凍結砂巖爆破破巖的能量耗散特性

摘要： 為探究凍結巖體的沖擊力學性能，并提出寒區爆破開挖工程中合理的爆破炸藥單耗，針對寒區典型分布的砂巖，采用室內分離式霍普金森壓桿試驗與理論分析相結合的方法，開展了凍結砂巖沖擊力學性能及爆破破巖能量耗散特性研究。結果表明： （1） 凍結狀態砂巖的動態抗壓強度和動態彈性模量相比常溫狀態整體有所提升，而應變峰值整體有所下降。對比靜載與動載試驗結果，相同物理參數下，砂巖的抗壓強度差距不大，而動態彈性模量明顯高于靜態彈性模量。（2） 常溫狀態砂巖和凍結狀態砂巖試件的耗散能量均隨含水率的增大而逐漸減低，且凍結狀態砂巖的耗散能量高于常溫狀態。相比常溫狀態，凍結砂巖在含水率為0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω 時，其耗散能量增幅分別為21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。（3） 相同含水率下， 凍結狀態砂巖的炸藥單耗均高于常溫狀態， 在含水率為0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω 時，凍結狀態砂巖爆破炸藥單耗相比常溫狀態分別增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。（4） 將常溫與凍結狀態砂巖爆破炸藥單耗數值進行擬合，得到不同狀態砂巖爆破破巖的單耗修正模型，可為寒區爆破工程提供參考。

關鍵詞： 凍結巖體；動力沖擊；爆破破巖；能量耗散；炸藥單耗

中圖分類號： O383 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

在爆破過程中，巖體本身的狀態和力學性質是影響爆破效果的關鍵。寒區的巖體表層由于低溫環境而形成凍結圈，導致巖體的物理力學性質和結構特征發生顯著變化。在寒區表層進行巖體爆破開挖時，往往面臨凍結巖體爆破難度大、炸藥單耗高等工程問題。因此，開展凍結巖體的沖擊動力性能研究，提出凍結巖體合理的爆破炸藥單耗，對寒區的爆破開挖工程具有重要意義。

目前，學者們對凍結巖石的力學性能已經進行了相應的研究，在凍結后溫度、含水率、凍脹等因素對巖石本身性質的影響機制等方面取得了較多的成果[1-2]。He 等[3] 通過直接拉伸、單軸抗壓和三點彎曲斷裂試驗研究了沙溪廟凍結砂巖的相關力學參數，結果表明，低溫下砂巖的抗壓強度、斷裂韌度均高于常溫狀態，且低溫抑制了巖石的塑性變形。Zhang 等[4] 對不同圍壓下的凍結砂巖進行了三軸加載分析，發現加大圍壓和降低溫度均能夠提升砂巖的強度。Wang 等[5] 研究了不同溫度下飽和巖石的力學特性和斷裂模式，并提出了預測巖石強度隨溫度變化的理論模型。宋勇軍等[6] 對常溫和凍結狀態的紅砂巖進行了單軸加載試驗，并通過CT （computed tomography）實時掃描探究了其力學特性及損傷演化機理，試驗發現，隨著溫度降低，巖樣內部的結冰量增加，巖石的強度增大，抗變形能力增強，損傷程度降低。劉慧等[7]利用Cannny 算子對凍結巖石的CT 圖像進行了檢測，提出了細觀結構特征參數的計算公式，對凍結巖石不同截面的裂隙參數變化規律進行了定量分析。夏才初等[8] 對巖石凍脹后的物理參數進行分析，得到了巖石凍脹率的修正計算方法。

近年來，隨著動載試驗技術手段的進步，巖石的動力學性能研究逐漸得到發展。Cai 等[9] 通過分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）的拉伸和壓縮試驗確定了泥板巖的動態力學參數，并使用高速攝影機拍攝發現巖石試樣在沖擊過程中產生周圍均勻變形破壞。Chen 等[10] 通過在巖石試樣中設置半圓彎形缺口，研究了SHPB 沖擊過程中巖石的斷裂韌性、斷裂速度及斷裂擴展性等參數，開發了可計算斷裂速度和能量的激光間隙計，并在勞倫花崗巖上進行了驗證。李二兵等[11] 利用材料強度-應變率依賴模型，匹配SHPB 試驗結果，提出了計算不同圍巖壓力下鹽巖強度的動態公式。王健等[12] 利用SHPB 試驗裝置，在不同圍壓作用下，從應力、延性以及力學行為等方面對鹽巖和泥巖的動態力學特性進行了對比研究。賈蓬等[13] 利用SHPB 研究了不同飽和度及凍融循環次數下砂巖的動態力學性能，并分析了砂巖的凍融損傷劣化機制。除了運用SHPB 試驗裝置進行動力學試驗，姜亞成等[14] 以寒區隧道為工程背景，以不同凍融循環次數下含Ⅰ型裂隙的隧道模型試件為研究對象，采用大尺度落錘裝置進行沖擊試驗，結合有限元模型計算動態起裂韌度，同時采用掃描電鏡研究了凍融循環對巖石的損傷機制。

爆破工程中炸藥與巖石參數之間的匹配是提高炸藥能量利用率的重要問題。而動載作用下巖石內部的能量轉移、轉化過程是巖石變形破壞的本質。從能量角度分析巖石的變形破壞規律，建立巖石能量變化與變形破壞之間的聯系，更接近巖石的變形破壞本質[15]。張文清等[16] 對不同應變率下的煤和巖石樣品進行了SHPB 沖擊試驗，發現隨著沖擊載荷率的增加，煤和巖石的破碎能耗密度增大。張廣輝等[17]在多級循環加載條件下研究了傾斜煤巖的能量耗散特性和損傷演化過程，建立了煤巖沖擊過程中相應的損傷演化方程。李少華等[18] 探究了紅砂巖在不同入射能條件下的巖石破碎及能量利用情況，對如何高效利用沖擊能進行了分析。王宇等[19] 通過控制SHPB 試驗系統的沖擊氣壓，研究了頁巖在不同氣壓梯度循環沖擊作用下的動力響應特征和能量耗散特性。

基于以上認識，凍結狀態下巖石的沖擊力學性能還有待進一步探索，且巖石的含水率以及水分凍結產生的凍脹效應是影響凍結巖石力學性能的重要因素。研究凍結巖體在沖擊作用下的能量耗散特性，并提供相應的爆破炸藥單耗，能夠進一步優化寒區爆破工程的施工工藝。為此，本文中，針對寒區典型分布的砂巖，采用室內SHPB 試驗與理論分析相結合的方法，開展凍結砂巖的沖擊動力性能及爆破破巖能量耗散特性研究；結合柱狀炸藥破巖能量分布的理論解析，構建凍結砂巖沖擊及爆破破巖能量耗散等效的炸藥單耗模型。