泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

贾淯斐 王浩程 夏 冬,2,3 仝文慧 梁 冰,2

（1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210;3.河北省矿区生态恢复产业技术研究院,河北 唐山 063210）

我国寒区面积占国土面积的70%以上,在寒区蕴藏着丰富的矿产资源,随易采区矿产资源的日益减少,对寒区矿产资源的开发已提上日程[1]。在寒区露天矿开采过程中,边坡岩体除面临矿区生产产生的爆破扰动,还会面临寒区气候变化对其产生的冻融影响,而且冻融作用在动载扰动下对岩体损伤破坏过程中起着至关重要的作用[2]。因此,对冻融作用下含损伤岩石的宏观动力学性能的研究就显得十分必要。

寒区因昼夜温差较大形成的冻融作用对岩石的宏观力学特性影响较为严重,Chen、张继周、杜鹏、J.Eslami、A.Momeni、吴刚等[3-8]分析静载下岩石孔隙率、纵波波速、抗压强度、断裂韧性、弹性模量等物理力学参量与冻融作用的变化规律,表明了冻融侵蚀对岩石和岩体自身强度和稳定性的劣化影响。阎锡东、张惠梅等[9-10]基于冻融对岩石疲劳损伤的理论,通过分析冻融后岩石的应变形态以及荷载对岩样的损伤影响,建立了冻融损伤模型。在露天矿、隧道、公路等寒区工程基建和生产过程中,通过爆破等手段进行生产和建设是不可避免的,而且爆破能、机械冲击能不会全部作用于生产面上,会有一部分能量以应力波的形式向四周扩散,由此会对周围岩体或者建筑造成一定的损伤影响。因此,在寒区工程建设问题中,不仅要考虑冻融作用对岩石造成的劣化影响,还要研究动载荷对岩石的动力学特性影响。颜峰等[11]通过测量现场爆破声波,明确了岩石在遭受第一次爆破影响时造成的损伤大于多次爆破中单次爆破造成的损伤量;周科平、刘少赫、Li等[12-14]通过动力学试验,发现冻融后砂岩的峰值强度、弹性模量均有变化,并与静荷载下砂岩的强度变化有所不同;Ke等[15]借助NMR技术分析在动荷载下含冻融损伤岩石的微观结构演化规律,以及建立了以孔隙率为冻融损伤变量的衰减模型;张慧梅、杨念哥等[10,16]对黄砂岩在动荷载作用下的破坏形式和冻融周期进行分析探究,阐明了动荷载与冻融作用耦合后岩石损伤破坏规律。

综上所述,前人对冻融作用下岩石的力学特性以及损伤破坏演化的研究,更多关注在动载破坏方面,对处于冲击损伤和冻融损伤耦合作用下岩石宏观动力学性能的方面还有待进一步研究。基于此,为研究含初始损伤岩石在经历不同冻融循环后在爆破扰动、应力波冲击等作用下的宏观动力学特性,本项目以白砺滩露天煤矿北帮边坡泥质粉砂岩为研究对象,利用SHPB试验系统对完整岩样进行不同入射能的冲击加载试验,以获取含不同初始损伤的岩样,对冻融后的含初始损伤岩样进行冲击加载试验,旨在分析动荷载和冻融耦合作用对岩石动力学特性的影响规律,为寒区工程建设以及资源开发过程中的自然灾害防治工作提供参考。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

试验所用泥质粉砂岩均取自白砺滩露天煤矿北帮边坡,按照《工程岩体试验方法标准》（GBT 50266—2013）为标准,将砂岩加工成φ50mm×25 mm的标准岩样,使试样端面的平行度控制在0.02 mm以内。剔除外观存有瑕疵的试件,选取波速和质量相近且波速稳定的岩样,所选岩样如图1所示,其目的是为减小岩样的离散性,保证后续试验数据稳定且准确。得到泥质粉砂岩的基本物理平均参数如表1。

表1 粉砂岩基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of siltstone

图1 部分岩石试件Fig.1 Partial rock specimen

1.2 试验方法

在进行冻融试验之前,首先对岩样进行预损伤处理,其目的是使试样更符合实际矿区受工程爆破或工程扰动的岩石,然后根据《水利水电工程岩石试验过程》中冻融试验[17]的相关规定进行试验,以下即为试验全部流程:

（1）首先对岩样进行基本物理力学参数测定,剔除基本物理参数离散性较大和外观有明显缺陷的岩样。

（2）对岩样进行预制冲击损伤试验,试验结果表明岩样在入射幅值80～85 mV范围内破碎效果最好,则选择此范围的50%、60%、70%、80%入射幅值对岩样分别进行冲击损伤试验,由此确定初始损伤等级为I级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。

（3）进行冻融循环试验,岩样冻结温度为-20℃,融化温度为20℃,冻融循环1个周期为24 h,共计40周期。

（4）冻融循环试验结束,通过霍普金森压杆装置进行恒速下冲击破坏实验。霍普金森压杆装置是由氮气罐、冲击弹头、发射腔、入射杆、透射杆和吸收杆组成,如图2所示。

图2 霍普金森压杆试验系统Fig.2 Hopkinson compression bar test system

2 试验结果分析

2.1 冻融作用下含初始损伤砂岩纵波波速变化规律

岩样在经历冲击损伤实验之后进行40周期的冻融循环试验,对冻融后的岩样进行波速测定。得到了饱水、冻融循环10、20、30、40周期下岩样的纵波波速随初速损伤等级变化的演化规律,如图3所示。

图3 不同初始损伤下砂岩纵波波速和冻融周期点线图Fig.3 Point line diagram of longitudinal wave velocity and freeze-thaw cycle of sandstone under different initial damage

在饱水状态下,岩样的纵波波速随初始损伤等级的增加而逐渐降低,不同初始损伤等级下的纵波波速相比完整岩样分别降低了4.15%、5.85%、7.77%、8.29%,表明了冲击对岩样内部孔隙和裂隙造成了不同程度的破裂损害。完整岩样的纵波波速随冻融循环周期的增长而减小,不同冻融周期下的纵波波速相对于完整岩样分别降低了4.15%、6.22%、7.78%、10.88%。冻融循环作用对岩石的损伤机制为低周疲劳荷载[18],在冻融循环20、30、40周期下,含初始损伤岩样的纵波波速大幅度降低,初始损伤程度越高,冻融作用对岩样的损伤效果就越明显。出现此种现象的主要原因是对岩样逐级增加形成的冲击损伤,造成了岩样内部结构的弱化以及开口孔隙和微裂隙的轴向交叉延伸,为冻融侵蚀创造了更加理想的作用环境,促进了冻融循环作用对岩石微裂隙和开口孔隙的扩展、延伸,从而使岩样内部更快产生新的微裂隙。

2.2 初始损伤和冻融损伤耦合作用下岩石变形特性分析

为研究含初始损伤砂岩在冻融作用下其变形特征,进而分析含初始损伤砂岩在冻融作用下其弹性模量的变化规律,如图4所示。

图4 不同初始损伤砂岩弹性模量随冻融周期拟合直线Fig.4 Line fitting of elastic modulus of sandstone with different initial damage with freeze-thaw period

在无初始损伤下岩样的弹性模量在干燥、冻融循环 10、20、30、40 周期下分别为 4.89 GPa、4.83 GPa、4.80 GPa、4.61 GPa、4.44 GPa。 在干燥状态下完整岩样、初始损伤Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级的弹性模量为4.89 GPa、4.30 GPa、3.83 GPa、3.63 GPa、3.40 GPa。可见冻融循环作用对岩石弹性模量的劣化速率低于冲击损伤对岩石弹性模量造成的影响,在两者耦合作用下岩样弹性模量大幅度下降,含Ⅳ级初始损伤砂岩在冻融循环作用下其弹性模量从4.44 GPa降低到2.71GPa,减小了39.0%。通过对弹性模量进行线性拟合,含无初始损伤、Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级初始损伤岩样的弹性模量随冻融循环周期的拟合直线斜率分别为-0.011、-0.007 4、-0.004 1、-0.017 3、-0.017 6,斜率逐渐减小,拟合直线越来越陡,表明含损伤岩样在冻融循环作用下其抵抗形变能力越来越差,强度越来越弱,塑性越来越强。

冻融损伤和冲击损伤对岩样自身刚度和强度会造成不同程度的影响,其原因是两种损伤的破坏机制有所不同。在冲击损伤和冻融损伤耦合作用时,岩样的自身刚度和强度以及形变能力大幅度降低,表明了冲击损伤会大幅度强化冻融循环作用对岩石自身结构和宏观动力学性能的损伤破坏作用。

2.3 初始损伤和冻融损伤耦合作用下岩石宏观力学参数分析

式中,As和 Ae分别为试样和弹性杆的截面积;σI（t）、σR（t）和σT（t）分别为入射应力、反射应力和透射应力与时间t的函数;Ls为试件的长度;ρeCe为弹性杆的波阻抗。

通过式（1）～式（3）计算了含不同初始损伤岩样的动态力学参数,见表2所示。

表2 含初始损伤砂岩在冻融作用下的动力学参数Table 2 Dynamic parameters of sandstone with initial dam age under freeze-thaw

对尚未进行冻融的岩样进行峰值应力分析,观察在不同初始损伤等级下岩样峰值应力随应变率的变化规律,如图5所示。

随着应变率的逐渐增加,在不同初始损伤阶段下岩样的峰值应力逐渐减小,并且通过图5发现,无损伤岩样和含损伤岩样之间存在的应力降和应变率的增长跨度都比较大。由此表明了完整岩样在经历冲击损伤之后,岩样内部结构发生劣化,导致岩石的力学性能明显弱化。

冻融循环作用下含初始损伤岩样的峰值应力随应变率的变化规律,如图6所示。

如图6（a）所示,岩样在无初始损伤的自然状态下随着冻融循环周期的增加其峰值应力随应变率的增加持续减小。在冻融循环10、20、30、40周期下,岩样的峰值应力相对干燥状态下分别降低了10.04%、13.75%、16.96%、34.71%,应变率增加了 9.53%、20.20%、27.90%、39.84%。如图5所示,含Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级初始损伤的岩样峰值应力相对于无损伤岩样的峰值应力分别降低了33.56%、35.24%、39.95%、46.05%,应变率分别增加了 17.23%、24.16%、29.35%、34.38%。初始损伤和冻融作用分别对岩样造成了宏观力学性质的弱化影响,通过比较可看出冻融作用下岩石峰值应力的降低幅度稍弱于冲击损伤对岩样的弱化影响,但是冻融作用下岩样峰值应力的降低速率稍强于冲击损伤。由此进一步表明了冲击损伤和冻融损伤对岩石细、微观造成的损伤破坏机制有所不同,但两个损伤作用均从宏观上表现出了对岩石力学性能的明显劣化。

图5 不同初始损伤等级下岩样峰值应力和应变率点线图Fig.5 Point line diagram of peak stress and strain rate of rock sample under different initial damage levels

对图6（a）中冻融循环作用下岩石峰值应力和应变率数据进行非线性拟合,发现在不同冻融周期下,岩样的峰值应力与应变率呈现指数衰减,拟合函数为Expdec1,R2为95.9%,方程式为

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

由图6（b）～图6（e）可见,随着初始损伤等级的逐渐增大,岩样在冻融循环作用下其峰值应力降低幅度逐渐增大。在Ⅲ级损伤、Ⅳ级损伤和冻融循环20、30、40周期耦合作用时,岩样峰值应力出现了大幅度衰减。如图6（b）～图6（e）,初始损伤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级下,A1、t1、y0参量的值如表 3。

图6 冻融循环作用下砂岩峰值应力与应变率拟合曲线Fig.6 Fitting curves of peak stress and strain rate of sandstone under freeze-thaw cycle

从表3可得到,从Ⅱ级损伤变量之后,t1参量逐渐增大,A1、y0参量逐渐减小。表明了初始损伤和冻融损伤耦合作用对岩石力学性能的劣化进一步增强,远强于其中一个损伤作用独自对岩样破坏的影响,而且在两者耦合作用下其拟合函数并未发生改变,并且拟合程度均比较高,因此冲击损伤的存在进一步加深了冻融作用对岩石劣化的影响,加速了冻融循环作用的整个进程。

表3 不同初始损伤等级下拟合方程参量值Table 3 Parameter values of fitting equation under different initial damage levels

通过图6（c）～图6（e）的拟合曲线走势可知,随着损伤等级的逐级增加,岩样的峰值应力与应变率的拟合曲线在冻融循环后期,曲线斜率的绝对值越来越大,冻融循环作用对含初始损伤岩样的劣化影响越来越明显。主要原因是冲击加载试验对岩样瞬间进行轴向压缩、切向拉伸,并且岩石拉伸强度均较低。因此冲击损伤在细观上表现出的是岩样微裂隙和开口孔隙的轴向交叉延伸和扩展,以及促使岩样沿晶体弱化面进行拉伸破裂。冻融循环作用对岩石是低周疲劳荷载,根据格利菲斯强度准则,冻融作用在岩石微裂隙、开口孔隙中形成的冻胀力会在裂隙尖端产生应力集中,从而导致岩石裂隙尖端持续扩展、延伸,形成新的微裂隙,致使岩石宏观力学性能降低。冲击损伤对岩样的劣化影响是瞬间造成不可逆的损伤破坏,而冻融循环作用是具有长期性的侵蚀作用,由此寒区工程中爆破对周围岩体造成不可逆的损伤破裂之后,也同时表明了岩体的强度将随着冻融作用的影响远超其之前冻融侵蚀速率加速下降,威胁矿山以及其他寒区工程项目常年施工的稳定性和安全性,降低了寒区矿山工程服役年限。

3 结 论

（1）在冻融循环作用下,含初始损伤岩石的纵波波速逐渐减小。岩石在冲击损伤和冻融损伤耦合作用下其纵波波速在高损伤阶段（Ⅳ级损伤和冻融循环20、30、40周期）平均降低了14.11%。冲击损伤程度越高,砂岩的纵波波速随冻融循环周期变化得越明显。

（2）冻融作用是低周疲劳荷载,冲击损伤作用具有瞬时性和强破坏性。岩石的弹性模量在冻融循环30、40周期分别降低了5.7%、8.9%,在Ⅲ、Ⅳ级冲击损伤下分别降低了25.7%、30.4%,然而在两者耦合作用下岩石弹性模量下降了40.6%、44.6%,岩石在两种损伤的耦合作用下弹性模量下降幅度会越来越大,岩石的自身强度、刚度越来越弱,抵抗形变能力越来越差。

（3）在冲击损伤和冻融作用下岩石的峰值应力随应变率的变化均符合指数衰减函数。在冲击损伤的加持下,冻融作用对岩石的峰值应力的劣化越来越明显,最大可造成67.06%的强度弱化。冲击损伤可增强冻融作用对岩石的劣化效果,但源于其自身的瞬时性和强破坏性,并不影响冻融作用对岩石的破坏机制。