泥質粉砂巖凍融作用下含初始損傷巖石動力學特性試驗研究

賈淯斐 王浩程 夏 冬,2,3 仝文慧 梁 冰,2

（1.華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室,河北 唐山 063210;3.河北省礦區生態恢復產業技術研究院,河北 唐山 063210）

我國寒區面積占國土面積的70%以上,在寒區蘊藏著豐富的礦產資源,隨易采區礦產資源的日益減少,對寒區礦產資源的開發已提上日程[1]。在寒區露天礦開采過程中,邊坡巖體除面臨礦區生產產生的爆破擾動,還會面臨寒區氣候變化對其產生的凍融影響,而且凍融作用在動載擾動下對巖體損傷破壞過程中起著至關重要的作用[2]。因此,對凍融作用下含損傷巖石的宏觀動力學性能的研究就顯得十分必要。

寒區因晝夜溫差較大形成的凍融作用對巖石的宏觀力學特性影響較為嚴重,Chen、張繼周、杜鵬、J.Eslami、A.Momeni、吳剛等[3-8]分析靜載下巖石孔隙率、縱波波速、抗壓強度、斷裂韌性、彈性模量等物理力學參量與凍融作用的變化規律,表明了凍融侵蝕對巖石和巖體自身強度和穩定性的劣化影響。閻錫東、張惠梅等[9-10]基于凍融對巖石疲勞損傷的理論,通過分析凍融后巖石的應變形態以及荷載對巖樣的損傷影響,建立了凍融損傷模型。在露天礦、隧道、公路等寒區工程基建和生產過程中,通過爆破等手段進行生產和建設是不可避免的,而且爆破能、機械沖擊能不會全部作用于生產面上,會有一部分能量以應力波的形式向四周擴散,由此會對周圍巖體或者建筑造成一定的損傷影響。因此,在寒區工程建設問題中,不僅要考慮凍融作用對巖石造成的劣化影響,還要研究動載荷對巖石的動力學特性影響。顏峰等[11]通過測量現場爆破聲波,明確了巖石在遭受第一次爆破影響時造成的損傷大于多次爆破中單次爆破造成的損傷量;周科平、劉少赫、Li等[12-14]通過動力學試驗,發現凍融后砂巖的峰值強度、彈性模量均有變化,并與靜荷載下砂巖的強度變化有所不同;Ke等[15]借助NMR技術分析在動荷載下含凍融損傷巖石的微觀結構演化規律,以及建立了以孔隙率為凍融損傷變量的衰減模型;張慧梅、楊念哥等[10,16]對黃砂巖在動荷載作用下的破壞形式和凍融周期進行分析探究,闡明了動荷載與凍融作用耦合后巖石損傷破壞規律。

綜上所述,前人對凍融作用下巖石的力學特性以及損傷破壞演化的研究,更多關注在動載破壞方面,對處于沖擊損傷和凍融損傷耦合作用下巖石宏觀動力學性能的方面還有待進一步研究。基于此,為研究含初始損傷巖石在經歷不同凍融循環后在爆破擾動、應力波沖擊等作用下的宏觀動力學特性,本項目以白礪灘露天煤礦北幫邊坡泥質粉砂巖為研究對象,利用SHPB試驗系統對完整巖樣進行不同入射能的沖擊加載試驗,以獲取含不同初始損傷的巖樣,對凍融后的含初始損傷巖樣進行沖擊加載試驗,旨在分析動荷載和凍融耦合作用對巖石動力學特性的影響規律,為寒區工程建設以及資源開發過程中的自然災害防治工作提供參考。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用泥質粉砂巖均取自白礪灘露天煤礦北幫邊坡,按照《工程巖體試驗方法標準》（GBT 50266—2013）為標準,將砂巖加工成φ50mm×25 mm的標準巖樣,使試樣端面的平行度控制在0.02 mm以內。剔除外觀存有瑕疵的試件,選取波速和質量相近且波速穩定的巖樣,所選巖樣如圖1所示,其目的是為減小巖樣的離散性,保證后續試驗數據穩定且準確。得到泥質粉砂巖的基本物理平均參數如表1。

表1 粉砂巖基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of siltstone

圖1 部分巖石試件Fig.1 Partial rock specimen

1.2 試驗方法

在進行凍融試驗之前,首先對巖樣進行預損傷處理,其目的是使試樣更符合實際礦區受工程爆破或工程擾動的巖石,然后根據《水利水電工程巖石試驗過程》中凍融試驗[17]的相關規定進行試驗,以下即為試驗全部流程:

（1）首先對巖樣進行基本物理力學參數測定,剔除基本物理參數離散性較大和外觀有明顯缺陷的巖樣。

（2）對巖樣進行預制沖擊損傷試驗,試驗結果表明巖樣在入射幅值80～85 mV范圍內破碎效果最好,則選擇此范圍的50%、60%、70%、80%入射幅值對巖樣分別進行沖擊損傷試驗,由此確定初始損傷等級為I級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級。

（3）進行凍融循環試驗,巖樣凍結溫度為-20℃,融化溫度為20℃,凍融循環1個周期為24 h,共計40周期。

（4）凍融循環試驗結束,通過霍普金森壓桿裝置進行恒速下沖擊破壞實驗。霍普金森壓桿裝置是由氮氣罐、沖擊彈頭、發射腔、入射桿、透射桿和吸收桿組成,如圖2所示。

圖2 霍普金森壓桿試驗系統Fig.2 Hopkinson compression bar test system

2 試驗結果分析

2.1 凍融作用下含初始損傷砂巖縱波波速變化規律

巖樣在經歷沖擊損傷實驗之后進行40周期的凍融循環試驗,對凍融后的巖樣進行波速測定。得到了飽水、凍融循環10、20、30、40周期下巖樣的縱波波速隨初速損傷等級變化的演化規律,如圖3所示。

圖3 不同初始損傷下砂巖縱波波速和凍融周期點線圖Fig.3 Point line diagram of longitudinal wave velocity and freeze-thaw cycle of sandstone under different initial damage

在飽水狀態下,巖樣的縱波波速隨初始損傷等級的增加而逐漸降低,不同初始損傷等級下的縱波波速相比完整巖樣分別降低了4.15%、5.85%、7.77%、8.29%,表明了沖擊對巖樣內部孔隙和裂隙造成了不同程度的破裂損害。完整巖樣的縱波波速隨凍融循環周期的增長而減小,不同凍融周期下的縱波波速相對于完整巖樣分別降低了4.15%、6.22%、7.78%、10.88%。凍融循環作用對巖石的損傷機制為低周疲勞荷載[18],在凍融循環20、30、40周期下,含初始損傷巖樣的縱波波速大幅度降低,初始損傷程度越高,凍融作用對巖樣的損傷效果就越明顯。出現此種現象的主要原因是對巖樣逐級增加形成的沖擊損傷,造成了巖樣內部結構的弱化以及開口孔隙和微裂隙的軸向交叉延伸,為凍融侵蝕創造了更加理想的作用環境,促進了凍融循環作用對巖石微裂隙和開口孔隙的擴展、延伸,從而使巖樣內部更快產生新的微裂隙。

2.2 初始損傷和凍融損傷耦合作用下巖石變形特性分析

為研究含初始損傷砂巖在凍融作用下其變形特征,進而分析含初始損傷砂巖在凍融作用下其彈性模量的變化規律,如圖4所示。

圖4 不同初始損傷砂巖彈性模量隨凍融周期擬合直線Fig.4 Line fitting of elastic modulus of sandstone with different initial damage with freeze-thaw period

在無初始損傷下巖樣的彈性模量在干燥、凍融循環 10、20、30、40 周期下分別為 4.89 GPa、4.83 GPa、4.80 GPa、4.61 GPa、4.44 GPa。 在干燥狀態下完整巖樣、初始損傷Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級的彈性模量為4.89 GPa、4.30 GPa、3.83 GPa、3.63 GPa、3.40 GPa。可見凍融循環作用對巖石彈性模量的劣化速率低于沖擊損傷對巖石彈性模量造成的影響,在兩者耦合作用下巖樣彈性模量大幅度下降,含Ⅳ級初始損傷砂巖在凍融循環作用下其彈性模量從4.44 GPa降低到2.71GPa,減小了39.0%。通過對彈性模量進行線性擬合,含無初始損傷、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級初始損傷巖樣的彈性模量隨凍融循環周期的擬合直線斜率分別為-0.011、-0.007 4、-0.004 1、-0.017 3、-0.017 6,斜率逐漸減小,擬合直線越來越陡,表明含損傷巖樣在凍融循環作用下其抵抗形變能力越來越差,強度越來越弱,塑性越來越強。

凍融損傷和沖擊損傷對巖樣自身剛度和強度會造成不同程度的影響,其原因是兩種損傷的破壞機制有所不同。在沖擊損傷和凍融損傷耦合作用時,巖樣的自身剛度和強度以及形變能力大幅度降低,表明了沖擊損傷會大幅度強化凍融循環作用對巖石自身結構和宏觀動力學性能的損傷破壞作用。

2.3 初始損傷和凍融損傷耦合作用下巖石宏觀力學參數分析

式中,As和 Ae分別為試樣和彈性桿的截面積;σI（t）、σR（t）和σT（t）分別為入射應力、反射應力和透射應力與時間t的函數;Ls為試件的長度;ρeCe為彈性桿的波阻抗。

通過式（1）～式（3）計算了含不同初始損傷巖樣的動態力學參數,見表2所示。

表2 含初始損傷砂巖在凍融作用下的動力學參數Table 2 Dynamic parameters of sandstone with initial dam age under freeze-thaw

對尚未進行凍融的巖樣進行峰值應力分析,觀察在不同初始損傷等級下巖樣峰值應力隨應變率的變化規律,如圖5所示。

隨著應變率的逐漸增加,在不同初始損傷階段下巖樣的峰值應力逐漸減小,并且通過圖5發現,無損傷巖樣和含損傷巖樣之間存在的應力降和應變率的增長跨度都比較大。由此表明了完整巖樣在經歷沖擊損傷之后,巖樣內部結構發生劣化,導致巖石的力學性能明顯弱化。

凍融循環作用下含初始損傷巖樣的峰值應力隨應變率的變化規律,如圖6所示。

如圖6（a）所示,巖樣在無初始損傷的自然狀態下隨著凍融循環周期的增加其峰值應力隨應變率的增加持續減小。在凍融循環10、20、30、40周期下,巖樣的峰值應力相對干燥狀態下分別降低了10.04%、13.75%、16.96%、34.71%,應變率增加了 9.53%、20.20%、27.90%、39.84%。如圖5所示,含Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級初始損傷的巖樣峰值應力相對于無損傷巖樣的峰值應力分別降低了33.56%、35.24%、39.95%、46.05%,應變率分別增加了 17.23%、24.16%、29.35%、34.38%。初始損傷和凍融作用分別對巖樣造成了宏觀力學性質的弱化影響,通過比較可看出凍融作用下巖石峰值應力的降低幅度稍弱于沖擊損傷對巖樣的弱化影響,但是凍融作用下巖樣峰值應力的降低速率稍強于沖擊損傷。由此進一步表明了沖擊損傷和凍融損傷對巖石細、微觀造成的損傷破壞機制有所不同,但兩個損傷作用均從宏觀上表現出了對巖石力學性能的明顯劣化。

圖5 不同初始損傷等級下巖樣峰值應力和應變率點線圖Fig.5 Point line diagram of peak stress and strain rate of rock sample under different initial damage levels

對圖6（a）中凍融循環作用下巖石峰值應力和應變率數據進行非線性擬合,發現在不同凍融周期下,巖樣的峰值應力與應變率呈現指數衰減,擬合函數為Expdec1,R2為95.9%,方程式為

式中,A1=-0.165 5,t1=-17.558 9,y0=53.611 4。

由圖6（b）～圖6（e）可見,隨著初始損傷等級的逐漸增大,巖樣在凍融循環作用下其峰值應力降低幅度逐漸增大。在Ⅲ級損傷、Ⅳ級損傷和凍融循環20、30、40周期耦合作用時,巖樣峰值應力出現了大幅度衰減。如圖6（b）～圖6（e）,初始損傷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級下,A1、t1、y0參量的值如表 3。

圖6 凍融循環作用下砂巖峰值應力與應變率擬合曲線Fig.6 Fitting curves of peak stress and strain rate of sandstone under freeze-thaw cycle

從表3可得到,從Ⅱ級損傷變量之后,t1參量逐漸增大,A1、y0參量逐漸減小。表明了初始損傷和凍融損傷耦合作用對巖石力學性能的劣化進一步增強,遠強于其中一個損傷作用獨自對巖樣破壞的影響,而且在兩者耦合作用下其擬合函數并未發生改變,并且擬合程度均比較高,因此沖擊損傷的存在進一步加深了凍融作用對巖石劣化的影響,加速了凍融循環作用的整個進程。

表3 不同初始損傷等級下擬合方程參量值Table 3 Parameter values of fitting equation under different initial damage levels

通過圖6（c）～圖6（e）的擬合曲線走勢可知,隨著損傷等級的逐級增加,巖樣的峰值應力與應變率的擬合曲線在凍融循環后期,曲線斜率的絕對值越來越大,凍融循環作用對含初始損傷巖樣的劣化影響越來越明顯。主要原因是沖擊加載試驗對巖樣瞬間進行軸向壓縮、切向拉伸,并且巖石拉伸強度均較低。因此沖擊損傷在細觀上表現出的是巖樣微裂隙和開口孔隙的軸向交叉延伸和擴展,以及促使巖樣沿晶體弱化面進行拉伸破裂。凍融循環作用對巖石是低周疲勞荷載,根據格利菲斯強度準則,凍融作用在巖石微裂隙、開口孔隙中形成的凍脹力會在裂隙尖端產生應力集中,從而導致巖石裂隙尖端持續擴展、延伸,形成新的微裂隙,致使巖石宏觀力學性能降低。沖擊損傷對巖樣的劣化影響是瞬間造成不可逆的損傷破壞,而凍融循環作用是具有長期性的侵蝕作用,由此寒區工程中爆破對周圍巖體造成不可逆的損傷破裂之后,也同時表明了巖體的強度將隨著凍融作用的影響遠超其之前凍融侵蝕速率加速下降,威脅礦山以及其他寒區工程項目常年施工的穩定性和安全性,降低了寒區礦山工程服役年限。

3 結 論

（1）在凍融循環作用下,含初始損傷巖石的縱波波速逐漸減小。巖石在沖擊損傷和凍融損傷耦合作用下其縱波波速在高損傷階段（Ⅳ級損傷和凍融循環20、30、40周期）平均降低了14.11%。沖擊損傷程度越高,砂巖的縱波波速隨凍融循環周期變化得越明顯。

（2）凍融作用是低周疲勞荷載,沖擊損傷作用具有瞬時性和強破壞性。巖石的彈性模量在凍融循環30、40周期分別降低了5.7%、8.9%,在Ⅲ、Ⅳ級沖擊損傷下分別降低了25.7%、30.4%,然而在兩者耦合作用下巖石彈性模量下降了40.6%、44.6%,巖石在兩種損傷的耦合作用下彈性模量下降幅度會越來越大,巖石的自身強度、剛度越來越弱,抵抗形變能力越來越差。

（3）在沖擊損傷和凍融作用下巖石的峰值應力隨應變率的變化均符合指數衰減函數。在沖擊損傷的加持下,凍融作用對巖石的峰值應力的劣化越來越明顯,最大可造成67.06%的強度弱化。沖擊損傷可增強凍融作用對巖石的劣化效果,但源于其自身的瞬時性和強破壞性,并不影響凍融作用對巖石的破壞機制。