顧 超，許金余,2，孟博旭，聞 名，婁傳鑫

(1.空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系，陜西 西安 710038; 2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710072)

隨著我國油田、煤礦、地?zé)崮艿乳_發(fā)力度不斷加大，深部地質(zhì)環(huán)境下施工不斷增多，高溫后巖石性質(zhì)的改變成為研究熱點(diǎn)。巖石是一種由復(fù)雜成分組成的固態(tài)集合體，因形成于不同的物質(zhì)環(huán)境，其內(nèi)部含有不同的礦物、節(jié)理、裂隙和層理等結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致其性質(zhì)較為復(fù)雜[1]。紅砂巖具有不同的層理構(gòu)造，主要有粒狀碎屑和泥狀膠結(jié)2種形式的結(jié)構(gòu)，受荷載作用后，其破壞特征和力學(xué)特性表現(xiàn)為明顯的各向異性，高溫作用后，砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大改變[2-4]，其物理力學(xué)特性更加復(fù)雜，直接影響到巖體工程的安全性，以往高溫作用后各向同性巖石的研究成果難以滿足工程實際需求。

大量學(xué)者對高溫作用后巖石的物理特性進(jìn)行了有針對性的研究:RUTQVIST J等[5]研究了巖石在溫度、水和力學(xué)耦合作用下的各種力學(xué)特性如斷裂特性、強(qiáng)度特性等與4種不同數(shù)值模型預(yù)測的比較。HAIPAL M[6]研究了來自德國和匈牙利的歷史古跡砂巖經(jīng)熱處理后的物理特性。TIEN等[7]通過對不同層理的試件進(jìn)行靜態(tài)壓力試驗，提出了各向異性巖石的破壞準(zhǔn)則。蘇海健等[8]采用巴西劈裂抗拉強(qiáng)度試驗研究了溫度和尺寸對巖石抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，提出了紅砂巖在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度與圓盤厚徑比的線性衰減經(jīng)驗公式。吳剛等[9]研究了在常溫及經(jīng)歷100～1 200 ℃溫度作用后的力學(xué)特性，指出溫度會使焦作砂巖產(chǎn)生熱應(yīng)力，改變其礦物成分和微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致砂巖的力學(xué)特性發(fā)生改變。徐賠等[10]研究了高溫及裂隙傾角對巖體力學(xué)性能的影響并對比白砂巖實驗結(jié)果，建立了巖石高溫受荷損傷方程。李慶森等[11]利用單軸壓縮試驗研究分析了不同溫度作用后節(jié)理砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)，在壓縮過程中利用聲發(fā)射儀器實時監(jiān)測巖石的聲發(fā)射分布特征，研究了不同溫度對變形破壞機(jī)理的影響規(guī)律。劉石等[12]利用單軸壓縮試驗研究了不同溫度作用后大理巖的縱波波速、抗壓強(qiáng)度、破壞形態(tài)以及損傷特性隨溫度的變化規(guī)律。翟松韜等[13]對不同溫度下及高溫作用后的喜馬拉雅山鹽巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，分析了一些力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律如峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量，著重研究了其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在高溫下的特殊性。張傳虎等[14]采用YNS2000微機(jī)控制電液伺服試驗機(jī)對特殊地區(qū)花崗巖進(jìn)行壓剪試驗、單軸壓縮試驗，研究了不同溫度作用后其物理力學(xué)特性的變化規(guī)律。戎虎仁等[15]進(jìn)行了8種不同溫度后紅砂巖單軸壓縮的試驗，指出隨著溫度升高，紅砂巖的峰值強(qiáng)度呈先降低后上升再下降趨勢，峰值應(yīng)變逐漸上升，彈性模量先增大后減小。

基于以上學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，目前對層理巖石在高溫作用后的各向異性及其動態(tài)力學(xué)特性的研究較少。筆者利用φ100 mm SHPB試驗系統(tǒng)，對高溫作用后的層理砂巖進(jìn)行5種彈速的沖擊試驗，分析了其主要的動力學(xué)參數(shù)如應(yīng)變率、動態(tài)壓縮峰值強(qiáng)度、動態(tài)壓縮峰值應(yīng)變、動態(tài)壓縮變形模量等。借助SEM電鏡掃描顯微鏡，對3組溫度等級下最低與最高應(yīng)變的層理砂巖試件進(jìn)行破壞斷口形貌與能耗分析，并對提取出的微裂縫進(jìn)行數(shù)值分析。試驗所得結(jié)論對高溫環(huán)境下層理砂巖的理論研究和工程實踐具有一定的參考意義。

1 試驗概述

1.1 試樣制備

巖樣采用紅砂巖，取自某橫斷山脈地下國防工程。本試驗依據(jù)《GBT 50266—2013工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]和國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)建議，采用φ96 mm×48 mm的圓盤試件。為研究層理砂巖在2個方向上的物理力學(xué)特性的各向異性，先期根據(jù)紅砂巖原始層理，將巖石加工為平行層理面與垂直層理2種巖樣,如圖1所示?？紤]巖石非均質(zhì)特性對巖石性質(zhì)的影響，試驗巖樣中密度偏差均低于5%，以盡量減少巖石自身對試驗結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

圖1 2種層理巖樣Fig.1 Two kinds of stratified samples

1.2 試驗方案

試驗整體共分為2步:第1步是巖樣加溫，第2步是動態(tài)壓縮試驗。巖樣加溫過程:采用RX3-20-12型箱式電阻爐加熱巖樣，設(shè)置加溫速率為10 ℃/min，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后恒溫3 h，關(guān)閉儀器使巖樣在爐膛內(nèi)冷卻至室溫，將取出后的巖樣用于動態(tài)壓縮試驗。巖樣動態(tài)壓縮試驗過程:試驗采用沖擊裝置為直徑100 mm的分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB)，其打擊桿長0.5 m，彈性模量210 GPa，泊松比為0.25～0.30，密度為7.85 g/cm3，實測波速5 200 m/s，按預(yù)設(shè)彈速將巖樣進(jìn)行動態(tài)壓縮試驗。

動態(tài)試驗中存在一定的波動特征，經(jīng)過多次反復(fù)試打，發(fā)現(xiàn)溫度區(qū)間過密，對試驗結(jié)果影響較小，且為控制試樣數(shù)量，保證試驗結(jié)果可靠，綜合分析后設(shè)置3個溫度等級:25，400，800 ℃;設(shè)置5個彈速等級:11,12,13,14,15 m/s。每組巖石不少于7個試樣，將得到的試驗結(jié)果進(jìn)行處理后取均值，具體試驗方案見表1。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 巖樣經(jīng)過不同溫度后的物相分析

經(jīng)原國土資源部西安礦產(chǎn)資源檢測中心檢測，得到該巖樣3種溫度后的主要礦物成分見表2。表中含量僅保留3位有效數(shù)字。

表1 沖擊試驗方案
Table 1 Impact compression test scheme

層理方向溫度等級/℃沖擊彈速/(m·s-1)平行層理25,400,80011,12,13,14,15垂直層理25,400,80011,12,13,14,15

表2 砂巖礦物成分
Table 2 Components of sandstone

溫度/℃含量/%石英鉀長石伊利石白云石滑石方解石透輝石2548.628.411.16.02.92.50.540047.929.09.05.71.82.14.580046.832.11.54.100.415.1

由表2可知，常溫和400 ℃條件下，巖樣的主要礦物成分相同，即為石英、鉀長石、伊利石，含量較少的填隙物有白云石、滑石、方解石;800 ℃條件下，巖樣的主要礦物成分為石英、鉀長石、透輝石，含量較少的填隙物有白云石、伊利石。不難發(fā)現(xiàn)，400 ℃作用后巖石內(nèi)部的物質(zhì)成份變化較少，一旦溫度達(dá)到800 ℃，巖石的物質(zhì)成份變化十分明顯[17]，這對巖石的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)均會造成一定影響。

2.2 巖樣經(jīng)過不同溫度后的表觀變化

不同溫度作用后砂巖試件的表觀形態(tài)如圖2所示。由圖2可知，在常溫下2種層理砂巖整體呈淡褐色，表面光滑致密無裂縫，層理均勻。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，砂巖顏色變深，整體呈褐色，表面沒有明顯裂隙。當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時，巖樣顏色呈桃紅色，表面出現(xiàn)明顯裂隙，整體性較差，出現(xiàn)缺陷，層理模糊，且質(zhì)地變脆。800 ℃作用后平行層理巖樣在側(cè)面中部出現(xiàn)一條裂隙，垂直層理巖樣在側(cè)面出現(xiàn)多條裂紋，長度較短，但寬度較大，裂紋發(fā)展明顯?；趫D2與表2分析，800 ℃作用后巖樣組分發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致其物理特性出現(xiàn)一定程度的變化[18]，其中透輝石含量大幅度提高，透輝石有明顯光澤，這是800 ℃作用后巖樣顏色變暖，色調(diào)變亮的主要原因。并且，相較于垂直層理，平行層理巖樣穩(wěn)定性更好。

2.3 層理砂巖沖擊壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗得到了不同高溫作用后層理砂巖的動態(tài)壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示，圖中字母H，V分別為水平層理和垂直層理;25，400，800為溫度,℃;11，12，13，14，15為沖擊彈速,m/s;例如H-400-13表示400 ℃作用后平行層理砂巖在沖擊彈速為13 m/s下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可知，曲線大致可分為4個階段。以800 ℃作用后垂直層理砂巖在沖擊彈速為11 m/s下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為例，第1階段為非線性壓密階段OA，在沖擊壓力作用下，存在于巖石內(nèi)的天然缺陷(微裂紋、孔隙等)閉合，試件剛度增大。第2階段為線彈性階段AB，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，試件剛度為常數(shù)。第3階段為微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段BC，過B點(diǎn)以后，在巖石內(nèi)的原生裂紋端部或巖石內(nèi)部微缺陷處，發(fā)生局部應(yīng)力集中或裂隙面的剪切運(yùn)動，導(dǎo)致裂紋沿原有方向穩(wěn)定發(fā)展。第4階段為非彈性變形階段CD。巖石的應(yīng)力達(dá)到屈服極限以后進(jìn)入軟化階段。在CD段中，變形隨應(yīng)力下降而增加，巖體內(nèi)大量微裂隙產(chǎn)生，不穩(wěn)定擴(kuò)展匯合而導(dǎo)致破壞。對比3種溫度可以發(fā)現(xiàn)，常溫和400 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢相近，而800 ℃作用后應(yīng)力-應(yīng)變曲線OA段的斜率明顯小于另外2種溫度，這是因為，巖樣在800 ℃作用后內(nèi)部存在較多微裂縫。對比不同彈速可知，沖擊彈速較大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線BC段擴(kuò)展更充分，原因是沖擊彈速越大，提供給巖樣能量越多，裂縫發(fā)展越充分。對比2種層理可知，較平行層理相比，垂直層理巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線OA段斜率較小，這說明垂直層理內(nèi)部裂縫更多。

圖2 不同溫度作用后砂巖試件的表觀形態(tài)Fig.2 Apparent morphology of sandstone specimens after different temperatures

圖3 沖擊荷載作用下不同溫度后砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of sandstone after different temperatures under impact loading

2.4 沖擊彈速對應(yīng)變率的影響

巖樣的破碎響應(yīng)與沖擊彈速密切相關(guān)[19]，不同溫度作用后層理砂巖的應(yīng)變率與沖擊彈速的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，沖擊彈速與層理方向相同時，隨著溫度的升高，應(yīng)變率逐漸增加，相較于經(jīng)歷25 ℃常溫后巖樣的應(yīng)變率，經(jīng)歷400 ℃和800 ℃高溫后的平均漲幅約為17%和35%。這主要是因為不同礦物顆粒在高溫膨脹過程中變形不協(xié)調(diào)，因此造成大量次生裂隙、孔隙，溫度越高巖石越容易發(fā)生受力形變。沖擊彈速與溫度等級相同時，2種層理巖樣的應(yīng)變率變化規(guī)律基本類似，但相較于垂直層理，水平層理巖樣的應(yīng)變率普遍較高。這是因為，垂直層理巖樣受荷方向平行于層理面，受力時裂隙易沿著層理面擴(kuò)展，致使材料破壞，相比于加載方向垂直于層理面的水平層理巖樣，垂直層理巖樣發(fā)生形變的潛能要弱很多，因而應(yīng)變率低于水平層理巖樣。整體上，應(yīng)變率隨著沖擊彈速的增加而增加，當(dāng)子彈加載速率為11 m/s時，常溫下平行層理巖樣的應(yīng)變率為105.2 s-1，當(dāng)子彈加載速率達(dá)到15 m/s時，常溫下平行層理巖樣的應(yīng)變率為200.6 s-1，增加了91%，增幅明顯。

圖4 應(yīng)變率與沖擊彈速關(guān)系曲線Fig.4 Strain rate and impact speed curves

2.5 層理砂巖峰值強(qiáng)度曲線

不同溫度作用后層理砂巖的峰值強(qiáng)度曲線如圖5所示。對比3種溫度作用后層理砂巖峰值強(qiáng)度曲線圖可以得出:砂巖峰值強(qiáng)度變化規(guī)律基本相同，峰值強(qiáng)度隨著沖擊彈速的增加而增加，水平層理巖樣的峰值強(qiáng)度曲線均高于垂直層理。沖擊彈速與層理方向相同時，峰值強(qiáng)度基本隨著溫度的升高而減小;當(dāng)層理方向為水平層理，彈速為11 m/s時，經(jīng)歷400 ℃高溫作用后，巖樣峰值強(qiáng)度由常溫作用后的124 MPa降至116 MPa，減少6.5%，經(jīng)歷800 ℃高溫作用后，巖樣峰值強(qiáng)度由400 ℃高溫作用后的116 MPa降至91 MPa，減少21.6%;當(dāng)層理方向為垂直層理，彈速為11 m/s時，經(jīng)歷400 ℃高溫作用后，巖樣峰值強(qiáng)度由常溫作用后的108 MPa降至94 MPa，減少13%，經(jīng)歷800 ℃高溫作用后，巖樣峰值強(qiáng)度由400 ℃高溫作用后的94 MPa降至70 MPa，減少25.5%;巖樣經(jīng)歷的溫度低于400 ℃時，隨受熱溫度的升高，峰值強(qiáng)度的變化較小，溫度超過400 ℃，峰值強(qiáng)度與溫度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合表2巖樣組分分析可知，400 ℃作用后巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，組分變化較小，其強(qiáng)度下降主要是因為砂巖受熱使內(nèi)部自由水和結(jié)合水不斷脫出[20]，水蒸發(fā)膨脹使得巖樣內(nèi)部微裂紋得以發(fā)展，減小巖石密實程度，導(dǎo)致巖樣峰值強(qiáng)度下降，但其下降程度較小。經(jīng)歷溫度800 ℃時，其巖石組分發(fā)生明顯變化，伊利石、滑石、方解石含量大幅度減少，透輝石含量大幅度提高，四者的摩斯硬度分別為2，1，3，6，由此可知，高溫后巖樣強(qiáng)度顯著降低的主要原因為，溫度對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞而非礦物組分的改變。

圖5 峰值強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Peak intensity curves

2.6 層理砂巖峰值應(yīng)變曲線

層理砂巖峰值應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6可知，砂巖峰值應(yīng)變強(qiáng)度隨著沖擊彈速的增加而增加，水平層理巖樣的峰值應(yīng)變曲線均高于垂直層理。層理砂巖經(jīng)歷高溫后，峰值應(yīng)變隨受熱溫度的升高而增加;經(jīng)歷400，800 ℃高溫后，層理砂巖峰值應(yīng)變平均漲幅分別為8.2%，41.2%，峰值應(yīng)變與溫度呈正相關(guān)關(guān)系;且與400 ℃相比，800 ℃對層理砂巖的峰值應(yīng)變影響更加顯著。

圖6 峰值應(yīng)變變化曲線Fig.6 Peak strain curves

2.7 層理砂巖變形模量曲線

考慮到選取沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的彈性階段時易出現(xiàn)誤差，本文選用變形模量來進(jìn)行分析。圖7為層理砂巖變形模量曲線，砂巖變形模量隨著沖擊彈速的增加而增加，垂直層理巖樣的變形模量數(shù)據(jù)點(diǎn)部分高于水平層理，但大部分水平層理巖樣的變形模量數(shù)據(jù)點(diǎn)位于垂直層理上方。層理砂巖經(jīng)歷高溫后，變形模量呈降低的變化趨勢，經(jīng)歷400 ℃高溫作用后，變形模量數(shù)值與常溫相近。經(jīng)歷800 ℃高溫作用后，變形模量較常溫作用后平均損失了約40%。

圖7 變形模量變化曲線Fig.7 Modulus of deformation modulus

3 斷口細(xì)觀分析

3.1 斷口細(xì)觀形貌分析

為分析不同溫度作用后各向異性砂巖試件的動態(tài)力學(xué)行為規(guī)律與裂紋擴(kuò)展機(jī)理，對3組溫度等級下最低與最高應(yīng)變的層理砂巖試件進(jìn)行破壞斷口的SEM電鏡掃描試驗，如圖8～10所示。

(1)整體上看，3種溫度作用后層理砂巖在高應(yīng)變率下破壞的斷口表面整體度差，形貌粗糙，在低應(yīng)變率下破壞的斷口表面整體度好，平整光滑。巖樣顆粒保持均勻分布，接觸良好，排列緊密，膠結(jié)物質(zhì)與顆粒黏結(jié)密實，裂隙裂紋較少，應(yīng)變率較高時，顆粒接觸變差，少量裂隙發(fā)展變大。

(2)常溫作用后，水平層理巖樣在低應(yīng)變率條件下，破壞斷口表面主要有代表沿晶破壞的晶粒多面體外形的塊狀花樣，并伴隨少量膠結(jié)物質(zhì)的破壞，在高應(yīng)變率條件下，還出現(xiàn)了解理平臺，表明該處破壞為穿晶破壞，破壞是沿晶破壞與穿晶破壞耦合的脆性破壞。垂直層理巖樣在低應(yīng)變率條件下，有大量晶粒多面體外形的塊狀花樣，并伴有膠結(jié)物質(zhì)破壞，在高應(yīng)變率條件下，還出現(xiàn)了沿晶斷裂與穿晶斷裂重疊的現(xiàn)象，是一種特殊的脆性破壞(圖8)。

(3)400 ℃高溫作用后，水平層理巖樣在低應(yīng)變率條件下，破壞斷口表面有大量晶粒多面體外形的塊狀花樣，局部出現(xiàn)解理平臺和膠結(jié)物質(zhì)的破壞，在高應(yīng)變率條件下，還出現(xiàn)了代表脆性破壞的河流式花樣。垂直層理巖樣在低應(yīng)變率條件下，有大量晶粒多面體外形的塊狀花樣，并伴隨少量解理平臺和膠結(jié)物質(zhì)的破壞，在高應(yīng)變率條件下，有極少數(shù)的沿晶破壞，主要表現(xiàn)為穿晶破壞，存在大量解理平臺，伴有膠結(jié)物質(zhì)的破壞(圖9)。

(4)800 ℃高溫作用后，水平層理巖樣在低應(yīng)變率條件下，以膠結(jié)物質(zhì)破壞為主，出現(xiàn)了貫穿多個顆粒的河流式花樣，在高應(yīng)變率條件下，破壞形式主要是膠結(jié)物質(zhì)的開裂，出現(xiàn)了代表塑性破壞的蛇形滑移分離狀花樣。垂直層理巖樣在低應(yīng)變率條件下，以膠結(jié)物質(zhì)破壞為主，同時在局部位置有少量晶粒多面體外形的塊狀花樣，在高應(yīng)變率條件下，破壞形式主要是膠結(jié)物質(zhì)的開裂，局部出現(xiàn)代表韌性破壞的窩坑(圖10)。

圖8 25 ℃條件下破壞斷口的典型細(xì)觀形貌Fig.8 Typical micro-structure of sandstone fracture of 25 ℃

圖9 400 ℃條件下破壞斷口的典型細(xì)觀形貌Fig.9 Typical micro-structure of sandstone fracture of 400 ℃

圖10 800 ℃條件下破壞斷口的典型細(xì)觀形貌Fig.10 Typical micro-structure of sandstone fracture of 800 ℃

3.2 破壞斷口的能耗分析

從斷裂力學(xué)角度，沖擊荷載作用下巖石損傷斷裂模式的耗能大小排列[21]為

將斷口細(xì)觀形貌分析列表，推出相應(yīng)的損傷斷裂模式[22]，并對其耗能規(guī)律總結(jié)(表3)。由表3可得以下規(guī)律:

(1)砂巖在高應(yīng)變率下破壞時能耗普遍高于低應(yīng)變率破壞。這是因為，巖石在外力作用下具有整體的彈性應(yīng)變能，彈性應(yīng)變能做功、塑性功與表面能做功三者之和是裂紋擴(kuò)展的能量閾值。在裂紋擴(kuò)展的過程中，只有外部能量超過這一閾值，裂紋才能開始擴(kuò)展。在低應(yīng)變率條件下，外部能量輸入相對較小，在此期間只有能量閾值相對低的裂紋得以發(fā)育，參與破壞的裂紋數(shù)量少，損傷斷裂模式耗能相對較低。在高應(yīng)變率條件下，能量輸入大，裂紋會呈分叉式擴(kuò)展，并形成羽毛狀裂紋面[23]，目的是用最短的時間消耗最多的能量，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到極限時，便不能消耗多余的能量，此時能量閾值高的裂紋得到足夠能量而被激活，開始新一輪的裂紋擴(kuò)展，因此高應(yīng)變率條件下，巖樣的損傷斷裂模式耗能較高。

表3 砂巖斷口能耗的變化規(guī)律
Table 3 Variation of energy consumption in sandstone fracture

T/℃層理方向彈速/(m·s-1)斷口細(xì)觀形貌損傷斷裂模式耗能等級主要影響作用25水平垂直11主體:晶粒多面體局部:解理臺階、膠結(jié)物質(zhì)開裂以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂、膠結(jié)物質(zhì)斷裂一般荷載15主體:解理臺階、晶粒多面體局部:膠結(jié)物質(zhì)開裂以穿晶與沿晶的耦合斷裂為主局部膠結(jié)物質(zhì)斷裂較高荷載11主體:晶粒多面體局部:解理臺階、膠結(jié)物質(zhì)開裂以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂、膠結(jié)物質(zhì)斷裂一般荷載15主體:解理臺階、晶粒多面體局部:膠結(jié)物質(zhì)開裂以穿晶與沿晶的耦合斷裂為主局部膠結(jié)物質(zhì)斷裂較高荷載400水平垂直11主體:晶粒多面體局部:解理臺階、膠結(jié)物質(zhì)開裂以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂、膠結(jié)物質(zhì)斷裂一般荷載15主體:解理臺階(大量)、河流狀花樣局部:晶粒多面體、膠結(jié)物質(zhì)開裂以穿晶斷裂為主局部有沿晶斷裂、膠結(jié)物質(zhì)斷裂較高荷載11主體:晶粒多面體局部:解理臺階以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂較低荷載15主體:解理臺階(大量)、膠結(jié)物質(zhì)開裂局部:晶粒多面體以穿晶斷裂、膠結(jié)物質(zhì)斷裂為主局部有沿晶斷裂一般荷載800水平垂直11主體:膠結(jié)物質(zhì)開裂局部:晶粒多面體、河流狀花樣以膠結(jié)物質(zhì)斷裂為主局部有沿晶斷裂、穿晶斷裂較低溫度-荷載15主體:膠結(jié)物質(zhì)開裂局部:蛇形滑移花樣以膠結(jié)物質(zhì)斷裂為主局部有韌性斷裂較高溫度-荷載11主體:膠結(jié)物質(zhì)開裂局部:晶粒多面體以膠結(jié)物質(zhì)斷裂為主局部有沿晶斷裂低溫度-荷載15主體:膠結(jié)物質(zhì)開裂局部:韌窩以膠結(jié)物質(zhì)斷裂為主局部有韌性斷裂較高溫度-荷載

(2)25 ℃與400 ℃條件下破壞耗能相近，略高于800 ℃條件下的破壞。這是因為，800 ℃高溫會對巖石造成熱破裂、熱熔融以及熱揮發(fā)作用，其礦物顆粒結(jié)構(gòu)在未施加荷載前就已存在裂隙，在沖擊荷載作用下，顆粒很容易發(fā)生破裂，造成大量膠結(jié)物質(zhì)開裂，以此來消耗輸入能量，導(dǎo)致其耗能反而較低。

(3)斷口以脆性破壞與膠結(jié)物質(zhì)開裂為主要破壞模式，但在高溫、高應(yīng)變率下出現(xiàn)局部的塑性斷裂特征，這也證實了溫度對此起了重要作用。

3.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值化分析

僅依靠斷口細(xì)觀形貌的定性分析很難發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為量化、確切地分析動荷載與溫度耦合作用下的巖石斷面裂隙特征的變化規(guī)律，選取3種沖擊彈速試樣，采用Image-Pro Plus(IPP)軟件對其SEM電鏡掃描后的細(xì)觀圖片進(jìn)行量化處理，得到裂隙裂紋的相關(guān)數(shù)量信息。

首先對斷口細(xì)觀圖像進(jìn)行預(yù)處理，如圖11所示，對圖像進(jìn)行灰度檢測，灰度值指圖中點(diǎn)的顏色深度，數(shù)值范圍為從255代表的白色到0代表的黑色。由圖11可知，本組細(xì)觀圖像中裂隙的灰度值普遍低于80，故設(shè)置二值分割的界限灰度值為80，得到二值圖，如圖12(a)所示。然后調(diào)整其像素值及去除偽影點(diǎn)等雜質(zhì)，最后將所得細(xì)觀圖像進(jìn)行量化處理，得到裂隙網(wǎng)格計算圖，如圖12(b)所示，圖中白色塊狀物質(zhì)即為裂隙。

圖11 灰度值檢測Fig.11 Gray value detection

圖12 圖像處理過程Fig.12 Image processing process

圖13 裂隙數(shù)量變化規(guī)律Fig.13 Variation regularity of crack quantity

(1)裂隙數(shù)量:對沖擊彈速為11，13，15 m/s的層理砂巖斷口細(xì)觀圖進(jìn)行上述處理，得到3種彈速下裂隙數(shù)量的變化規(guī)律，如圖13所示。由圖可知，層理方向與溫度等級相同時，斷口裂隙數(shù)量與沖擊彈速成正比，這主要是因為裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展需要消耗能量，當(dāng)沖擊彈速較低時，只有消耗能量較少的裂隙才能產(chǎn)生，此時產(chǎn)生的裂紋較少，隨著沖擊彈速的增加，提供給巖樣的能量不斷升高，使得裂紋不斷產(chǎn)生，因而裂隙數(shù)量不斷增加;水平層理的裂隙數(shù)量普遍高于垂直層理;斷口裂隙數(shù)量與溫度等級并無明顯的變化規(guī)律。

(2)裂隙面積:定義平面微觀裂隙率P，P值代表斷面上的固體顆粒排列松散程度，其值越大表明排列越松散[24]。即P=Ab/Al,其中，Ab為斷口裂隙網(wǎng)絡(luò)面積，即圖12(b)中白色塊狀部分的面積;Al為整幅SEM圖像面積。經(jīng)過先期對比發(fā)現(xiàn)，300倍的放大倍數(shù)適中，方便計數(shù)且具有準(zhǔn)確性，適用于本次細(xì)觀參數(shù)量化試驗，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，整體上看，經(jīng)過800 ℃高溫作用后，斷口微觀裂隙率最大，明顯高于25和400 ℃;25 ℃和400 ℃的斷口微觀裂隙率基本相同，差異較小;層理方向與溫度等級相同時，微觀裂隙率隨著沖擊彈速的增加而增加，所以沖擊彈速與巖樣的破碎響應(yīng)有直接關(guān)系;沖擊彈速與溫度等級相同時，平行層理巖樣的微觀裂隙率曲線低于垂直層理巖樣。

圖14 微觀裂隙率變化規(guī)律Fig.14 Variation law of microscopic fracture rate

(3)裂隙形狀:定義裂隙形狀因子,表示裂隙形狀的規(guī)則程度，其值越大表明規(guī)則度越差，越接近1表明規(guī)則度越好。即η=Lx/Ly,其中，Lx為裂隙外包矩形沿長軸方向的長度;Ly為裂隙外包矩形沿短軸方向的長度。裂隙形狀因子η的變化規(guī)律如圖15所示,由圖15可知，整體上看，巖樣形狀因子大小處于1.0～1.4，說明本試驗所使用的紅砂巖樣的裂隙規(guī)則程度較好;沖擊彈速與溫度等級相同時，垂直層理的形狀因子普遍小于水平層理，表明裂隙的規(guī)則程度存在各向異性差異,這主要是因為，水平層理巖樣在動態(tài)破壞試驗過程中，施壓方向與層理方向垂直，裂隙在發(fā)展過程中受到層理面的阻礙，發(fā)生轉(zhuǎn)向，沿著層理方向擴(kuò)展，當(dāng)遇到層理缺陷處時，發(fā)生第2次轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致裂隙規(guī)則度較差。而垂直層理巖樣施壓方向與層理平行，裂隙在發(fā)展過程中沿著層理弱面發(fā)展，受到阻礙較少，裂隙發(fā)展較為規(guī)則;將3種溫度等級下形狀因子的最小值和最大值畫線區(qū)分，可知隨著溫度的增加，形狀因子的大小逐漸變小，表明高溫處理后巖樣動態(tài)破壞斷口的裂隙形態(tài)趨于規(guī)則。

圖15 裂隙形狀因子變化規(guī)律Fig.15 Variation regularity of fracture shape factor

4 結(jié) 論

(1)高溫作用后各向異性砂巖的動態(tài)力學(xué)性能受沖擊彈速、溫度效應(yīng)、層理各向異性的共同影響。沖擊彈速對砂巖力學(xué)性能有強(qiáng)化效應(yīng);隨著溫度的升高，砂巖峰值強(qiáng)度減小，峰值應(yīng)變增大，而變形模量減小;當(dāng)沖擊彈速為11 m/s，相較于常溫狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度，經(jīng)歷400 ℃和800 ℃高溫作用后的水平層理巖樣分別減少了6.5%，26.6%，垂直層理巖樣分別減少了13%，35.2%;相較于常溫狀態(tài)下的峰值應(yīng)變，經(jīng)歷400，800 ℃高溫后的層理砂巖的平均漲幅分別為8.2%，41.2%;相較于常溫狀態(tài)下，經(jīng)歷400 ℃高溫作用后的砂巖變形模量與常溫相近，經(jīng)歷800 ℃高溫作用后的砂巖變形模量平均損失了約40%。平行層理砂巖的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、變形模量普遍高于垂直層理巖樣，整體性更好。

(2)斷口細(xì)觀形貌能較好地反映出層理砂巖內(nèi)部裂紋產(chǎn)生情況。層理砂巖在高應(yīng)變率下破壞的斷口表面比在低應(yīng)變率下整體度差，形貌更加粗糙。經(jīng)歷溫度不大于400 ℃時，破壞面主要以沿晶破壞和穿晶破壞為主，表現(xiàn)為脆性斷裂。經(jīng)歷溫度為800 ℃時，破壞面主要以膠結(jié)物質(zhì)破壞為主，出現(xiàn)了代表塑性破壞和韌性破壞的滑移分離狀花樣和窩坑。砂巖在高應(yīng)變率下破壞時能耗普遍高于低應(yīng)變率破壞。

(3)從裂隙的數(shù)量、裂隙的面積、裂隙的形狀3個方面分析了高溫作用后砂巖動態(tài)破壞斷口的裂隙特征。裂隙的數(shù)量、裂隙的面積、裂隙的形狀三者均存在明顯的各向異性差異，水平層理的裂隙數(shù)量普遍高于垂直層理;水平層理巖樣的微觀裂隙率曲線低于垂直層理巖樣;垂直層理的裂隙形狀普遍比水平層理規(guī)則。高溫處理后巖樣動態(tài)破壞斷口的裂隙形態(tài)趨于規(guī)則。斷口裂隙數(shù)量與沖擊彈速成正比;微觀裂隙率隨著沖擊彈速的增加而增加;裂隙形狀與沖擊彈速無顯著關(guān)系。