斜面沖擊下砂巖試件的孔隙度變化特征及力學機制

吳曉旭，路增祥, ，鄒旭，鄧哲，曹朋

(1.遼寧科技大學 礦業工程學院，遼寧 鞍山，114051；2.遼寧省金屬礦產資源綠色開采工程研究中心，遼寧 鞍山，114051)

巖石在沖擊荷載作用下的損傷、破碎特征及其機理是礦山開采和巖土工程等領域的基礎性研究內容[1]。巖石是一種天然非均質材料，其內部包含有大量的孔隙和裂隙，當受到沖擊荷載作用時常表現為孔隙度變化、裂紋產生、擴展和貫通[2-3]。目前，眾多學者在沖擊荷載作用下的巖石破壞特征、能量耗散及損傷程度等方面進行了大量研究。

東兆星等[4]利用SHPB 進行了大量沖擊試驗，得到了在沖擊載荷作用下巖石的四種破壞形式。胡柳青等[5]從損傷參量的分形特性出發，給出了巖石破壞后的損傷與沖擊能量之間的迭代關系式。楊更社等[6-7]采用CT掃描技術，研究了巖石細觀損傷演化特性和凍結速度對巖石損傷的影響，定義了以損傷面積作為損傷因子的損傷變量。夏昌敬等[8]通過對不同孔隙率的人造巖石進行沖擊實驗，分析了孔隙率對沖擊過程中能量耗散的影響以及巖石在臨界破壞時的能量耗散特征。HONG等[9]對三種不同巖石進行了沖擊試驗，發現應變率越大，巖石的動態強度越大。李夕兵等[10]通過一維動靜組合加載下巖石沖擊破壞試驗，得出了巖石抗沖擊強度大約在靜載強度為60%時達到最大值。入射能較小時，巖石吸能緩慢；入射能較高時，巖石會快速吸能。王澤東等[11]分析了在不同圍壓下砂巖受沖擊荷載作用的破壞變形過程與破壞形態。金解放等[12]對砂巖試件進行不同靜載的循環沖擊試驗，研究了破壞模式并探索其破裂機理。ZHU等[13-14]通過數值模擬方法，闡明了巖石在動靜荷載作用下的破壞機理。朱晶晶等[15]通過分析花崗巖在單軸循環沖擊下的力學特性及能量吸收規律，發現隨著沖擊載荷循環次數增加，花崗巖的變形模量逐漸變小，試件的屈服應變增加，峰值應力降低。ZHOU等[16]研究凍融循環下巖石的微觀損傷演化過程，發現了孔隙率和凍融循環次數對巖石力學特性的影響規律。唐禮忠等[17]對矽卡巖進行了靜載和循環沖擊共同作用的加載試驗，發現巖石具有疲勞損傷特性，應力-應變曲線呈現回彈和不回彈2種特性。劉海峰等[18]分析了沖擊速度和內部粗骨料含量對混凝土力學性能的影響。李曉鋒等[19]通過分離式霍普金森壓桿實驗，并結合晶體離散元方法，得到了巖石的破壞形態隨應變率增加呈現出由完整型向劈裂破壞、粉碎性破壞轉化的現象。MILLON 等[20-21]研究發現，應變率影響著巖石的強度、破碎特征和能量耗散特性。GONG等[22]對煤巖組合體進行了沖擊試驗，發現組合體的吸收能和破碎程度隨著加載速率增加而逐漸增大。郝家旺等[23]對磁鐵礦試件進行了不同沖擊速度下的動載試驗，得到了礦石軸向與環形裂紋產生的原因。武仁杰等[24]通過對層狀巖石進行動態壓縮試驗，得出了同一層理傾角試樣受沖擊時沖擊速度、塊度平均粒徑和破碎程度之間的關系。甘德清等[25]采用落錘沖擊試驗裝置，分析循環沖擊下磁鐵礦石的損傷特征。

以上所有的沖擊實驗均基于沖擊力的方向與受沖擊面垂直這一傳統沖擊實驗方法，即正沖擊試驗，但實際工程中，沖擊力與受沖擊面不垂直的斜沖擊現象也普遍存在，如，礦山溜井卸礦時運動礦巖對溜井井壁的沖擊、噴丸除銹時鋼丸對待處理工件表面的沖擊以及風沙地區風沙對建筑物表面的沖擊等，均呈現出沖擊力方向與受沖擊面斜交的狀態。目前針對斜沖擊的情況研究較少，本文作者采用一種模擬斜沖擊的實驗裝置，對砂巖試件進行斜沖擊試驗，采用低場NMR巖心分析測量系統，研究試件在斜沖擊下的孔隙度變化特征及其機理。

1 砂巖試件的斜沖擊試驗

1.1 試驗原理與方法

1) 試驗原理。模擬斜沖擊的試驗系統由落錘沖擊試驗機、剛性傳力裝置和試件共同組成，剛性傳力裝置承擔向試件傳導沖擊力的作用，如圖1所示。模擬斜沖擊實驗系統的主要原理是：剛性傳力裝置與試件的結合面、結合面與沖擊力間的幾何關系反映了斜面沖擊的力學特征與沖擊狀態；落錘產生的沖擊力通過剛性傳力裝置的傳遞，使沖擊力作用于砂巖試件的上端斜面，實現了正沖擊向斜沖擊的轉化；當落錘產生的沖擊力作用于剛性傳力裝置并通過其向試件傳遞后，在試件的反作用力作用下，剛性傳力裝置向外彈出，實現了與試件的分離，模擬了斜沖擊的反彈效果。

圖1 斜面沖擊試驗裝置Fig.1 Oblique impact test device

2) 試驗方法。為準確測出砂巖試件內部的孔隙度及其變化特征，試驗采用MacroMR12-150H-I型大口徑核磁共振成像分析儀，測量試件內部的孔隙率、T2譜圖及內部孔隙NMR成像。在斜沖擊試驗前，將試件浸沒水中靜置24 h 后取出，放入ZYB-II 型真空飽和壓力裝置中加壓飽水12 h，飽水過程中，壓力保持在15 MPa。為防止試驗過程中水分揮發，擦拭試件表面多余水分，并包裹一層保鮮膜。然后，將包裹好的試件放入低場NMR巖心分析測量系統中，先測量出試件原始狀態下的內部孔隙率和T2譜圖，然后進行內部孔隙NMR成像。

烘干試件內部水分，將試件與剛性傳力裝置組合成受沖擊體，采用JZ-5011型落錘沖擊試驗機進行落錘沖擊試驗(如圖1 所示)。沖擊后，對試件重新飽水，進行沖擊后的砂巖試件孔隙度、T2譜圖的測量和內部孔隙成像，觀察試件的孔隙度變化情況。

1.2 試件制備

選用單軸抗壓強度為76.98 MPa 的砂巖試件，按表1給定的尺寸，將試件一端加工成斜面，如圖2 所示。為便于進行孔隙度變化規律的探索研究，斜面角α按等差序列選取。試件按斜面角α分為5組，每組3個，共15個試件。為2 m。

表1 試件尺寸Table 1 Specimen dimensions

圖2 試件尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen dimensions

2 斜面沖擊下試件孔隙度變化特征

2.1 斜沖擊的力學機制

圖3所示為斜面沖擊受力示意圖。若以F代表落錘產生的沖擊力，則作用在斜面上的沖擊力可分解為

式中：FN和Fτ分別為作用在試件斜面法向和沿試件斜面方向上的沖擊力分量。

可見，作用在試件斜面法向和沿斜面方向上的沖擊力分量隨斜面角α變化而變化。

從圖3 可知：沖擊力分量FN是造成試件產生損傷的主要原因，這也是斜沖擊對試件造成的損傷要小于正沖擊的主要原因。

圖3 斜面沖擊受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of inclined plane impact force

2.2 孔隙度變化特征

孔隙度是反應巖石內部孔隙結構變化的重要參數之一[26]。為減小試件個體差異影響，利用孔隙率變化公式[27]對斜沖擊前后試件內部孔隙度變化特征進行標定：

式中：δn為試樣沖擊前后的孔隙度變化率；na為試樣原始孔隙度；nb為試樣受沖擊后的孔隙度。

以直徑×長度為50 mm×100 mm 砂巖標準試件的正沖擊試驗為對照組，進行5 組斜面角共15 個試件的斜沖擊試驗，得到砂巖試件在沖擊前后的孔隙度變化如表2所示。由于試驗環境限制，試驗中每次沖擊的落錘錘體總質量為9.5 kg，提升高度

表2 沖擊前后試件孔隙度變化特征Table 2 Variation characteristics of porosity of specimen before and after impact

從表2可以看出：在相同沖擊力下，試件內部孔隙度均有不同程度的降低，但孔隙變化率為負值，說明試件內部孔隙減小，孔隙被壓縮，孔隙總體積減少；標準試件沖擊后孔隙度增加，說明試件內部產生裂紋擴展或產生了新的裂紋，使孔隙數量或體積增大。在不同斜面角下，試件受沖擊后孔隙平均變化率均為負值，試件的孔隙變化程度由高到低依次為60°，55°，50°，45°，40°，沖擊力對斜面角為50°，55°和60°試件的孔隙度影響較大。由斜沖擊的力學機制可知，在相同沖擊力作用下，隨著斜面角增加，作用在斜面法向方向的分量逐漸減小。在實驗條件下，試件孔隙變化率隨著斜面角增加而增大，造成這種現象的原因是試件受沖擊后孔隙壓密和發育現象均有發生，但小傾角試件受沖擊后內部孔隙發育量占比大于大傾角試件內孔隙發育占比，小傾角試件總體孔隙變化率小于大傾角試件總體孔隙變化率。

對比標準試件，相同沖擊力下的斜沖擊對試件造成的孔隙度變化明顯比正沖擊的小。其機理在于：斜沖擊時，沖擊力與受力面之間存在一定的角度，作用在試件上的沖擊力實質上為正沖擊時的沖擊力的一個分量，其值小于正沖擊時的沖擊力。

2.3 孔隙變化機理

核磁共振T2譜圖中孔隙分布曲線可以直觀表達出試件內部的孔隙變化信息。弛豫時間與孔徑成正比，孔徑越大則弛豫時間越長，孔徑越小則弛豫時間越短。曲線峰值反映了相應孔徑下孔隙的數量，峰值越高，相應孔徑、孔隙的數量越多[28-29]。

按弛豫時間將試件的內部孔隙分為3 個等級[30]，即小孔隙(弛豫時間為0～10 ms)、中孔隙(弛豫時間為10～100 ms)、大孔隙(弛豫時間大于100 ms)。對比不同斜面角度下試件受沖擊前后的T2譜(圖4)，可以看出試件在沖擊前，其內部小孔隙最多，伴有較多中孔隙，大孔隙數量較少。斜沖擊試件的孔隙分布曲線有2個主要峰值：砂巖試件在沖擊前的總體弛豫時間值集中在0～1 000 ms內，第一個峰值位于0～10 ms 內，在0.5 ms 附近，主要為小孔隙；第二個峰值位于10～100 ms 內在30 ms附近，主要為中孔隙，試件初始內部孔隙小孔隙最多，中孔徑較多，大孔隙較少；兩個波峰間的峰值幅度有所降低但不為0，試件連續性較好。

圖4 不同斜面角下試件的T2譜變化圖Fig.4 Variation of T2 spectrum of specimen at different oblique angles

從圖4可以發現，試件內部可分為3個破壞階段：孔隙壓密階段、原生裂紋擴展階段和新裂紋產生階段。孔隙壓密階段的弛豫時間集中在0.1～1 ms 和5～500 ms 之間，原生裂紋擴展階段和新裂紋產生階段的弛豫時間集中在1～5 ms 和大于500 ms 之間。結果表明弛豫時間與孔隙的孔徑成正相關[28-29]，即孔徑越大，弛豫時間越長；孔徑越小，弛豫時間越短。

從圖4還可以發現：5種斜面角的砂巖試件中，40°～60°試件的T2譜圖孔隙分布曲線第一峰值降低，試件內小孔隙數量減少；40°～55°試件T2譜圖孔隙分布曲線第二峰值降低，試件內部中孔隙數量有所降低；60°試件T2譜圖孔隙分布曲線第二峰值較沖擊前沒有明顯變化，但此時曲線末端較沖擊前相比略微降低。而標準樣受沖擊后出現三個峰值，且孔隙分布曲線第一峰值降低，第二、第三峰值增加，試件內部小裂隙被壓實或小裂隙發育成為中孔隙和大孔隙，并且有貫通裂紋產生。試件在斜沖擊后主要為內部孔隙壓密，正沖擊后試件內部孔隙被壓密、原生裂紋發育和新裂紋產生等現象均有發生。這一結果進一步證實了曲線峰值與孔隙的孔徑的相關性[30]。

2.4 孔隙分布特征

為更好地觀察試件內部孔隙度的變化情況，以圖2中基準面為中心面對試件沖擊前后進行核磁共振成像。以斜面角為45°的試件為例(如圖5 所示)，成像底色為藍色，綠色斑點代表試件內部含水孔隙，斑點面積越大或者斑點變為黃色、紅色說明該區域孔隙數量較多或孔隙尺寸較大。

圖5 試件沖擊前后NMR成像對比圖Fig.5 Comparison of NMR images before and after impact

對比圖5(a)和圖5(b)可知，沖擊前試件豎向中心線部分斑點較密集，其他分布較均勻，表明試件無明顯的裂紋存在；試件部分區域為黃色和紅色斑點，該區域含水較多、孔徑較大，與其他位置相比孔隙度較大。沖擊后試件內部紅色、黃色和綠色斑點減少，沒有明顯的條帶狀斑點產生，表明試件在受沖擊后內部孔隙被壓密，但沖擊力沒有達到使試件產生明顯裂紋的程度。

對比圖5(c)和圖5(d)可知，標準樣在受沖擊后，試件內有明顯的條帶狀斑點產生，每張圖片均有條帶狀斑點，并且條帶狀斑點位置大致相同，除裂紋處以外其他部位藍色斑點增多，試件內部小孔隙被壓實，大孔隙增加，產生了明顯的貫通裂紋。試件產生了明顯的塑性變形。

對比2種沖擊模式下沖擊前后試件的成像圖可以發現，在相同沖擊力作用下，斜面試件受沖擊后，其內部的綠色斑點密度降低，孔隙數量減少，孔隙被壓密，但標準試件沖擊后產生了貫通裂紋損傷，沖擊對標準試件內孔隙的影響遠大于對斜面試件內孔隙的影響。產生這一現象的主要原因是斜面角的存在降低了作用在試件上的沖擊力。

3 結論

1) 采用剛性傳力裝置，實現了落錘沖擊由正沖擊向斜沖擊的轉變，對于研究斜沖擊下試件的變形破壞特征與機理提供了有效方法。

2) 斜沖擊后試件內部孔隙均有不同程度減少，試件內部孔隙被壓密。在相同沖擊力下，標準試件內部孔隙度有所增加，而斜面試件的孔隙度降低，斜面角弱化了作用在試件上的沖擊力，因而斜沖擊對試件的損傷小于正沖擊。

3) 在相同沖擊力作用下，沖擊力對斜面角為50°，55°和60°的試件的平均孔隙度影響較大，斜面角越大，試件受沖擊后其內部孔隙度的變化也越大。

4) 砂巖試件在斜沖擊作用下，其內部存在3個破壞階段，即孔隙壓密階段、原生裂紋擴展階段和新裂紋產生階段。

5) 砂巖試件在斜沖擊前后的弛豫時間范圍變化不大，孔隙度曲線的第一峰值、第二峰值均降低，落錘沖擊力作用在試件斜面法向方向上的分量造成了試件內部孔隙發生閉合，試件被壓密。

6) 在斜沖擊下，沖擊力對試件的損傷較小。分析砂巖試件斜面沖擊前后的核磁共振成像圖發現，試件中孔隙的斑點比沖擊前有所減小，沖擊后沒有明顯的條帶狀斑點產生，砂巖內部的孔隙數量減少，孔隙尺寸有所減小，且沒有產生明顯裂紋。