填充材料对含双弱夹层砂岩动态响应与能量耗散机制的影响研究

针对西部复杂地质区隧道建设中弱夹层岩体动态稳定性难题，研究人员通过SHPB试验系统研究石膏、水泥-石膏砂浆和环氧树脂三种填充材料对含双弱夹层砂岩的动态力学性能影响。结果表明环氧树脂填充试样表现出最高峰值应力（38 MPa）和能量耗散能力，损伤变量与冲击速度呈线性关系（d=0.332v-1.268），建立的动态强度增长因子模型（DIF=-1854.38e-v/0.625+2.820）为工程支护设计提供了量化依据。该研究为动态荷载作用下层状岩体加固材料选择提供了重要理论支撑。

　　

随着中国西部交通基础设施向复杂地质区域延伸，含弱夹层的岩体在爆破、开挖和地震等动态荷载作用下的稳定性问题日益突出。弱夹层作为岩体中常见的非连续结构，其力学性能和破坏形式直接影响工程安全。现有研究多集中于单层填充节理岩体的静态力学特性，对多层弱夹层在动态荷载下的应力波传播机制、能量耗散规律及损伤演化过程缺乏系统认识。特别是当岩体存在双弱夹层时，应力波的叠加效应和层间应力重分布现象更为复杂，传统单一填充材料的工程适用性面临挑战。

为突破这一技术瓶颈，安徽理工大学土木工程与建筑学院的李彦哲、荣传新团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。该工作通过Split Hopkinson压杆(SHPB)试验，首次系统比较了石膏、水泥-石膏砂浆和环氧树脂三种典型填充材料对含双弱夹层砂岩动态响应的影响规律。研究采用标准砂岩试样（?50 mm×100 mm）构建"岩石-夹层-岩石-夹层-岩石"的层状结构，通过高速摄像和能量分析手段，揭示了填充材料强度与塑性对岩体动态性能的调控机制。

关键技术方法包括：

1. 1.

   采用Φ50 mm SHPB系统进行动态冲击试验，冲击速度范围4.77-6.66 m/s，通过三波法计算应力σ(t)、应变ε(t)和应变率ε?(t)

2. 2.

   制备三种填充材料试样：石膏（水灰比1:0.5）、水泥-石膏砂浆（水泥:砂:石膏:水=1:0.7:0.25:0.4）和环氧树脂

3. 3.

   通过高速摄像机捕捉裂纹扩展过程，结合能量计算模型量化损伤变量d=ε_D/u

4. 4.

   建立动态强度增长因子DIF=σ_d/σ_c与冲击速度的定量关系

研究结果与发现：

1. 1.

   损伤模式分析：环氧树脂填充试样表现出最优抗冲击性能，破坏碎片尺寸最大（平均粒径>10 mm），而石膏试样呈现典型脆性破碎（粒径<5 mm）。高速摄像显示环氧树脂试样裂纹沿胶结面扩展，而石膏试样则优先在夹层内部萌生剪切裂纹。

2. 2.

   波动特性：填充材料强度显著影响应力波传播，环氧树脂试样的透射波振幅比石膏试样高42%，证实高强度填充材料能有效减弱弱夹层对应力波的屏障效应。

3. 3.

   动态应力-应变曲线：环氧树脂试样动态弹性模量最高（1.2 GPa），其应力-应变曲线出现明显平台阶段，对应能量耗散密度达84.09 kJ/m3，是石膏试样（45.46 kJ/m3）的1.85倍。

4. 4.

   能量耗散机制：能量演化遵循二次函数规律，吸收能量与冲击速度关系为E_e=3.390v²-31.783v+78.611（R2=0.960）。环氧树脂通过分子链重构和界面塑性流动实现高效能量耗散。

5. 5.

   动态强度模型：建立的DIF预测模型显示，当冲击速度从4.77 m/s增至6.66 m/s时，环氧树脂填充试样的动态强度增长因子从1.86提升至2.72。

研究结论与工程意义：

该研究首次量化了双弱夹层砂岩在动态荷载下的能量耗散规律，揭示填充材料塑性是控制岩体动态性能的关键因素。提出的损伤变量线性模型（d=0.332v-1.268）可直接用于评估工程岩体的损伤等级，而动态强度增长因子模型为支护结构的动力系数设计提供了理论依据。特别是在高冲击速度（>5.68 m/s）工况下，环氧树脂填充层能使损伤变量控制在0.94以下，显著优于传统材料。这些发现对西部复杂地质条件下隧道工程的动态稳定性控制具有重要指导价值，为《铁路隧道设计规范》中弱夹层处理条款的修订提供了实验支撑。

研究的创新性体现在三个方面：

1. 1.

   通过对比脆性-半延性-延性材料序列，建立了填充材料强度层级与能量耗散效率的定量关系

2. 2.

   发现双弱夹层系统的损伤演化具有速度敏感性，突破传统定性描述的局限

3. 3.

   提出的分段加固策略（深层环氧树脂+浅层水泥砂浆）兼顾经济性与安全性，已在引汉济渭工程中得到试点应用

未来研究可进一步考虑三维应力状态下多层弱夹层的动态相互作用机制，并将实验室尺度模型推广至工程尺度的数值模拟。该工作为动态扰动地质环境下的岩体加固提供了新材料选择依据和设计方法，对预防隧道塌方等地质灾害具有重要实践意义。