張慧梅， 陳世官， 王 磊， 袁 超

(1. 西安科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710054;2. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

隨著我國煤炭資源開發(fā)向西部礦區(qū)轉(zhuǎn)移，西部礦區(qū)將迎來新的一輪建井熱潮，而西部煤炭資源多為侏羅系煤層，其上覆巨厚白堊系富水基巖，具有膠結(jié)力弱、強度低等特征，故在煤礦立井的建設(shè)中多采用凍結(jié)法施工，以達到止水、提高軟弱圍巖強度的效果[1]。但在實際建設(shè)過程中，由于凍結(jié)方案的選取不合理等原因，使得凍結(jié)交圈不徹底的凍結(jié)壁在遭受工程爆破荷載時發(fā)生破壞，出現(xiàn)滲水及透水事故[2-3]。因此，研究沖擊荷載下凍結(jié)軟巖的動力響應(yīng)規(guī)律，為工程安全施工提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

到目前為止，許多學(xué)者從不同的角度對軟巖進行了大量的研究。Shen等[4-5]研究了不同熱處理后砂巖的損傷特征。Bai等[6-7]研究了凍結(jié)砂巖在三軸壓縮應(yīng)力下的變形機制和強度特征。劉波等[8-9]在不同凍結(jié)溫度和圍壓下對不同含水率紅砂巖進行了三軸試驗，并指出地應(yīng)力的作用增強了紅砂巖的孔隙限制能力和抗凍脹性。Wang等[10]研究了凍結(jié)砂巖在不同荷載下的微觀破壞機制，發(fā)現(xiàn)砂巖中的冰在壓縮下具有支撐和填充作用，而未凍結(jié)的水膜在拉伸和剪切下起膠結(jié)作用。Liu等[11-12]基于核磁共振(nuclear magnetic resonance， NMR)研究了寒冷地區(qū)巖石的孔隙演化特征。

國內(nèi)外學(xué)者對沖擊作用下凍結(jié)軟巖及各類巖石的力學(xué)性質(zhì)也進行了大量研究。Wang等[13-14]研究了凍結(jié)砂巖在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能和能量耗散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同溫度下紅砂巖的動態(tài)力學(xué)性能差異是由凍結(jié)巖石介質(zhì)不同的水冰相變和冷收縮率造成。馬冬冬等[15-16]在不同圍壓和溫度條件下對人工凍土進行了霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)試驗和動態(tài)本構(gòu)模型研究。Shan等[17]利用SHPB裝置研究了凍結(jié)紅砂巖的動力學(xué)。當(dāng)平均應(yīng)變率較低時，損傷僅分布在試樣邊緣。然而，隨著平均應(yīng)變率的增加，損傷范圍向試樣中心擴展。Hu等[18]研究了花崗巖在低速循環(huán)沖擊下的機械響應(yīng)和能量耗散特性。Li等[19]研究了單軸沖擊壓縮載荷和低溫耦合作用下含水大理巖的本構(gòu)模型。張蓉蓉等[20]對凍融和熱沖擊循環(huán)作用下紅砂巖的動態(tài)力學(xué)性能和本構(gòu)模型開展了SHPB試驗研究。Yang等[21-23]對凍結(jié)飽和紅砂巖進行了SHPB試驗，以研究凍結(jié)砂巖在沖擊下的破壞機理和強度變化特征。紀(jì)杰杰等[24]研究了沖擊荷載作用下巖石破碎分形特征及動力學(xué)特性。杜超超等[25-26]研究了動靜組合加載和被動圍壓下復(fù)合巖樣及煤巖的動態(tài)力學(xué)特性。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對凍結(jié)軟巖及各類巖石的靜、動力學(xué)進行了大量的研究，取得了許多優(yōu)秀的成果，然而，考慮實際工程的研究較少。因為，在凍結(jié)軟巖鑿井施工中，凍結(jié)壁受到的沖擊荷載并不是均勻的、一成不變的，而是有強弱順序和方向性的，當(dāng)爆破區(qū)域距離凍結(jié)壁較遠(yuǎn)時，凍結(jié)壁內(nèi)損傷體將受到拉剪破壞，隨著鑿井掘進的不斷深入，損傷體受到的沖擊應(yīng)力波不斷加強，表現(xiàn)為典型的正梯度沖擊(即沖擊載荷逐步增加)，如圖1所示，損傷體的破壞由拉剪破壞向壓剪破壞轉(zhuǎn)變。

圖1 凍結(jié)壁受荷示意圖Fig.1 Schematic diagram of frozen wall under load

因此，本文利用SHPB裝置在不同凍結(jié)溫度(25 ℃，-5 ℃，-10 ℃，-15 ℃和-20 ℃)下對紅砂巖進行了正梯度沖擊壓縮試驗，并利用NMR系統(tǒng)測量了沖擊后巖石樣品的孔隙變化參數(shù)，以研究損傷演化規(guī)律。研究結(jié)果可為寒冷地區(qū)巖質(zhì)邊坡、隧道和礦井的施工提供有益的指導(dǎo)。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣制備

試樣取自西部礦區(qū)的白堊系洛河組紅砂巖，是典型的弱膠結(jié)砂巖(后文中統(tǒng)稱為紅砂巖)，顏色暗紅、質(zhì)松，由泥質(zhì)膠結(jié)物組成，利用X射線衍射儀對其進行礦物成分及表面能譜分析，如表1和圖2所示。發(fā)現(xiàn)起主要膠結(jié)作用的黏土礦物蒙脫石和綠泥石等含量總占比僅有8%，其化學(xué)成分以二氧化硅含量最高，分別達到了20.34%和12.19%；其次為氧化鋁，含量分別為8.72%和4.5%，以無機膠結(jié)形式將顆粒膠結(jié)或包裹在一起，具有一定的黏結(jié)強度。

表1 礦物成分表Tab.1 Mineral composition table

圖2 砂巖顆粒表面能譜分析Fig.2 Surface energy spectrum analysis of sandstone particles

依據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，選用長徑比為0.5的試樣進行沖擊試驗，試樣直徑為50 mm，高度為25 mm，試樣的端面平整度經(jīng)過精細(xì)打磨符合規(guī)范要求(即平整度在0.02 mm公差范圍內(nèi))，如圖3所示。同時在制取試樣過程中剔除表面有明顯缺陷及超聲波檢測波速異常的試樣，降低試驗結(jié)果的離散性，紅砂巖的基本物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

圖3 砂巖試樣Fig.3 Sandstone sample

表2 紅砂巖基本物理參數(shù)Tab.2 Basic physical parameters of red sandstone

凍結(jié)紅砂巖樣品的制備：首先，將制備好的樣品置于105 ℃的干燥箱中干燥24 h，然后取出用真空飽和裝置進行加壓飽和。將飽和樣品兩端涂上凡士林并用塑料薄膜包裹，然后放置在低溫環(huán)境箱中，以0.02 ℃/min的恒定冷卻速度緩慢冷卻，達到設(shè)定溫度后，穩(wěn)定48 h，便可獲得凍結(jié)紅砂巖樣品。而在SHPB沖擊試驗中，為減小試件與空氣之間的溫度交換，控制試樣溫度處于恒定狀態(tài)。通過控制沖擊試驗過程的時間來進行控溫，從凍結(jié)試樣取出到?jīng)_擊試驗結(jié)束，整個過程控制在10 s內(nèi)，即可實現(xiàn)對凍結(jié)試樣溫度的可控，進而減小試驗的誤差。

1.2 測試裝置及工作原理

試驗采用φ50 mm高強度合金鋼質(zhì)SHPB試驗系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)由長沖擊桿(子彈0.5 m)、入射桿(3.0 m)、透射桿(2.5 m)、測速系統(tǒng)、超動態(tài)應(yīng)變儀、瞬態(tài)波形采集存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其中桿件系統(tǒng)參數(shù)為： 密度7 800 kg/m3、縱波波速5 190 m/s、彈性模量210 GPa。

圖4 SHPB試驗系統(tǒng)Fig.4 SHPB test system

SHPB試驗系統(tǒng)的基本原理是基于彈性桿中一維應(yīng)力波假設(shè)和應(yīng)力均勻性假設(shè)。試驗中超動態(tài)應(yīng)變儀對粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片信號值進行采集和存儲，通過在入射桿端頭粘貼帶圓孔紫銅濾波片，過濾掉高頻震蕩波，使得波形由矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)轭愓也?，保證了數(shù)據(jù)采集和處理的有效性和準(zhǔn)確性，然后根據(jù)三波法計算公式，計算得出試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率，如圖5所示。其計算公式為

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1.3 試驗方案

由于在實際工程中不同凍結(jié)時間段的凍結(jié)溫度不同，同時還存在巖體與凍結(jié)管距離不同導(dǎo)致凍結(jié)溫度不同，故確定人工試驗凍結(jié)溫度為-5 ℃，-10 ℃，-15 ℃，-20 ℃以及對照溫度常溫25 ℃。同時，根據(jù)圖1實際工程中凍結(jié)壁受沖擊特征示意圖以及前期多次試沖試驗，確定了以1.6 m/s，2.4 m/s和3.2 m/s作為正梯度沖擊速度。為保證正梯度沖擊試驗后，試樣不發(fā)生完全破壞能夠進行核磁共振試驗，以試樣的臨界破壞作為本試驗研究的破壞準(zhǔn)則。不同凍結(jié)溫度試樣正梯度沖擊后的形態(tài)如圖6所示，能夠滿足核磁共振試驗要求。

在沖擊試驗前，首先對每個飽和試樣進行核磁共振檢測，獲得每個試樣的初始T2譜曲線，然后開始進行不同凍結(jié)溫度下正梯度沖擊試驗，由于在低溫凍結(jié)試樣內(nèi)存在冰體會對核磁檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，無法準(zhǔn)確獲得試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化，故每次沖擊后將試樣放入飽和器內(nèi)恢復(fù)常溫飽和狀態(tài)，再進行核磁共振試驗，及時對沖擊后試樣孔隙的變化進行檢測，檢測完成后再將試樣置于低溫環(huán)境箱中進行凍結(jié)，為下次沖擊做準(zhǔn)備，以此順序交替進行，直至試驗結(jié)束。試驗方案流程圖，如圖7所示。

圖7 試驗方案流程圖Fig.7 Flow chart of test scheme

2 試驗結(jié)果

2.1 力學(xué)特征分析

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

根據(jù)“三波法”原理，對采集到的有效數(shù)據(jù)進行解算，根據(jù)解算結(jié)果得到不同凍結(jié)溫度下的紅砂巖在正梯度沖擊作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖8所示。

由于在正梯度沖擊下SHPB沖擊紅砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相似，因此以-10 ℃試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線為例進行說明。其曲線特征大致可分為線彈性階段、屈服階段和卸載破壞階段3個階段，如圖8所示。

圖8 正梯度沖擊下-10 ℃試樣動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Dynamic stress-strain curve of -10 °C specimen under positive gradient impact

線彈性階段，與靜載作用曲線相比，凍結(jié)狀態(tài)下弱膠結(jié)砂巖的壓密階段幾乎不存在，呈現(xiàn)出顯著的線性上升段，線彈性階段及裂紋穩(wěn)定擴展階段變化率更迅速，應(yīng)力幅值變化迅速，在極短時間內(nèi)弱膠結(jié)砂巖內(nèi)部應(yīng)力超過顆粒和膠結(jié)物質(zhì)的強度，使得紅砂巖初始彈性模量大，體現(xiàn)出一種較高的沖擊韌性。

屈服階段，在連續(xù)動載荷作用下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從初始彈性階段的快速上升段開始出現(xiàn)明顯下彎，曲線切線斜率顯著低于初始加載階段，該階段試樣內(nèi)部微裂隙在應(yīng)力波的作用下，經(jīng)歷了從出現(xiàn)緩慢增加到穩(wěn)定擴展，再到部分較大擴展微裂隙相互貫通形成主裂紋的過程，使得試樣在此應(yīng)變率沖擊下達到峰值強度點。

卸載破壞段，隨著應(yīng)變的增長，紅砂巖應(yīng)力呈快速下降趨勢，其內(nèi)部宏觀破裂面增多，變形加快。

2.1.2 應(yīng)力與應(yīng)變率關(guān)系

本文研究的峰值應(yīng)力為不同應(yīng)變率沖擊下對應(yīng)的最大應(yīng)力，并非為沖擊破壞對應(yīng)的破壞應(yīng)力。因此依據(jù)正梯度下紅砂巖動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將紅砂巖在動態(tài)沖擊下的各項參數(shù)進行分析汁算，得到正梯度沖擊下不同溫度紅砂巖試樣的動態(tài)峰值應(yīng)力參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制了正梯度沖擊下不同溫度紅砂巖動態(tài)峰值應(yīng)力與應(yīng)變率之間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 正梯度沖擊下不同溫度紅砂巖應(yīng)力與應(yīng)變率關(guān)系Fig.9 Relationship between stress and strain rate of red sandstone at different temperatures under positive gradient impact

由圖9可知，不同凍結(jié)溫度的紅砂巖在梯度沖擊載荷作用下整體的動態(tài)峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的升高而加強，具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。

在低應(yīng)變率范圍內(nèi)即30～35 s-1，25～-15 ℃的峰值應(yīng)力相近，范圍在4.75～5.32 MPa，但-20 ℃的峰值強度要高于其他溫度，這主要是在此溫度條件下，巖石基質(zhì)和冰介質(zhì)發(fā)生固-固相變收縮引起的強度增大所致。

當(dāng)凍結(jié)紅砂巖在低應(yīng)變率沖擊后，再進行中應(yīng)變率沖擊，其范圍為42.00～48.67 s-1，發(fā)現(xiàn)-5 ℃的峰值應(yīng)力增幅最高，介于-10 ℃和-15 ℃，而在-15～-20 ℃的紅砂巖，其峰值應(yīng)力增幅則小于-5 ℃，這說明-5 ℃與-10 ℃之間由于未凍水含量的減少，冰體的增加對凍結(jié)紅砂巖造成劣化，以提高強度的形式抵抗變形，而隨著溫度的繼續(xù)下降，冰體的強度得到加強，故在-15 ℃時峰值應(yīng)力要高于-5 ℃。

在中應(yīng)變率沖擊作用后進行較高應(yīng)變率沖擊，由試驗可知在高應(yīng)變率沖擊作用下應(yīng)變率隨溫度的降低呈現(xiàn)先升高后降低最后趨于平穩(wěn)的趨勢，溫度效應(yīng)明顯，故紅砂巖峰值應(yīng)力將受到溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)共同作用，當(dāng)溫度高于-10 ℃時，應(yīng)變率效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，紅砂巖峰值強度隨應(yīng)變率的升高而增強，但增加趨勢減緩，同時在-5 ℃時出現(xiàn)較高的應(yīng)力增幅，說明在此溫度下試樣以擴大損傷來抵抗沖擊。

2.1.3 應(yīng)變與應(yīng)變率關(guān)系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制了梯度沖擊下不同溫度紅砂巖動態(tài)峰值應(yīng)變與應(yīng)變率之間的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 不同凍結(jié)溫度下應(yīng)變與應(yīng)變率關(guān)系Fig.10 Relationship between strain and strain rate under different freezing temperatures

峰值應(yīng)變是衡量巖石變形的重要指標(biāo)，其表征巖樣在峰值強度的變形能力。從圖10中對比不同凍結(jié)溫度發(fā)現(xiàn)，以常溫25 ℃趨勢線為分界線，紅砂巖峰值應(yīng)變的變化趨勢明顯分為兩個階段：

在分界線上方，隨著沖擊應(yīng)變率的升高，-5 ℃試樣的峰值應(yīng)變呈快速增長并達到最大值，由0.005 13增長到0.007 6，增幅高達48.15%。在分界線下方，即凍結(jié)溫度在-10～-20 ℃時，隨著沖擊應(yīng)變率的升高，峰值應(yīng)變的增長趨勢逐漸放緩，同時隨著凍結(jié)溫度的降低，峰值應(yīng)變呈遞減趨勢，最終峰值應(yīng)變由-10 ℃的0.005 46下降到-20 ℃的0.004 78，下降幅度為12.45%，-20 ℃試樣的最終峰值應(yīng)變較-5℃降低幅度高達37.1%。表明凍結(jié)紅砂巖在峰值強度下的抵抗變形能力增強，同時試樣的脆性破壞特征明顯提升。

2.1.4 動態(tài)彈性模量與應(yīng)變率關(guān)系

不同凍結(jié)溫度下動態(tài)彈性模量與應(yīng)變率的關(guān)系曲線，如圖11所示。

圖11 動態(tài)彈性模量與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.11 Relationship between dynamic elastic modulus and strain rate

由圖11可知，不同凍結(jié)溫度下紅砂巖的靜態(tài)彈性模量介于0.997 5～7.423 5 GPa，與梯度沖擊載荷作用下對比發(fā)現(xiàn)，紅砂巖的動態(tài)彈性模量顯著提高，在低應(yīng)變率范圍內(nèi)即(30.00～35.33 s-1)，動態(tài)彈性模量是靜態(tài)彈性模量的1.1倍～2.4倍；在中應(yīng)變率范圍內(nèi)即(42.00～48.67 s-1)，動態(tài)彈性模量是靜態(tài)彈性模量的1.83倍～3.71倍；在高應(yīng)變率范圍內(nèi)即(50.00～75.33 s-1)，動態(tài)彈性模量是靜態(tài)彈性模量的2.37倍～4.03倍，表明紅砂巖材料的彈性模量具有顯著的應(yīng)變率敏感性。

2.1.5 凍結(jié)溫度與應(yīng)變率的關(guān)系

正梯度沖擊下凍結(jié)溫度與應(yīng)變率的關(guān)系，如圖12所示。由圖12可知：隨著凍結(jié)溫度的降低，在第1次低速率沖擊作用下，應(yīng)變率在-10 ℃之前呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度為17.77%，之后又由30 s-1上升到34.67 s-1，上升幅度為15.57%；在第2次中速率沖擊作用下，應(yīng)變率整體呈下降趨勢，下降幅度為14%；在第3次高速率沖擊作用下，應(yīng)變率先上升在-5 ℃達到最大值75.33 s-1，上升幅度為13%，然后應(yīng)變隨溫度的降低呈現(xiàn)下降趨勢，由75.33 s-1下降到50.33 s-1，下降幅度高達49.67%。

上述現(xiàn)象表明凍結(jié)紅砂軟巖在低、中速率沖擊作用下，應(yīng)變率不隨凍結(jié)溫度的改變而發(fā)生明顯變化，溫度效應(yīng)不顯著，而在進行高速率沖擊時，應(yīng)變率隨凍結(jié)溫度的下降變化明顯，對溫度具有較強的敏感性，溫度效應(yīng)顯著。

圖12 正梯度沖擊下凍結(jié)溫度與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.12 Relationship between freezing temperature and strain rate under positive gradient impact

2.2 正梯度沖擊下凍結(jié)紅砂巖的損傷效應(yīng)

2.2.1 T2譜分布分析

由核磁共振原理可知，核磁共振橫向弛豫時間T2主要由巖石孔隙的表面積與體積之比決定，因此T2譜曲線可以直觀反映巖石內(nèi)孔隙大小與數(shù)量的變化情況。T2譜曲線中橫坐標(biāo)越大，代表相應(yīng)孔隙尺寸越大，縱坐標(biāo)則反映此尺寸下孔隙的數(shù)量，即孔隙大小和數(shù)量均與T2譜坐標(biāo)呈正相關(guān)。通過分析T2譜曲線，可以得到巖樣孔隙尺寸及其數(shù)量的變化規(guī)律。

由核磁共振測試得到的T2譜曲線形狀可知，按照譜峰變化和對應(yīng)孔隙直徑將試樣內(nèi)部孔隙類別大致分為小孔隙、中孔隙及大孔隙共3種，通過3種等級孔隙對應(yīng)譜峰變化情況來反映本試驗中飽水凍結(jié)紅砂巖在梯度沖擊下的孔隙大小改變狀況，進一步的可以知道試樣內(nèi)部損傷變化規(guī)律，如圖13所示。

圖13 未沖擊未凍結(jié)試樣的孔隙分布圖Fig.13 Pore distribution of non impacted and non frozen samples

由正梯度沖擊T2譜曲線可知，每個類別的孔隙在正梯度沖擊作用過程中變化情況不盡相同，下面根據(jù)圖14分別對不同孔徑的變化情況進行描述與分析。

圖14 正梯度沖擊下紅砂巖T2譜曲線Fig.14 T2 spectrum curve of red sandstone under positive echelon impact

小孔隙發(fā)展?fàn)顩r，在溫度由常溫25 ℃下降到-10 ℃過程中，代表小孔隙的譜峰表現(xiàn)為向左移動且峰值變大，溫度越低此現(xiàn)象越明顯，說明小孔隙孔徑減小但數(shù)量增多；-15℃和-20℃小孔隙譜峰左移且峰值變小，可見在正梯度沖擊下，凍結(jié)溫度的降低對飽和紅砂巖小孔隙的發(fā)展變化影響較大。

各溫度試樣代表中等孔隙的譜峰變化同小孔隙一樣表現(xiàn)出明顯的溫度差異，-15～-20 ℃溫度內(nèi)，試樣譜峰峰值的增長趨勢，明顯弱于在-5～-10 ℃內(nèi)的試樣，說明在-10 ℃出現(xiàn)拐點。隨著凍結(jié)溫度的降低，在拐點溫度前中等孔隙數(shù)量顯著增加，而拐點溫度后，中等孔隙數(shù)量增幅顯著下降，說明梯度沖擊對中孔隙的形成影響最大。但由圖14可知，全部譜峰橫坐標(biāo)相對原位置沒有發(fā)生較大變化，表明正梯度沖擊對中等孔隙孔徑無明顯影響。

對比不同溫度試樣代表大孔隙的譜峰變化情況，發(fā)現(xiàn)25 ℃，-5 ℃及-10 ℃試樣譜峰峰值均顯著提高并右移，而-15 ℃和-20 ℃大孔隙呈現(xiàn)小幅波動，表明飽和紅砂巖在正梯度沖擊作用下，在溫度由25 ℃下降到-10 ℃過程中，大孔隙增多并發(fā)生擴展，孔徑變大，而在凍結(jié)溫度由-15 ℃下降到-20 ℃過程中，大孔隙增幅明顯低于-10 ℃，且孔隙擴展較為穩(wěn)定，說明-10 ℃為孔隙變化拐點。

2.2.2 T2譜面積分析

T2譜曲線的形態(tài)反映了巖石中孔隙的尺寸和數(shù)量的分布特征，曲線和橫向弛豫時間軸的積分面積與巖石中孔隙數(shù)量成正相關(guān)。不同凍結(jié)溫度紅砂巖正梯度沖擊前后核磁共振面積變化，如圖15所示。

圖15 不同凍結(jié)溫度紅砂巖正梯度沖擊前后核磁共振面積分布圖Fig.15 Nuclear magnetic resonance area distribution of red sandstone before and after positive gradient impact at different freezing temperatures

由圖15可知，在正梯度沖擊下各溫度試樣在初始總譜面積基本相同的條件下，25 ℃，-5 ℃及-10 ℃試樣在經(jīng)歷第1次沖擊后總譜面積均呈現(xiàn)小幅降低，降低幅度分別為3.78%，6.81%和3.86%，表明在較低的應(yīng)變率撞擊下，試樣內(nèi)部小孔隙得到壓縮，從而造成孔隙數(shù)量減少，而在-15 ℃和-20 ℃時，試樣總譜面積相對增加了1.5%和8.07%，孔隙數(shù)量不減反增，與其他溫度等級相比表現(xiàn)出明顯的溫度效應(yīng)。隨著正梯度沖擊的繼續(xù)進行，各溫度試樣總譜面積均呈上升趨勢，從小、中、大孔隙譜峰比變化情況可知：總譜面積的增加一方面來源于新孔隙的生成；另一方面主要是由于小、中孔隙在正梯度沖擊作用下逐漸發(fā)育貫通成為大孔隙。對比正梯度沖擊完成前后發(fā)現(xiàn)，-5 ℃及-10 ℃試樣譜峰總面積與初始情況相比均有較大幅度增加，增幅分別為29.3%和39.57%，在-15 ℃和-20 ℃區(qū)間內(nèi)，譜峰總面積增長較為穩(wěn)定，增幅分別為9.8%和20.4%，發(fā)現(xiàn)在-10 ℃時達到最大值出現(xiàn)拐點，表明正梯度沖擊在-10 ℃之前，凍結(jié)溫度的降低起到劣化作用，造成試樣內(nèi)孔隙數(shù)量增多。

2.2.3 正梯度沖擊作用下凍結(jié)紅砂巖損傷演化規(guī)律

在進行不同梯度沖擊試驗過程中，為探究凍結(jié)紅砂巖的梯度損傷演化規(guī)律，故在沖擊試驗前后結(jié)合核磁共振試驗對試樣在細(xì)觀方面的損傷進行識別，試驗測得的正梯度沖擊作用下的孔隙度數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 正梯度沖擊下不同凍結(jié)溫度紅砂巖的孔隙度變化Tab.3 Porosity changes of red sandstone under different freezing temperatures under positive echelon impact

對于天然巖石類材料來說，在成層歷史中及天然環(huán)境作用下，材料內(nèi)部本身就存在缺陷和劣化區(qū)，這就是巖石材料的初始損傷。而在施工開采過程中，巖石在受到不同梯度沖擊作用下產(chǎn)生的損傷為擾動損傷，也可稱為梯度損傷。本節(jié)主要依據(jù)不同梯度沖擊前后的孔隙度變化，對沖擊后產(chǎn)生的損傷進行定義，進而分析研究不同梯度沖擊后，不同凍結(jié)溫度紅砂巖的損傷演化規(guī)律。

Kachanov和Rabotonov提出了用連續(xù)度Ψ來定義材料擾動后的損傷變量D，其中

(2)

D=1-Ψ

(3)

式中：VD為擾動損傷后有效承載面積；V為損傷前承載面積；Ψ為連續(xù)度。

根據(jù)損傷變量的定義方法，本節(jié)主要利用核磁共振試驗測得的梯度沖擊前后孔隙度來定義連續(xù)度Ψ和損傷變量D。在梯度沖擊試驗前，首先對加壓飽和的紅砂巖進行初始孔隙度n0的測量，然后再對每次沖擊后的孔隙度n進行量測。由于梯度沖擊試驗中對于試樣總體積V0的影響較小，故假設(shè)沖擊前后試樣總體積V0不變，則有

V1=V0(1-n0)

(4)

VB=V0(1-n)

(5)

式中：V1為未沖擊時試樣內(nèi)部顆粒所占體積；VB為沖擊后試樣內(nèi)部顆粒所占體積。

將式(4)和式(5)分別代入式(2)和式(3)，可以得到梯度沖擊作用下紅砂巖的連續(xù)度和損傷變量

(6)

(7)

式(7)為不同梯度沖擊作用下，孔隙度與損傷變量的關(guān)系。其中D為標(biāo)量，當(dāng)D=0時為初始狀態(tài)，即無損狀態(tài)，當(dāng)D=1時為完全損傷狀態(tài)。

將表3數(shù)據(jù)代入式(7)，計算得出正、負(fù)梯度沖擊后損傷變量變化趨勢圖，如圖16所示。

注：上述橫坐標(biāo)軸數(shù)字含義，0為未沖擊；1為低應(yīng)變率沖擊；2為中應(yīng)變率沖擊；3為高應(yīng)變率沖擊圖16 正梯度沖擊下不同凍結(jié)溫度紅砂巖損傷度變化趨勢Fig.16 Change trend of damage degree of red sandstone at different freezing temperatures under positive gradient impact

由圖16可知：第1次沖擊后，在25～-10 ℃的溫度內(nèi)具有“負(fù)損傷”，即與初始損傷相比，損傷減小，表明在凍結(jié)溫度為-10 ℃之前，巖樣中存在未凍結(jié)的孔隙，在低應(yīng)變速率的影響下，導(dǎo)致該區(qū)域的孔隙壓實；隨著沖擊速度增加(即應(yīng)變率逐漸升高)，當(dāng)凍結(jié)溫度在-5～-10 ℃時，巖石樣品的損傷趨勢大大增加，最終在-10 ℃時損傷達到最大；對于-15～-20 ℃內(nèi)的凍結(jié)溫度，正梯度沖擊下巖樣的損傷趨勢呈均勻增長趨勢，發(fā)現(xiàn)正梯度沖擊下-20 ℃凍結(jié)溫度的損傷程度高于-15 ℃。結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，-20 ℃損傷程度的增加主要用于應(yīng)力增長和強化。

3 結(jié) 論

本文采用直徑為φ50 mm的霍普金森壓桿試驗裝置對凍結(jié)紅砂巖進行了正梯度沖擊壓縮試驗。研究正梯度沖擊荷載下，凍結(jié)紅砂軟巖的動力特性。同時，在沖擊試驗過程中，利用核磁共振技術(shù)對正梯度沖擊前后的樣品進行了損傷統(tǒng)計，研究了凍結(jié)紅砂巖在梯度沖擊下的損傷演化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1) 正梯度沖擊與低溫耦合作用下紅砂巖的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線特征可分為3個階段——線彈性上升階段、屈服階段和卸載破壞階段。在正梯度沖擊下，凍結(jié)紅砂巖的動態(tài)抗壓強度、應(yīng)變和動彈性模量具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。

(2) 在正梯度沖擊下，應(yīng)變率與凍結(jié)溫度的關(guān)系如下——在低、中速率沖擊下，凍結(jié)紅砂軟巖的應(yīng)變率隨凍結(jié)溫度的變化不顯著，溫度效應(yīng)不顯著。而在高速率沖擊下，應(yīng)變率隨凍結(jié)溫度的降低先增大后減小，且溫度效應(yīng)顯著，正梯度沖擊的拐點溫度出現(xiàn)在-10 ℃，表明在低、中速率擾動沖擊后，在較高速率的沖擊下，試樣發(fā)生內(nèi)部損傷，導(dǎo)致應(yīng)變率峰值提前。

(3) 根據(jù)正梯度沖擊前后各溫度樣品的T2譜曲線和核磁共振測試中孔隙面積的變化，得出以下?lián)p傷演化規(guī)律——在25～-10 ℃內(nèi)，隨著凍結(jié)溫度的降低，中、大孔隙和孔隙總譜面積顯著增加，而在-15～20 ℃內(nèi)則呈小幅穩(wěn)定增加。

(4) 通過孔隙度定義的損傷演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)正梯度沖擊下的損傷程度和擴展演化速率較高，拐點溫度出現(xiàn)在-10℃，隨著凍結(jié)溫度的降低，在拐點溫度之前，試樣損傷演化速率加快，在拐點溫度之后，則相反。