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目前,在巷(隧)道的掘进中经常采用钻爆法施工,爆破工作面近区围岩受到爆破冲击荷载扰动,强度及稳定性降低,需立即对围岩喷射混凝土进行封闭,可以减小围岩风化程度,同时对围岩提供柔性支护抗力,避免围岩出现较大变形。为了加快施工进度,在喷射混凝土后,很快进行下一阶段的爆破施工,此时早龄期混凝土尚未达到稳定龄期,强度未达到设计值。而爆破掘进时,会产生地震波、空气冲击波及飞石,对早龄期混凝土及围岩产生动态冲击作用。在多次爆破开挖扰动下,喷层混凝土结构时常出现开裂、剥落的现象,爆破冲击荷载会诱发岩体内储存的能量激烈、快速的释放,从而出现岩爆、冲击地压及矿震等地质灾害,对工人的生命安全和煤矿的安全、高效生产造成了极大的威胁。研究表明,不同荷载(动载荷和静载荷)作用下混凝土及岩石的力学特性差异较大,但是多数学者的研究范围仅限于混凝土或岩石单介质材质的动力性状问题。针对喷层混凝土与围岩粘结面近区介质而言,在冲击作用下的动力特性受粘结面及两相介质差异的影响,与单介质的动力特性有明显区别,但是相关研究少有报道。因此在现有研究基础上,有必要对冲击荷载作用下早龄期喷层混凝土与围岩粘结面近区部分的动力性状问题进行研究,以完善相关领域的研究,为现场施工提供一定的指导。目前动态加载试验装置常用的有落锤冲击试验机、轻气炮、炸药平面波发生器、分离式霍普金森压杆试验装置(Split Hopkinson Pressure Bar,简称SHPB)等,霍普金森装置在混凝土及岩石动态力学特性研究中应用较为广泛,得到了众多研究成果。目前,随着装置的改进与技术的发展,分离式霍普金森装置被广泛用于金属、岩石、混凝土、橡胶及陶瓷等各种材料动力特性的研究中,其应用范围仍在扩大。本文采用实验室试验和数值模拟的方法,借助于SHPB实验技术、CT扫描技术及SEM技术,对喷层混凝土-围岩组合体试件的动力性状及损伤破坏特性进行深入研究。选择纺锤形冲头产生的半正弦波作为加载波,对比分析不同长度组合体试件的应力平衡结果,确定SHPB试验的试件长度。使用(37)75mmSHPB实验装置,在大量实测数据基础上,对冲击荷载下组合体试件的力学特性、波动特性、损伤及破坏特性进行了系统的研究,结论如下:(1)开展了喷层混凝土-围岩组合体的静载力学性能试验研究,分析了喷层混凝土-围岩组合体在静载作用下的损伤破坏演化过程。静载作用下,喷层混凝土-围岩组合体试件的单轴抗压强度和粘结面强度随着龄期的增大而增大,峰值位移呈减小趋势;单轴压缩过程中,随着荷载的增大,组合体试件破坏过程分为3个阶段:(1)初期阶段,混凝土端面周边出现环向裂纹以及贯通粘结面的轴向裂纹,试件周边出现剥落碎块;(2)中期阶段,混凝土端部的破坏面向内部延伸,出现张拉破坏粘结碎块,形成“X”型破坏面;(3)后期阶段,产生大量混凝土碎粒,岩石出现锥形剪切破坏面;粘结面劈裂张拉破坏主要是粘结力弱化失效的结果,粘结面张拉破坏断面较为平整。(2)开展了喷层混凝土-围岩组合体的SHPB冲击压缩试验,分析了喷层混凝土-围岩组合体的动力特性及破坏规律,研究了碎块平均尺寸及分形维数的变化规律,揭示了应变率与破坏碎块质量之间的关系。冲击荷载作用下,组合体试件的动态抗压强度、强度提高因子及峰值应变表现出明显的率相关性:动态抗压强度及强度提高因子随应变率的增大而增大,峰值应变随应变率的增大呈先增大后减小的变化趋势。应变率由45s-1增大至100s-1的过程中,组合体试件破坏程度逐渐增大,碎块质量、细粒碎块数量及其分形维数呈增大趋势,碎块平均尺寸呈先增大后减小趋势,动态抗压强度与分形维数间存在指数函数关系。组合体试件破坏模式分为3种类型:(1)第Ⅰ种类型,混凝土周边出现张应变破坏,并伴有贯通粘结面的裂纹;(2)第Ⅱ种类型,破坏试件呈锥形,出现若干双锥或锥-平面混合型粘结碎块,岩石部分出现张拉破坏面;(3)第Ⅲ种类型,混凝土被压碎,岩石部分出现较多破坏面,出现大量双锥或锥-平面混合型粘结碎块。(3)开展了喷层混凝土-围岩组合体的循环冲击压缩试验,研究了组合体应力-应变曲线随冲击次数的变化特征。根据试件累计耗散能与试件损伤之间的关系,得到了对现场爆破施工有重要指导意义的结论。早龄期混凝土力学特性对组合体试件动力特性影响较大:3天龄期组合体试件首次冲击时表现出延性特性,随着龄期的增大,脆性特性增强,组合体试件在循环冲击过程中由脆性特性逐渐向延性特性转变。在0.52MPa气压下,随着冲击次数的增大,轴向应变呈现先减小后增大的趋势,弹性模量呈现先增大后减小的趋势;0.56MPa气压下,随冲击次数增加,组合体试件力学性能劣化,峰值应变增大,弹性模量减小。在0.54MPa循环冲击气压下试件累计耗散能比0.56MPa多,但是试件累计损伤规律与之相反,即累计耗散能与累计损伤值呈负相关关系,说明低入射能条件有利于组合体试件抵抗外部荷载的多次冲击扰动,这对现场施工具有重要的指导意义:在巷(隧)道的爆破施工中,可以适当减少炸药量、增大循环爆破次数,从而减少爆破施工对早龄期混凝土及围岩的冲击损伤,增强喷层混凝土与围岩支护结构的稳定性。(4)基于组合体试件的SHPB试验波形结果,研究了应力波透射系数受冲击速度、龄期及冲击次数的影响规律。结果表明:随着冲击速度的增大,组合体试件透射系数呈现减小的变化趋势;随着循环冲击次数的增多,组合体试件透射系数也呈现减小的变化趋势;相同冲击速度条件下,随混凝土龄期的增大,试件透射系数呈增大趋势。(5)采用CT及SEM微观试验技术,开展了组合体试件的细观力学试验,分析了组合体内部细观损伤规律及岩石动态断裂形貌特征。结果表明,冲击荷载作用下混凝土内部裂纹的扩展路径主要受两个因素的影响:(1)界面过渡区对裂纹扩展的导向作用;(2)骨料对裂纹的阻裂作用;混凝土中裂纹的扩展模式有四种:(1)界面过渡区传播;(2)砂浆基体扩展;(3)刺骨传播;(4)触骨止裂;循环冲击次数增多,试件内部损伤增大,CT图像CT数减小,裂纹分形维数增大,直方图曲线分布区间减小但曲线峰值增大;SEM试验结果表明,组合体中岩石的动态断裂模式主要为张拉破坏,断口形貌包括穿晶断裂和沿晶断裂。