洞數(shù)量和排列方式對(duì)沖擊響應(yīng)力在試樣中的傳遞時(shí)長(zhǎng)有一定影響。

2)在沖擊過(guò)程中，試樣表面的高應(yīng)變集中區(qū)有一個(gè)漸進(jìn)移動(dòng)和演化的過(guò)程，且任意時(shí)刻高應(yīng)變集中區(qū)最多同時(shí)覆蓋2個(gè)孔洞。試樣表面的高應(yīng)變集中區(qū)在移動(dòng)過(guò)程中的形狀和方向受孔洞數(shù)量的影響。水平孔洞試樣中各監(jiān)測(cè)區(qū)域的平均應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系變化較垂直孔洞試樣更復(fù)雜。5種類(lèi)型試樣中各監(jiān)測(cè)區(qū)域的最大平均應(yīng)變多出現(xiàn)在裂紋起裂、裂紋擴(kuò)展至孔洞邊緣、高應(yīng)變集中區(qū)穿過(guò)孔洞、裂紋擴(kuò)展至孔洞下方這4個(gè)時(shí)刻，且沿沖擊方向，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的最大平均應(yīng)變受孔洞數(shù)量和排列方式的影響顯著。

3)試樣的最終破壞是沖擊過(guò)程中孔洞引起的裂紋遷移和合并所致，且各排列方式下孔洞數(shù)量增加容易導(dǎo)致試樣局部剝落。5種類(lèi)型試樣的破壞裂紋以軸向拉伸裂紋為主，試樣均表現(xiàn)為明顯的劈裂破壞。水平孔洞試樣的破壞形態(tài)較垂直孔洞試樣的破壞形態(tài)簡(jiǎn)單，且孔洞數(shù)量對(duì)試樣的裂紋類(lèi)型和作用區(qū)域基本沒(méi)有影響。垂直孔洞試樣的破壞形態(tài)復(fù)雜，剪切裂紋和拉伸-剪切混合裂紋的作用位置受孔洞數(shù)量的影響顯著。