低温下砂岩动态力学特性的试验研究

李宏岩

(郑州工业应用技术学院建筑工程学院，河南 新郑 451150)

0 引 言

岩石的性质随着温度的变化表现出很大的差异性，对寒冷地区和低温下煤矿井筒等施工设计有一定的影响。动态作用下的岩石性质和静态作用下岩石性质也不相同[1-2]。国内外对低温下的岩石力学性质进行了一些研究。刘泉声等[3]对低温饱和岩石的冻水含量与冻胀变形进行了研究，研究了饱和岩石变形低温的影响因素，岩石的动静力学特性、孔隙率及含水率对岩石的性质有重要的影响。杨兆中等[4]研究了-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃ 下煤岩体渗透性的影响，得到了温度越低，渗透率越大，同时揭示了低温与渗透率的关系及低温对煤岩体的破坏机理。李云鹏等[5]对低温下岩石的单轴力学特性进行了研究，分析了低温对单轴抗压强度的影响。徐光苗等[6]研究了不同温度以及不同含水率的岩石力学性质，得出了不同的温度对砂岩和页岩的影响不同，为后续的低温对岩石的影响奠定了基础。申艳军等[7]对寒冷地区坚硬岩石的表面裂隙进行了研究，描述了温度场、应力场等分布规律。张辛亥等[8]对低温下的煤岩力学性质进行了实验研究，得到了煤岩随着温度的降低表现出脆性特征及破坏方式。

对于岩石的力学性质国内外学者进行了大量的研究[9-10]，对于不同温度下的岩石力学性质也进行了分析。然而，关于岩石低温下的动态力学特性研究很少。岩石在低温下的动态力学特征对地下工程有重要的影响。通过75 mm的霍普金森杆（SHPB）系统对砂岩在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃ 冲击载荷为0.10 MPa、0.20 MPa、0.30 MPa下力学性质进行了研究。

1 试件的制备与试验过程

1.1 试件的制备

为了消除试样加工过程中离散性对后续试验结果的影响，便于对试验结果进行对比，必须保证钻取岩样的岩块无明显节理层理分布。考虑到后续的冲击试验，采用直径为50 mm，长度为50 mm的圆柱体作为研究的试件尺寸，使岩石试件在冲击过程中更好地达到应力均匀。

将筛选完试样放在干燥恒温的实验室内保存。砂岩岩石试件如图1所示。

图1 砂岩试件

试验过程如下：1）将挑选出来的砂岩放入烤箱中，在105 ℃的恒温下加热12 h。2）将恒温箱中的砂样放入低温箱中，分别在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下冷冻12 h。3）将不同温度下砂样放在SHPB和单轴试验机上进行试验。4）将 0.10 MPa，0.20 MPa和0.30 MPa的冲击载荷施加到冻结温度分别为-10 ℃，-20 ℃ 和-30 ℃ 的砂岩上，以获得相应条件下的应力波数据。为了确保所有测试的入射杆的撞击速度均相同，在测试期间，撞击杆保持在发射器的相同位置。5）记录保存结果，便于分析低温下砂岩的力学性质。

1.2 SHPB试验系统

如图2所示为75 mm霍普金森杆试验系统[11-12]，主要包括动力系统、压杆系统和数据记录系统，压杆系统由入射杆、透射杆组成，主要测量入射波、反射波和透射波，入射杆、透射杆均采用相同的高强度合金钢。

图2 SHPB试验系统

1.3 试验原理

在测试过程中，将ϕ50 mm×50 mm 的砂岩放在入射杆和透射杆之间并保持一条线，以确保在应力波传播期间不会发生散射。基于一维应力波理论，根据SHPB测试的基本原理，使用三波法对数据进行处理，以获得低温下砂岩样品的力学参数。应力、应变和应变率[13-14]计算如下：

ε——轴向应变；

σ——轴向应力；

ε1(t), ε2(t) , ε3(t)——SHPB的实测入射、反射和透射应变；

A0——钢筋的横截面积；

C0,E0——杆的杨氏模量和应力波速度；

L1和A1——砂岩的长度和初始横截面积。

2 静态抗压强度

使用伺服液压试验机对-10 ℃、-20 ℃ 和-30 ℃的砂岩进行静态单轴压缩试验。每个温度下选择3个样品，并通过直接加载以0.01 cm/min的加载速率对样品进行轴向加载。测试结果如表1所示。

表1 砂岩单轴抗压强度结果

随着温度的降低，砂岩的静态抗压强度逐渐增大。许多理论分析和类似测试表明[15-16]，温度降低导致砂岩颗粒之间未冻结的水分含量降低。一部分未冻结的水分直接从水蒸气冷凝成冰，通常以冰的形式存在于砂粒的孔隙或收缩裂缝之间，而另一部分未冻结的水分则通过液体冻结。水进入胶结冰中，存在于砂粒之间的接触面或胶结界面处，从而增强了冰在冻结砂岩中的胶结效果，使其具有较高的抗压强度和较强的塑性变形。

3 动态实验结果

3.1 动态应力-应变曲线

低温下砂岩的典型动态应力-应变曲线如图3所示。

图3 低温下砂岩的典型动态应力应变曲线

在不同撞击荷载、不同温度（-10 ℃，-20 ℃ 和-30 ℃）下砂岩的动态应力-应变曲线分为4个阶段：1）OA压实阶段，应力-应变曲线的斜率较小，并且向上弯曲，该阶段由于砂岩中的初始裂隙和微裂纹压实闭合引起的非弹性变形，在低温状态下的砂岩中的裂纹压实程度较小。2）AB弹性阶段，岩石试件在该冲击载荷阶段的应力状态低于砂岩的屈服状态，应力-应变曲线进入弹性阶段。3）BC塑性变形阶段，随着应变的增大，砂岩试件逐渐破坏，材料的屈服强度降低，在这个阶段，试样的微裂纹逐渐形成并扩散。4）CD破坏阶段，应力随着应变的增大逐渐减小，应力-应变曲线具有负斜率。

从图4（a）～（c）可以看出，随着温度的降低，砂岩的峰值应力逐渐增加。砂岩试件在-30 ℃的应力最大，由于冻结的砂岩试件是由砂岩组成的多相复合物，封闭程度相对较小，塑性阶段并不明显。随着冲击载荷的增加，砂岩的应变率、峰值应力、峰值应变都随之增加。

图4 不同温度下的应力-应变曲线

3.2 动态峰值应力

砂岩试件在不同温度下的动态峰值应力随应变率的变化规律如图5所示。砂岩试样的动态峰值应力随应变率的增加而线性增加。-30 ℃的峰值应力＞-20 ℃的峰值应力＞-10 ℃的峰值应力，峰值应力随应变率的关系近似直线，研究表明，在-30 ℃≤T≤-10 ℃的温度范围内，温度降低对材料的动态抗压强度具有增强作用。峰值应力与应变率拟合关系如下：

图5 峰值应力与应变率的关系

3.3 动态增长因子

在动载荷和静载荷作用下，试样的强度均随温度的降低而增加。如图6所示为不同温度下试样的动态增长因子（DIF）随应变速率的变化关系。在动态载荷冲击下，DIF随应变速率的增加而线性增加，DIF的增长率随温度的降低而降低。当应变速率约为33 s-1时，三个低温状态下砂岩样品的DIF几乎相同，约为3.0。然而随着温度越低，DIF的增加速度越小。原因为随着温度的降低，试件中孔隙水的含量逐渐增加，并逐渐转变为冰层，试件的初始动载抗压强度相对较高。

图6 动态增长因子与应变率的关系

4 砂岩动态破坏模式

在相同低温下，随着冲击载荷的增加，试件中断裂裂纹的数量逐渐增加，碎片的尺寸逐渐减小。在-10 ℃时，撞击载荷为0.10 MPa时，砂岩试件表面没有明显的宏观裂纹，在冲击载荷为0.20 MPa时，砂岩试件的破坏面近似平行于轴向，砂岩试件被破坏成两段。在冲击载荷为0.30 MPa时，砂岩试件完全破碎。在-20 ℃和-30 ℃时，随着冲击载荷的增加，砂岩试件破坏后的断口形貌呈现相同的发展趋势。砂岩试件的破坏模式取决于应变率（冲击载荷）的大小。应变率在一定范围内，冻结砂岩的破坏以拉伸破坏为主。破坏面近似平行于轴向，砂岩试件被破坏成两段或多段，具有典型的拉伸劈裂破坏特征。由于冻结砂岩的抗拉能力远小于抗压能力。冲击载荷下轴向压缩迅速增加，冻结砂岩试件表现出压缩破坏。

低温条件下，砂岩试件宏观破碎程度是冻结砂岩内部微裂纹在温度和冲击载荷共同作用下萌生、演化、扩展和贯通的结果。在不同冲击加载阶段，裂纹扩展程度不同，导致冻结砂岩试件的破坏形式不同。在冲击载荷较小，应变率较低时，裂纹沿平行于压应力的方向延伸，且方向明显。在冲击载荷较大，试件在轴向劈裂和拉伸破坏后，向砂岩中传播的应力波持续增加，越来越多的微裂纹吸收能量，形成主裂纹，使砂岩破碎更严重。温度的降低可以提高材料砂粒间胶结冰的强度，提高试件的力学性能，从而降低冲击破坏的严重性。

5 结束语

1）在不同冲击荷载、不同低温下砂岩的动态应力-应变曲线分为压实阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。随着温度的降低，砂岩的峰值应力增加，由于水进入胶结冰中，存在于砂粒之间的接触面或胶结界面处，从而增强了冰在冻结砂岩中的胶结效果，使其具有较高的抗压强度和较强的塑性变形。

2）砂岩试样的动态峰值应力随应变率的增加呈正相关关系，随着温度降低，DIF的增加速度越小。随着温度的降低，试件中孔隙水的含量逐渐增加，并逐渐转变为冰层，试件的初始抗压强度相对较高。

3）低温条件下，砂岩试件宏观破碎程度是冻结砂岩内部微裂纹在温度和冲击载荷共同作用下萌生、演化、扩展和贯通的结果。在相同温度下，随着冲击载荷的增加，试件中断裂裂纹的数量逐渐增加，碎片的尺寸逐渐减小。