实时低温条件下露天矿饱和损伤煤系砂岩动态力学特性及其破坏机制

2022-04-02陈彦龙崔慧栋刘福明张连英

煤炭学报 2022年3期

陈彦龙，崔慧栋，李明，浦海，刘福明，张连英

(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116；3.新疆天池能源有限责任公司，新疆昌吉 831100；4.徐州工程学院土木工程学院，江苏徐州 221018)

随着东部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤炭开发重心逐步向西部转移，新疆成为我国重要的能源接替区和战略能源储备区。新疆地区约50%的煤炭探明储量具备露天开采条件，其中多数露天煤矿都地处高寒地区，特别在局部富水区域，边坡岩体处于含水饱和状态，在低温环境中发生冻结后，会对因爆破、开采扰动等已产生损伤的岩体的宏微观结构产生影响，同时也会进一步劣化岩体的力学性能，诱发边坡失稳等地质灾害。

工程岩体产生变形、失稳、破坏等过程，常以水为主要诱导因素。岩石浸水后，内部的黏土矿物颗粒发生膨胀，易溶于水的矿物成分被溶解，进而影响宏观的物理力学特征，以煤系岩层为代表的沉积岩，上述变化会更加明显。同时，低温是影响含水岩石力学特性的重要环境因素，当温度降到0 ℃以下后，水会由液相水变为固相冰，体积增长导致岩石内部微观结构特征发生变化。当含水率在一定范围内，由于颗粒收缩以及孔隙冰的承载，低温冻结会对岩石的力学性能产生强化效应；但当含水率超过一定范围时，水分在冻结区的迁移和积累，岩石表现为冻胀作用，其物理力学特性显著劣化。目前，针对低温环境下岩石静态力学特性的研究成果较为丰富，学者们对不同类型岩石的力学特性参量随温度与含水率的变化规律进行了系统研究，如破坏强度、弹性模量、宏观破坏特征等。

随着寒区岩土工程的增多，低温环境下岩石动态力学特性方面的研究日益增多。如陈世宫通过SHPB冲击和核磁共振试验，研究了岩石的各项动力学参数与负温的变化规律，并且通过数值模拟研究了冻结砂岩的损伤演化过程；WENG等研究了干燥和饱水粉砂岩在低温状态下的动态力学特性，揭示了该过程中砂岩的能量耗散机制；李宏岩等通过SHPB试验分析了砂岩动态力学参数随温度和应变率的变化规律，表明了温度是影响砂岩破坏的重要因素之一；王建国等研究了饱水冻结花岗岩动力学特性的应变率效应，利用耗散能表征的损伤变量值判断岩石的破碎程度。除宏观力学特性之外，有学者还利用细观观测以及构建理论模型等手段研究低温冻结作用下岩石细观与微观的破裂机制。如YANG等研究了低温冻结砂岩的动态拉伸性能，并通过扫描电镜技术揭示了该过程中拉伸破裂的机理；闻名等研究了砂岩在低温和动载耦合作用下破坏的断口形貌，从微观角度分析了砂岩裂纹扩展规律及破坏机理；杨阳等通过SEM扫描试验，研究了在应力波作用下饱水冻结红砂岩的微观破裂机制。

笔者以相关研究为基础，以新疆某露天矿的煤系砂岩为研究对象，以该矿所在地区冬季平均温度-20 ℃作为试验温度条件，利用低温分离式霍普金森压杆试验系统，对初始损伤处理的煤系砂岩开展饱和含水状态下的实时低温冲击加载试验，并借助扫描电镜试验系统，对冲击载荷下冻结砂岩力学性能及细观断裂机理进行系统研究，以期为寒区露天煤矿开采、类似岩土工程的施工及岩土体防护设计提供参考。

1 试样制备与试验方案

本次试验为初始损伤条件下的饱和煤系砂岩的实时低温冲击压缩试验。试验分为3个阶段：首先，对标准砂岩试样进行初始损伤处理；其次，将损伤岩样切割为圆盘试样并进行饱和处理；最后，开展饱和损伤岩样的实时低温冲击加载试验。

1.1 饱和损伤砂岩试样的制备

..标准试样制备

试验所用砂岩取自新疆某露天煤矿，砂岩表面呈暗红色，断口颗粒细小且质地坚硬，通过X射线衍射测试，该砂岩的主要成分为：石英(63.3%)、白云母(27.6%)、高岭石(3.9%)、硼白云母(2.5%)、蒙脱石(2.7%)。按照国际岩石力学学会建议，通过取心、切割和打磨等工序，将所取岩样加工为圆柱型标准试样(直径50 mm×高100 mm)，试样两端面平整度(尺寸误差≤0.05 mm)、平行度(尺寸误差≤0.02 mm)及端面与试件轴线垂直度(尺寸误差≤0.1°)均符合试验标准。试样加工完后，利用超声波检测仪，对试样的纵波波速进行测试，选择波速相近的试样作为试验试样。标准试样的基本物理力学参数见表1。

表1 砂岩标准试样物理力学特性参量

..试样初始损伤处理

利用万能试验机对试样进行初始损伤处理。首先，确定初始损伤的加载应力；其次，按照初始损伤的加载应力进行试样的加载与卸载试验；最后，对初始损伤处理的试样开展压汞试验，确定试样的初始损伤值。

根据试验结果，砂岩试样的单轴抗压强度=27.21 MPa，其对应的加载载荷=53.4 kN。本试验设置了4组加载载荷：0%(0 kN，无损伤)，50%(26.7 kN)，60%(32.0 kN)，70%(37.4 kN)。制备初始损伤试样的试验加卸载路径如图1所示。

图1 制备初始损伤试样的试验加卸载路径Fig.1 Loading and unloading path in the experiment of initial damage specimens

通过超声波检测仪对加载试样进行纵波波速测试，每组加载条件下选择波速相近的试样5～6块备用。通过定量加载试验之后，每组取一块试样进行压汞测试，以未加载试样为基准，以孔隙度为指标，分别获得了不同初始加载载荷下砂岩的损伤值，见表2。表2中，为试样单位质量内的压汞量；为试样单位质量的孔面积；为试样的平均孔径。

表2 不同加载条件下试样孔隙度及损伤值

..试样含水饱和处理

利用线切割机床设备将具有初始损伤的标准试样加工为直径50 mm、高度25 mm的圆盘试样。之后对圆盘砂岩试样进行饱和处理：首先将试样在干燥箱中进行干燥处理，以此来消除钻芯取样、线切割加工等过程中造成的试样含水不均；然后对干燥的试样进行完全饱和处理。具体流程：① 干燥处理。将试样放置在DHG9076电热恒温干燥箱中，并设置烘干温度为105 ℃，在此温度下连续烘干24 h。烘干24 h之后对试样每隔1 h称重一次，直至2次的质量差小于0.02 g，然后将试样密封保存。② 饱和处理。将干燥后的试样放到真空负压抽气装置中，先进行气压为-0.09 MPa的6 h真空抽气处理，然后依靠密封罐中的负压作用向其中注入蒸馏水，待蒸馏水液面高过试样后，停止注水；待试样浸泡6 h后，每隔半小时吸干试样表面水分，对试件进行称重，至2次的质量差小于0.02 g，即认为试样已达到饱和状态。

损伤砂岩试样制备及含水饱和处理过程如图2所示。

图2 损伤砂岩试样制备及含水饱和处理Fig.2 Damage and saturation treatment process of sandstone specimens

1.2 实时低温冲击加载试验系统与试验原理

砂岩实时低温冲击加载试验采用实时低温分离式霍普金森压杆(Low Temperature Split Hopkinson Pressure Bar，LT-SHPB)试验系统，如图3所示。试验系统由低温加载系统、冲击加载驱动系统、压杆系统、数据采集及处理系统、能量吸收系统五大部分组成。

低温加载系统为试样冲击加载过程中提供实时低温环境荷载，包括低温控制仪、液氮容器、电热丝、低温传感器以及低温环境室5个部分。其中，低温环境室内保温层为硅酸铝针刺毯材质，具有良好的保温效果，能够维持最低环境温度达-50 ℃。试验过程中，容器中液氮在热电偶的作用下汽化为氮气，流入低温环境腔，当低温传感器检测到环境室内温度达到预设值时，电热丝停止工作，此过程由电磁阀自动控制；而当环境室内温度在试验过程中高于设定温度时，热电偶可以自动重新启动。测试表明，环境室内的温度能够稳定保持在试验设定温度，温差在±0.2 ℃以内。

除低温加载系统外，其余四大系统的组成及功能与常规SHPB试验系统相同。试验过程中，首先按试验方案，将试样安装在入射杆与透射杆之间，通过低温加载系统将低温环境室加载到试验设定温度，保持2 h；然后按冲击加载方案，进行冲击加载试验。

冲击加载过程中，高压氮气驱动撞击杆撞击入射杆，产生入射波，沿入射杆传至试样处。部分入射波被反射回入射杆形成反射波，另外一部分透过试样传递至透射杆形成透射波。此过程中，压杆应变信号通过应变片采集传输至超动态应变仪，最后被保存至数据采集与处理系统。

图3 实时低温环境的分离式霍普金森压杆试验系统示意Fig.3 Real-time low temperature environment split Hopkinson pressure bar test system

(1)

式中，为应力波在压杆中的传播速度，m/s；ε()，()，()分别为入射波、反射波以及透射波的应变信号；为压杆弹性模量，GPa；为压杆横截面积，cm；为试样横截面积，cm；为砂岩试样原始长度，m。

1.3 饱和损伤砂岩实时低温动态力学特性试验

根据取样矿区冬季平均气温，本次试验温度设定为-20 ℃。试样初始损伤值为4组：0，10.59%，24.59%，50.26%。以撞击杆的速度作为冲击加载条件，共设计4组：3.5，4.0，4.5，5.0 m/s。试验过程中，以损伤值与冲击速度作为变化因素，开展两因素的正交试验。

冲击试验需满足一维应力传播假设和均匀性假设。试验过程中，利用橡胶片作为波形整形器，试验波形如图4所示。从图4可以看出，入射波、反射波与透射波3组波形均为半正弦形式波形，波形光滑且未出现横向震荡，试验满足一维应力传播假设；同时，入射波峰值前历时较长，能够为试样两端及内部达到应力均匀提供足够的调整时间。对试验波形的应力均匀性进行检验，如图5所示，可以看到，入射波与反射波叠加波形与透射波基本重合，反映出试验满足应力均匀性假设。

图4 冲击加载过程典型试验波形Fig.4 Typical test waveform during impact loading test

图5 冲击试验应力均匀性假设验证Fig.5 Verification of test stress uniformity hypothesis

2 冻结损伤砂岩宏观动态力学特性响应特征

2.1 动态全应力-应变曲线

通过冲击加载试验，得到了不同初始损伤的饱和冻结砂岩在不同冲击速度下的全应力-应变曲线，以及一定冲击速度(3.5 m/s)下各初始损伤砂岩的动态应力-应变曲线；同时根据曲线特征，对全应力-应变曲线进行了阶段划分，如图6所示。

根据图6(f)，高应变率载荷作用下，低温冻结砂岩变形表现出4个典型阶段：(Ⅰ)压密阶段，该阶段曲线呈“下凹”特征，砂岩内部孔隙等缺陷在压缩应力波的作用下逐渐闭合；(Ⅱ)线弹性变形阶段，该阶段曲线近似呈直线特征，试样应力随应变快速增加，该阶段斜率为砂岩的动态弹性模量；(Ⅲ)塑性变形阶段，该阶段曲线呈“上凸”特征，砂岩内部裂隙、孔洞等缺陷快速发育，应变快速增长，而应力增加速度逐渐降低，该阶段的起点为砂岩变形屈服点，对应的坐标(，)分别为动态屈服应变与动态屈服应力，终点为砂岩变形峰值点，对应的坐标(，)分别为动态峰值应变与动态峰值应力(抗压强度)；(Ⅳ)峰后阶段，该阶段砂岩应力随应变的增大以直线形式快速减小，由于该阶段砂岩试样处于卸载阶段，试样已从压杆处脱离，因此一般不讨论。

从图6(a)～(e)可以看出，初始损伤与冲击强度的变化均显著改变砂岩的动态力学特性参数，并且随着初始损伤及冲击速度的增大，其塑性变形阶段均呈现出显著的增大特征。但值得注意的是，压密阶段在大多数曲线中表现的并不明显，这主要与砂岩内部裂隙被冻结冰完全填充有关。

2.2 动态力学特性参量的变化规律

根据砂岩动态全应力-应变曲线，得到了不同初始损伤及冲击速度下冻结砂岩的力学特性参量，包括动态抗压强度(峰值强度)、动态弹性模量、峰值应变以及脆延性系数。

..强度特性

根据表3可以得到砂岩动态抗压强度随初始损伤及冲击速度的变化曲面，如图7所示。

图6 低温冻结损伤砂岩动态全应力-应变曲线Fig.6 Dynamic total stress-strain curves of damaged sandstone under low temperature freezing

表3 不同条件下砂岩动态力学参量

图7 砂岩动态抗压强度随损伤与冲击速度的变化曲面Fig.7 Variation surface of dynamic tensile strength of sandstone with damage and impact velocity

由图7可知，整体上，随着冲击速度的增大，砂岩动态抗压强度逐渐增大，而随着初始损伤的增大，抗压强度逐渐减小。

根据表3的数据可知，4组损伤条件下，冲击速度由3.5 m/s提高到5.0 m/s时，砂岩抗压强度分别提高了82.82%，87.60%，68.74%和84.16%。表明冲击速度越高，冻结砂岩达到破坏时所承受的最大冲击载荷越大，表现出显著的冲击强化效应；同时，随着冲击速度的增加，冻结砂岩的动态抗压强度增长的趋势为先快后慢，说明冲击强化效应逐渐削弱。而在4组冲击速度条件下，初始损伤由0增大到50.26%时，冻结砂岩的动态抗压强度分别降低了32.21%，35.63%，35.03%和31.72%。冲击速度相同的条件下，随着初始损伤的增大，冻结砂岩的动态抗压强度均呈现出下降的变化趋势，表明冻结砂岩的初始损伤越高，其承载能力就越弱，抗压强度的损伤弱化效应显著。

..刚度特性

图8给出了砂岩动态弹性模量随初始损伤及冲击速度的变化曲面，可以看出动态弹性模量的变化特征与抗压强度特征基本一致。4组损伤条件下，冲击速度由3.5 m/s提高到5.0 m/s时，砂岩动态弹性模量快速增大，分别提高了60.91%，28.52%，51.08% 和61.45%，砂岩刚度特性的冲击强化效应显著。而在4组冲击速度条件下，初始损伤由0增大到50.26%时，冻结砂岩的动态弹性模量迅速减小，分别降低了49.70%，56.91%，47.51%和49.53%，砂岩动态刚度特性呈现出显著的损伤弱化效应。

图8 砂岩动态弹性模量随损伤与冲击速度的变化曲面Fig.8 Variation surface of dynamic elastic modulus of sandstone with damage and impact velocity

..极限变形特性

图9给出了砂岩动态峰值应变随初始损伤及冲击速度的变化曲面。

图9 砂岩动态峰值应变随损伤与冲击速度的变化曲面Fig.9 Variation surface of dynamic peak strain of sandstone with damage and impact velocity

由图9可知，随着冲击速度的增大，峰值应变呈直线形式快速增大，4组损伤条件下，冲击速度由3.5 m/s提高到5.0 m/s时，峰值应变增加幅值分别为62.50%，88.37%，66.34%，54.05%，极限变形特征同样表现出显著的冲击强化效应；4组冲击速度下，初始损伤由0增大到50.26%时，峰值应变同样呈现快速增大的变化特征，增大幅值分别为38.75%，46.67%，29.46%，31.54%，极限变形的损伤强化效应明显。

..脆延特性

脆延性特征是材料的固有特征，其会随着外界载荷及环境条件而发生变化。与脆性特性相比，延性特性是指岩石材料在发生破坏之前已产生了明显的塑性变形特征，因此，笔者把应力-应变曲线峰值点与屈服点的应变坐标比值作为冻结砂岩动态脆延性系数，具体的计算公式为

(2)

式中，为屈服应变。

根据统计发现，各条件下砂岩屈服点位置基本位于峰值应力的73%～78%，因此，统一以峰值应力的75%处作为屈服点，按照式(2)可以得到，完全脆性状态下，脆延性系数为1.33。

根据表3可以得到砂岩动态脆延系数随初始损伤及冲击速度的变化曲面，如图10所示。可以看到，在较低损伤及较小冲击速度条件下，砂岩脆性参数接近1.33，表现为显著的脆性特征；随着初始损伤及冲击速度的提高，脆延性系数均呈现出增大的变化特征。具体来说，当砂岩损伤值由0增加到50.26%时，4组冲击速度下，砂岩脆延性系数分别提高了19.85%，30.50%，27.56%以及26.78%；当冲击速度由3.5 m/s增大到5.0 m/s时，4组初始损伤条件下，砂岩脆延性系数分别提高了34.56%，40.29%，50.35%以及42.33%。由此可以看出，随着初始损伤及冲击速度的提高，砂岩的力学特性由完全脆性逐渐向韧性转变。

图10 砂岩动态脆延系数随损伤与冲击速度的变化曲面Fig.10 Variation surface of dynamic brittle-ductile coefficient of sandstone with damage and impact velocity

2.3 宏观破坏特征的变化规律

冲击加载试验完成后，收集不同冲击速度及初始损伤下破坏的冻结砂岩碎块，见表4。从表4可以看出，各条件下砂岩试样均完全破碎，一定初始损伤下，当冲击速度较小时，砂岩破坏后存在较大体积的碎块。随着冲击速度的增大，碎块中大块度的岩块数量减少，粉末状颗粒逐渐增多；在一定冲击速度条件下，随着初始损伤的增大，砂岩大块度的碎块数量变少，而粉末状颗粒持续增多。基于碎块的基本形态可以判断，随着冲击速度和初始损伤的增大，冻结砂岩破坏主要由张拉破坏向粉碎性的复合破坏形式转化。

表4 不同初始损伤及冲击速度下冻结砂岩的破坏特征

为定量分析冻结砂岩宏观冲击的破坏程度，以平均粒径作为参量，量化说明砂岩破坏程度的变化特征。首先，利用分级筛对破碎试样进行筛分。本试验采用了五级分级筛，通过筛分得到的粒径范围从低到高依次为：0～1.5，1.5～3，3～5，5～8，8～10，10～15 mm，其中15 mm是试验中筛分后测量的最大碎块的粒径。其次，将筛分后每个粒径范围内的碎块分别进行称重记录，按照粒径范围分别编号=1，2，3，4，5，6；最后，计算碎块的平均粒径，即粒径系数，计算方法为

(3)

其中，T为第组粒径碎块质量占该试样总质量的百分比；T为第组粒径范围内最大粒径与最小粒径的平均值。根据粒径系数的大小即可判断破碎试样整体碎块的平均尺寸，以此来量化破坏程度的大小，即越大反映砂岩破碎程度越低，越小破碎程度越高。

经过筛分统计与计算，得到了粒径系数随初始损伤与冲击速度的变化规律如图11所示。从图11可以看出，随着冲击速度及初始损伤的增大，整个曲面表现为逐渐增大的变化特征，说明冲击及初始损伤能够有效提高砂岩的破坏程度。损伤越大，其内部裂纹等缺陷越丰富，而冲击速度越大，试验过程中输入的能量逐渐增大，裂纹发育程度越高，因此其破坏程度越大，碎块粒径越小。

图11 粒径系数随初始损伤与冲击速度的变化曲面Fig.11 Variation surface of particle size coefficient with initial damage and impact velocity

3 冻结损伤砂岩动态细观损伤破裂特征

3.1 加载损伤与冻结作用下的细观结构特征

砂岩宏观力学响应特征是由其内部细观结构特征决定的。为了阐明初始的加载损伤以及冻结作用对砂岩力学行为的影响，利用电镜扫描对不同损伤及其饱和冻结作用后的试样断面进行了观测，如图12所示，其中，每组条件下序号(Ⅰ)的图像是加载损伤之后的试样断面，序号(Ⅱ)的图像是在对应(Ⅰ)损伤条件下饱和冻结后的试样断面。图12中各电镜扫描试样均未进行冲击试验，断面均采用线切割而成，同时，为了更加清楚的观测裂纹及孔洞等缺陷结构特征，观测倍数为1 000。

从图12可以看出，原生状态下(图12(a)(Ⅰ))煤系砂岩内部存在很多细小的原生裂隙以及原生孔洞等缺陷，经过饱和低温冻结之后(图12(a)(Ⅱ))，其内部的原生裂纹及孔洞等均产生了生长发育，并在局部发生了冻胀贯穿缺陷等特征；低荷载的损伤处理时，如图12((b)(Ⅰ))所示，可以看到原生裂隙被压缩，整体尺度上较原生状态下减小，但是细小裂纹在载荷的作用下产生了贯穿特征，并能够观测到明显的贯穿节点以及加载损伤区，而当进行饱和低温冻结处理之后(图12(b)(Ⅱ))，断面能够观测到显著的冻胀贯穿裂纹；继续增大损伤处理载荷，当损伤增大到24.59%时，如图12(c)(Ⅰ)所示，断面中出现了较为显著的裂纹贯穿网络，而在饱和低温冻结处理之后(图12(c)(Ⅱ))，裂纹间的贯穿网络特征更加显著，并且裂纹的尺度增大到15 μm；当砂岩的损伤提高到50.26%时，砂岩断面中能够观测到尺度在5 μm左右的裂纹，如图12(d)(Ⅰ)所示，并且在1 μm尺度以上的裂纹布满整个观测断面，而当进行低温冻结处理之后，断面中尺度在30 μm以上的裂隙已经贯穿并剥离出独立的晶体颗粒(图12(d)(Ⅱ))。

由此可见，随着加载损伤度的增大，其内部裂隙数量增多、尺度逐渐增大，冻结作用会进一步加剧这一变化。缺陷数量以及尺度的增加，会严重弱化砂岩的极限承载能力(抗压强度)及弹性变形能力(弹性模量)，但是能够有效为砂岩的变形提供足够的空间，即有效提高砂岩的极限变形能力(峰值应变)；同时，冲击加载过程中，更多的裂纹等缺陷参与到试样破坏过程中，导致碎块的数量逐渐增多，而碎块的体积尺度会逐渐减小。

图12 加载损伤与冻结作用后的砂岩断面特征Fig.12 Fracture characteristics of sandstone after loading damage and freezing

3.2 加载损伤与冻结损伤的细观作用机制

为了进一步阐明加载与低温冻结对砂岩细观结构的影响，给出了损伤砂岩低温冻结微观力学行为的机理阐述，如图13所示。从加载试样内取微元体，如图13(a)所示，原生状态下，微元体内部存在大量的原生缺陷，如：晶间裂纹、晶内裂纹、原生孔洞等。外界载荷作用下，裂隙及缺陷两侧产生相互拉伸的荷载，如图13(b)所示，载荷作用下，砂岩内部裂隙及孔洞迅速生长，其尺度较原生状态下更大，如图13(c)所示。对试样进行饱和处理，加载导致的发育裂纹及孔洞内部被自由水填满；持续低温作用下，缺陷内部填充介质逐渐由液态水转变为固态冰，体积增大约9%，裂隙内部产生了显著的冻胀载荷，导致裂隙尺度进一步增大，并贯通形成缺陷网络，如图13(d)所示。

图13 损伤砂岩低温冻结微观力学行为示意Fig.13 Micromechanical behavior diagram of damaged sandstone under low temperature frozen

3.3 冲击载荷作用下损伤砂岩细观断裂特征

根据表3及图10可以看出，在较低初始损伤状态下，砂岩动态破坏均表现出显著的脆性破坏特征；而在较高的初始损伤时，砂岩会表现出倾向于韧性破坏的特征。选择速度4.5 m/s条件下各损伤试样作为实例，分析冻结损伤砂岩动态破坏的细观断裂特征。

为了更加清楚的观测到断面的结构形貌，对断面进行了3 000倍条件下的观测，得到了不同初始损伤砂岩低温冻结条件下冲击破坏后的断面特征，如图14所示。从图14可以看出，各条件下砂岩断面均存在脆性裂纹、节理台阶、脆性撕裂断口等脆性微观特征形貌，但是随着损伤程度的增加，在损伤=24.59%条件下，断面能够观测到局部的韧窝断口，表现出局部韧性破坏特征，同样的，在=50.26%条件下，能够清楚的观测到滑移分离这一典型的韧性形貌。由此可以看出，冲击载荷作用下不同初始损伤的饱和砂岩，在低温冻结环境下表现出显著的脆性破坏特征，但是在较高初始损伤下，局部表现出了明显的韧性破坏特征，即随着初始损伤的提高，冻结环境下饱和砂岩冲击破坏模式呈现出脆性破坏向韧性破坏发展趋势，宏观表现为脆延性系数逐渐增大，即图10的曲面变化特征。