實時低溫條件下露天礦飽和損傷煤系砂巖動態(tài)力學(xué)特性及其破壞機制

陳彥龍，崔慧棟，李 明，浦 海，劉福明，張連英

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100；4.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

隨著東部煤炭資源逐漸枯竭，我國煤炭開發(fā)重心逐步向西部轉(zhuǎn)移，新疆成為我國重要的能源接替區(qū)和戰(zhàn)略能源儲備區(qū)。新疆地區(qū)約50%的煤炭探明儲量具備露天開采條件，其中多數(shù)露天煤礦都地處高寒地區(qū)，特別在局部富水區(qū)域，邊坡巖體處于含水飽和狀態(tài)，在低溫環(huán)境中發(fā)生凍結(jié)后，會對因爆破、開采擾動等已產(chǎn)生損傷的巖體的宏微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，同時也會進一步劣化巖體的力學(xué)性能，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害。

工程巖體產(chǎn)生變形、失穩(wěn)、破壞等過程，常以水為主要誘導(dǎo)因素。巖石浸水后，內(nèi)部的黏土礦物顆粒發(fā)生膨脹，易溶于水的礦物成分被溶解，進而影響宏觀的物理力學(xué)特征，以煤系巖層為代表的沉積巖，上述變化會更加明顯。同時，低溫是影響含水巖石力學(xué)特性的重要環(huán)境因素，當溫度降到0 ℃以下后，水會由液相水變?yōu)楣滔啾?，體積增長導(dǎo)致巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化。當含水率在一定范圍內(nèi)，由于顆粒收縮以及孔隙冰的承載，低溫凍結(jié)會對巖石的力學(xué)性能產(chǎn)生強化效應(yīng)；但當含水率超過一定范圍時，水分在凍結(jié)區(qū)的遷移和積累，巖石表現(xiàn)為凍脹作用，其物理力學(xué)特性顯著劣化。目前，針對低溫環(huán)境下巖石靜態(tài)力學(xué)特性的研究成果較為豐富，學(xué)者們對不同類型巖石的力學(xué)特性參量隨溫度與含水率的變化規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，如破壞強度、彈性模量、宏觀破壞特征等。

隨著寒區(qū)巖土工程的增多，低溫環(huán)境下巖石動態(tài)力學(xué)特性方面的研究日益增多。如陳世宮通過SHPB沖擊和核磁共振試驗，研究了巖石的各項動力學(xué)參數(shù)與負溫的變化規(guī)律，并且通過數(shù)值模擬研究了凍結(jié)砂巖的損傷演化過程；WENG等研究了干燥和飽水粉砂巖在低溫狀態(tài)下的動態(tài)力學(xué)特性，揭示了該過程中砂巖的能量耗散機制；李宏巖等通過SHPB試驗分析了砂巖動態(tài)力學(xué)參數(shù)隨溫度和應(yīng)變率的變化規(guī)律，表明了溫度是影響砂巖破壞的重要因素之一；王建國等研究了飽水凍結(jié)花崗巖動力學(xué)特性的應(yīng)變率效應(yīng)，利用耗散能表征的損傷變量值判斷巖石的破碎程度。除宏觀力學(xué)特性之外，有學(xué)者還利用細觀觀測以及構(gòu)建理論模型等手段研究低溫凍結(jié)作用下巖石細觀與微觀的破裂機制。如YANG等研究了低溫凍結(jié)砂巖的動態(tài)拉伸性能，并通過掃描電鏡技術(shù)揭示了該過程中拉伸破裂的機理；聞名等研究了砂巖在低溫和動載耦合作用下破壞的斷口形貌，從微觀角度分析了砂巖裂紋擴展規(guī)律及破壞機理；楊陽等通過SEM掃描試驗，研究了在應(yīng)力波作用下飽水凍結(jié)紅砂巖的微觀破裂機制。

筆者以相關(guān)研究為基礎(chǔ)，以新疆某露天礦的煤系砂巖為研究對象，以該礦所在地區(qū)冬季平均溫度-20 ℃作為試驗溫度條件，利用低溫分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)，對初始損傷處理的煤系砂巖開展飽和含水狀態(tài)下的實時低溫沖擊加載試驗，并借助掃描電鏡試驗系統(tǒng)，對沖擊載荷下凍結(jié)砂巖力學(xué)性能及細觀斷裂機理進行系統(tǒng)研究，以期為寒區(qū)露天煤礦開采、類似巖土工程的施工及巖土體防護設(shè)計提供參考。

1 試樣制備與試驗方案

本次試驗為初始損傷條件下的飽和煤系砂巖的實時低溫沖擊壓縮試驗。試驗分為3個階段：首先，對標準砂巖試樣進行初始損傷處理；其次，將損傷巖樣切割為圓盤試樣并進行飽和處理；最后，開展飽和損傷巖樣的實時低溫沖擊加載試驗。

1.1 飽和損傷砂巖試樣的制備

..標準試樣制備

試驗所用砂巖取自新疆某露天煤礦，砂巖表面呈暗紅色，斷口顆粒細小且質(zhì)地堅硬，通過X射線衍射測試，該砂巖的主要成分為：石英(63.3%)、白云母(27.6%)、高嶺石(3.9%)、硼白云母(2.5%)、蒙脫石(2.7%)。按照國際巖石力學(xué)學(xué)會建議，通過取心、切割和打磨等工序，將所取巖樣加工為圓柱型標準試樣(直徑50 mm×高100 mm)，試樣兩端面平整度(尺寸誤差≤0.05 mm)、平行度(尺寸誤差≤0.02 mm)及端面與試件軸線垂直度(尺寸誤差≤0.1°)均符合試驗標準。試樣加工完后，利用超聲波檢測儀，對試樣的縱波波速進行測試，選擇波速相近的試樣作為試驗試樣。標準試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 砂巖標準試樣物理力學(xué)特性參量

..試樣初始損傷處理

利用萬能試驗機對試樣進行初始損傷處理。首先，確定初始損傷的加載應(yīng)力；其次，按照初始損傷的加載應(yīng)力進行試樣的加載與卸載試驗；最后，對初始損傷處理的試樣開展壓汞試驗，確定試樣的初始損傷值。

根據(jù)試驗結(jié)果，砂巖試樣的單軸抗壓強度=27.21 MPa，其對應(yīng)的加載載荷=53.4 kN。本試驗設(shè)置了4組加載載荷：0%(0 kN，無損傷)，50%(26.7 kN)，60%(32.0 kN)，70%(37.4 kN)。制備初始損傷試樣的試驗加卸載路徑如圖1所示。

圖1 制備初始損傷試樣的試驗加卸載路徑Fig.1 Loading and unloading path in the experiment of initial damage specimens

通過超聲波檢測儀對加載試樣進行縱波波速測試，每組加載條件下選擇波速相近的試樣5～6塊備用。通過定量加載試驗之后，每組取一塊試樣進行壓汞測試，以未加載試樣為基準，以孔隙度為指標，分別獲得了不同初始加載載荷下砂巖的損傷值，見表2。表2中，為試樣單位質(zhì)量內(nèi)的壓汞量；為試樣單位質(zhì)量的孔面積；為試樣的平均孔徑。

表2 不同加載條件下試樣孔隙度及損傷值

..試樣含水飽和處理

利用線切割機床設(shè)備將具有初始損傷的標準試樣加工為直徑50 mm、高度25 mm的圓盤試樣。之后對圓盤砂巖試樣進行飽和處理：首先將試樣在干燥箱中進行干燥處理，以此來消除鉆芯取樣、線切割加工等過程中造成的試樣含水不均；然后對干燥的試樣進行完全飽和處理。具體流程：① 干燥處理。將試樣放置在DHG9076電熱恒溫干燥箱中，并設(shè)置烘干溫度為105 ℃，在此溫度下連續(xù)烘干24 h。烘干24 h之后對試樣每隔1 h稱重一次，直至2次的質(zhì)量差小于0.02 g，然后將試樣密封保存。② 飽和處理。將干燥后的試樣放到真空負壓抽氣裝置中，先進行氣壓為-0.09 MPa的6 h真空抽氣處理，然后依靠密封罐中的負壓作用向其中注入蒸餾水，待蒸餾水液面高過試樣后，停止注水；待試樣浸泡6 h后，每隔半小時吸干試樣表面水分，對試件進行稱重，至2次的質(zhì)量差小于0.02 g，即認為試樣已達到飽和狀態(tài)。

損傷砂巖試樣制備及含水飽和處理過程如圖2所示。

圖2 損傷砂巖試樣制備及含水飽和處理Fig.2 Damage and saturation treatment process of sandstone specimens

1.2 實時低溫沖擊加載試驗系統(tǒng)與試驗原理

砂巖實時低溫沖擊加載試驗采用實時低溫分離式霍普金森壓桿(Low Temperature Split Hopkinson Pressure Bar，LT-SHPB)試驗系統(tǒng)，如圖3所示。試驗系統(tǒng)由低溫加載系統(tǒng)、沖擊加載驅(qū)動系統(tǒng)、壓桿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、能量吸收系統(tǒng)五大部分組成。

低溫加載系統(tǒng)為試樣沖擊加載過程中提供實時低溫環(huán)境荷載，包括低溫控制儀、液氮容器、電熱絲、低溫傳感器以及低溫環(huán)境室5個部分。其中，低溫環(huán)境室內(nèi)保溫層為硅酸鋁針刺毯材質(zhì)，具有良好的保溫效果，能夠維持最低環(huán)境溫度達-50 ℃。試驗過程中，容器中液氮在熱電偶的作用下汽化為氮氣，流入低溫環(huán)境腔，當?shù)蜏貍鞲衅鳈z測到環(huán)境室內(nèi)溫度達到預(yù)設(shè)值時，電熱絲停止工作，此過程由電磁閥自動控制；而當環(huán)境室內(nèi)溫度在試驗過程中高于設(shè)定溫度時，熱電偶可以自動重新啟動。測試表明，環(huán)境室內(nèi)的溫度能夠穩(wěn)定保持在試驗設(shè)定溫度，溫差在±0.2 ℃以內(nèi)。

除低溫加載系統(tǒng)外，其余四大系統(tǒng)的組成及功能與常規(guī)SHPB試驗系統(tǒng)相同。試驗過程中，首先按試驗方案，將試樣安裝在入射桿與透射桿之間，通過低溫加載系統(tǒng)將低溫環(huán)境室加載到試驗設(shè)定溫度，保持2 h；然后按沖擊加載方案，進行沖擊加載試驗。

沖擊加載過程中，高壓氮氣驅(qū)動撞擊桿撞擊入射桿，產(chǎn)生入射波，沿入射桿傳至試樣處。部分入射波被反射回入射桿形成反射波，另外一部分透過試樣傳遞至透射桿形成透射波。此過程中，壓桿應(yīng)變信號通過應(yīng)變片采集傳輸至超動態(tài)應(yīng)變儀，最后被保存至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

圖3 實時低溫環(huán)境的分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)示意Fig.3 Real-time low temperature environment split Hopkinson pressure bar test system

(1)

式中，為應(yīng)力波在壓桿中的傳播速度，m/s；ε()，()，()分別為入射波、反射波以及透射波的應(yīng)變信號；為壓桿彈性模量，GPa；為壓桿橫截面積，cm；為試樣橫截面積，cm；為砂巖試樣原始長度，m。

1.3 飽和損傷砂巖實時低溫動態(tài)力學(xué)特性試驗

根據(jù)取樣礦區(qū)冬季平均氣溫，本次試驗溫度設(shè)定為-20 ℃。試樣初始損傷值為4組：0，10.59%，24.59%，50.26%。以撞擊桿的速度作為沖擊加載條件，共設(shè)計4組：3.5，4.0，4.5，5.0 m/s。試驗過程中，以損傷值與沖擊速度作為變化因素，開展兩因素的正交試驗。

沖擊試驗需滿足一維應(yīng)力傳播假設(shè)和均勻性假設(shè)。試驗過程中，利用橡膠片作為波形整形器，試驗波形如圖4所示。從圖4可以看出，入射波、反射波與透射波3組波形均為半正弦形式波形，波形光滑且未出現(xiàn)橫向震蕩，試驗滿足一維應(yīng)力傳播假設(shè)；同時，入射波峰值前歷時較長，能夠為試樣兩端及內(nèi)部達到應(yīng)力均勻提供足夠的調(diào)整時間。對試驗波形的應(yīng)力均勻性進行檢驗，如圖5所示，可以看到，入射波與反射波疊加波形與透射波基本重合，反映出試驗滿足應(yīng)力均勻性假設(shè)。

圖4 沖擊加載過程典型試驗波形Fig.4 Typical test waveform during impact loading test

圖5 沖擊試驗應(yīng)力均勻性假設(shè)驗證Fig.5 Verification of test stress uniformity hypothesis

2 凍結(jié)損傷砂巖宏觀動態(tài)力學(xué)特性響應(yīng)特征

2.1 動態(tài)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過沖擊加載試驗，得到了不同初始損傷的飽和凍結(jié)砂巖在不同沖擊速度下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及一定沖擊速度(3.5 m/s)下各初始損傷砂巖的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；同時根據(jù)曲線特征，對全應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行了階段劃分，如圖6所示。

根據(jù)圖6(f)，高應(yīng)變率載荷作用下，低溫凍結(jié)砂巖變形表現(xiàn)出4個典型階段：(Ⅰ)壓密階段，該階段曲線呈“下凹”特征，砂巖內(nèi)部孔隙等缺陷在壓縮應(yīng)力波的作用下逐漸閉合；(Ⅱ)線彈性變形階段，該階段曲線近似呈直線特征，試樣應(yīng)力隨應(yīng)變快速增加，該階段斜率為砂巖的動態(tài)彈性模量；(Ⅲ)塑性變形階段，該階段曲線呈“上凸”特征，砂巖內(nèi)部裂隙、孔洞等缺陷快速發(fā)育，應(yīng)變快速增長，而應(yīng)力增加速度逐漸降低，該階段的起點為砂巖變形屈服點，對應(yīng)的坐標(，)分別為動態(tài)屈服應(yīng)變與動態(tài)屈服應(yīng)力，終點為砂巖變形峰值點，對應(yīng)的坐標(，)分別為動態(tài)峰值應(yīng)變與動態(tài)峰值應(yīng)力(抗壓強度)；(Ⅳ)峰后階段，該階段砂巖應(yīng)力隨應(yīng)變的增大以直線形式快速減小，由于該階段砂巖試樣處于卸載階段，試樣已從壓桿處脫離，因此一般不討論。

從圖6(a)～(e)可以看出，初始損傷與沖擊強度的變化均顯著改變砂巖的動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)，并且隨著初始損傷及沖擊速度的增大，其塑性變形階段均呈現(xiàn)出顯著的增大特征。但值得注意的是，壓密階段在大多數(shù)曲線中表現(xiàn)的并不明顯，這主要與砂巖內(nèi)部裂隙被凍結(jié)冰完全填充有關(guān)。

2.2 動態(tài)力學(xué)特性參量的變化規(guī)律

根據(jù)砂巖動態(tài)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到了不同初始損傷及沖擊速度下凍結(jié)砂巖的力學(xué)特性參量，包括動態(tài)抗壓強度(峰值強度)、動態(tài)彈性模量、峰值應(yīng)變以及脆延性系數(shù)。

..強度特性

根據(jù)表3可以得到砂巖動態(tài)抗壓強度隨初始損傷及沖擊速度的變化曲面，如圖7所示。

圖6 低溫凍結(jié)損傷砂巖動態(tài)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Dynamic total stress-strain curves of damaged sandstone under low temperature freezing

表3 不同條件下砂巖動態(tài)力學(xué)參量

圖7 砂巖動態(tài)抗壓強度隨損傷與沖擊速度的變化曲面Fig.7 Variation surface of dynamic tensile strength of sandstone with damage and impact velocity

由圖7可知，整體上，隨著沖擊速度的增大，砂巖動態(tài)抗壓強度逐漸增大，而隨著初始損傷的增大，抗壓強度逐漸減小。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，4組損傷條件下，沖擊速度由3.5 m/s提高到5.0 m/s時，砂巖抗壓強度分別提高了82.82%，87.60%，68.74%和84.16%。表明沖擊速度越高，凍結(jié)砂巖達到破壞時所承受的最大沖擊載荷越大，表現(xiàn)出顯著的沖擊強化效應(yīng)；同時，隨著沖擊速度的增加，凍結(jié)砂巖的動態(tài)抗壓強度增長的趨勢為先快后慢，說明沖擊強化效應(yīng)逐漸削弱。而在4組沖擊速度條件下，初始損傷由0增大到50.26%時，凍結(jié)砂巖的動態(tài)抗壓強度分別降低了32.21%，35.63%，35.03%和31.72%。沖擊速度相同的條件下，隨著初始損傷的增大，凍結(jié)砂巖的動態(tài)抗壓強度均呈現(xiàn)出下降的變化趨勢，表明凍結(jié)砂巖的初始損傷越高，其承載能力就越弱，抗壓強度的損傷弱化效應(yīng)顯著。

..剛度特性

圖8給出了砂巖動態(tài)彈性模量隨初始損傷及沖擊速度的變化曲面，可以看出動態(tài)彈性模量的變化特征與抗壓強度特征基本一致。4組損傷條件下，沖擊速度由3.5 m/s提高到5.0 m/s時，砂巖動態(tài)彈性模量快速增大，分別提高了60.91%，28.52%，51.08% 和61.45%，砂巖剛度特性的沖擊強化效應(yīng)顯著。而在4組沖擊速度條件下，初始損傷由0增大到50.26%時，凍結(jié)砂巖的動態(tài)彈性模量迅速減小，分別降低了49.70%，56.91%，47.51%和49.53%，砂巖動態(tài)剛度特性呈現(xiàn)出顯著的損傷弱化效應(yīng)。

圖8 砂巖動態(tài)彈性模量隨損傷與沖擊速度的變化曲面Fig.8 Variation surface of dynamic elastic modulus of sandstone with damage and impact velocity

..極限變形特性

圖9給出了砂巖動態(tài)峰值應(yīng)變隨初始損傷及沖擊速度的變化曲面。

圖9 砂巖動態(tài)峰值應(yīng)變隨損傷與沖擊速度的變化曲面Fig.9 Variation surface of dynamic peak strain of sandstone with damage and impact velocity

由圖9可知，隨著沖擊速度的增大，峰值應(yīng)變呈直線形式快速增大，4組損傷條件下，沖擊速度由3.5 m/s提高到5.0 m/s時，峰值應(yīng)變增加幅值分別為62.50%，88.37%，66.34%，54.05%，極限變形特征同樣表現(xiàn)出顯著的沖擊強化效應(yīng)；4組沖擊速度下，初始損傷由0增大到50.26%時，峰值應(yīng)變同樣呈現(xiàn)快速增大的變化特征，增大幅值分別為38.75%，46.67%，29.46%，31.54%，極限變形的損傷強化效應(yīng)明顯。

..脆延特性

脆延性特征是材料的固有特征，其會隨著外界載荷及環(huán)境條件而發(fā)生變化。與脆性特性相比，延性特性是指巖石材料在發(fā)生破壞之前已產(chǎn)生了明顯的塑性變形特征，因此，筆者把應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點與屈服點的應(yīng)變坐標比值作為凍結(jié)砂巖動態(tài)脆延性系數(shù)，具體的計算公式為

(2)

式中，為屈服應(yīng)變。

根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，各條件下砂巖屈服點位置基本位于峰值應(yīng)力的73%～78%，因此，統(tǒng)一以峰值應(yīng)力的75%處作為屈服點，按照式(2)可以得到，完全脆性狀態(tài)下，脆延性系數(shù)為1.33。

根據(jù)表3可以得到砂巖動態(tài)脆延系數(shù)隨初始損傷及沖擊速度的變化曲面，如圖10所示。可以看到，在較低損傷及較小沖擊速度條件下，砂巖脆性參數(shù)接近1.33，表現(xiàn)為顯著的脆性特征；隨著初始損傷及沖擊速度的提高，脆延性系數(shù)均呈現(xiàn)出增大的變化特征。具體來說，當砂巖損傷值由0增加到50.26%時，4組沖擊速度下，砂巖脆延性系數(shù)分別提高了19.85%，30.50%，27.56%以及26.78%；當沖擊速度由3.5 m/s增大到5.0 m/s時，4組初始損傷條件下，砂巖脆延性系數(shù)分別提高了34.56%，40.29%，50.35%以及42.33%。由此可以看出，隨著初始損傷及沖擊速度的提高，砂巖的力學(xué)特性由完全脆性逐漸向韌性轉(zhuǎn)變。

圖10 砂巖動態(tài)脆延系數(shù)隨損傷與沖擊速度的變化曲面Fig.10 Variation surface of dynamic brittle-ductile coefficient of sandstone with damage and impact velocity

2.3 宏觀破壞特征的變化規(guī)律

沖擊加載試驗完成后，收集不同沖擊速度及初始損傷下破壞的凍結(jié)砂巖碎塊，見表4。從表4可以看出，各條件下砂巖試樣均完全破碎，一定初始損傷下，當沖擊速度較小時，砂巖破壞后存在較大體積的碎塊。隨著沖擊速度的增大，碎塊中大塊度的巖塊數(shù)量減少，粉末狀顆粒逐漸增多；在一定沖擊速度條件下，隨著初始損傷的增大，砂巖大塊度的碎塊數(shù)量變少，而粉末狀顆粒持續(xù)增多?；谒閴K的基本形態(tài)可以判斷，隨著沖擊速度和初始損傷的增大，凍結(jié)砂巖破壞主要由張拉破壞向粉碎性的復(fù)合破壞形式轉(zhuǎn)化。

表4 不同初始損傷及沖擊速度下凍結(jié)砂巖的破壞特征

為定量分析凍結(jié)砂巖宏觀沖擊的破壞程度，以平均粒徑作為參量，量化說明砂巖破壞程度的變化特征。首先，利用分級篩對破碎試樣進行篩分。本試驗采用了五級分級篩，通過篩分得到的粒徑范圍從低到高依次為：0～1.5，1.5～3，3～5，5～8，8～10，10～15 mm，其中15 mm是試驗中篩分后測量的最大碎塊的粒徑。其次，將篩分后每個粒徑范圍內(nèi)的碎塊分別進行稱重記錄，按照粒徑范圍分別編號=1，2，3，4，5，6；最后，計算碎塊的平均粒徑，即粒徑系數(shù)，計算方法為

(3)

其中，T為第組粒徑碎塊質(zhì)量占該試樣總質(zhì)量的百分比；T為第組粒徑范圍內(nèi)最大粒徑與最小粒徑的平均值。根據(jù)粒徑系數(shù)的大小即可判斷破碎試樣整體碎塊的平均尺寸，以此來量化破壞程度的大小，即越大反映砂巖破碎程度越低，越小破碎程度越高。

經(jīng)過篩分統(tǒng)計與計算，得到了粒徑系數(shù)隨初始損傷與沖擊速度的變化規(guī)律如圖11所示。從圖11可以看出，隨著沖擊速度及初始損傷的增大，整個曲面表現(xiàn)為逐漸增大的變化特征，說明沖擊及初始損傷能夠有效提高砂巖的破壞程度。損傷越大，其內(nèi)部裂紋等缺陷越豐富，而沖擊速度越大，試驗過程中輸入的能量逐漸增大，裂紋發(fā)育程度越高，因此其破壞程度越大，碎塊粒徑越小。

圖11 粒徑系數(shù)隨初始損傷與沖擊速度的變化曲面Fig.11 Variation surface of particle size coefficient with initial damage and impact velocity

3 凍結(jié)損傷砂巖動態(tài)細觀損傷破裂特征

3.1 加載損傷與凍結(jié)作用下的細觀結(jié)構(gòu)特征

砂巖宏觀力學(xué)響應(yīng)特征是由其內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)特征決定的。為了闡明初始的加載損傷以及凍結(jié)作用對砂巖力學(xué)行為的影響，利用電鏡掃描對不同損傷及其飽和凍結(jié)作用后的試樣斷面進行了觀測，如圖12所示，其中，每組條件下序號(Ⅰ)的圖像是加載損傷之后的試樣斷面，序號(Ⅱ)的圖像是在對應(yīng)(Ⅰ)損傷條件下飽和凍結(jié)后的試樣斷面。圖12中各電鏡掃描試樣均未進行沖擊試驗，斷面均采用線切割而成，同時，為了更加清楚的觀測裂紋及孔洞等缺陷結(jié)構(gòu)特征，觀測倍數(shù)為1 000。

從圖12可以看出，原生狀態(tài)下(圖12(a)(Ⅰ))煤系砂巖內(nèi)部存在很多細小的原生裂隙以及原生孔洞等缺陷，經(jīng)過飽和低溫凍結(jié)之后(圖12(a)(Ⅱ))，其內(nèi)部的原生裂紋及孔洞等均產(chǎn)生了生長發(fā)育，并在局部發(fā)生了凍脹貫穿缺陷等特征；低荷載的損傷處理時，如圖12((b)(Ⅰ))所示，可以看到原生裂隙被壓縮，整體尺度上較原生狀態(tài)下減小，但是細小裂紋在載荷的作用下產(chǎn)生了貫穿特征，并能夠觀測到明顯的貫穿節(jié)點以及加載損傷區(qū)，而當進行飽和低溫凍結(jié)處理之后(圖12(b)(Ⅱ))，斷面能夠觀測到顯著的凍脹貫穿裂紋；繼續(xù)增大損傷處理載荷，當損傷增大到24.59%時，如圖12(c)(Ⅰ)所示，斷面中出現(xiàn)了較為顯著的裂紋貫穿網(wǎng)絡(luò)，而在飽和低溫凍結(jié)處理之后(圖12(c)(Ⅱ))，裂紋間的貫穿網(wǎng)絡(luò)特征更加顯著，并且裂紋的尺度增大到15 μm；當砂巖的損傷提高到50.26%時，砂巖斷面中能夠觀測到尺度在5 μm左右的裂紋，如圖12(d)(Ⅰ)所示，并且在1 μm尺度以上的裂紋布滿整個觀測斷面，而當進行低溫凍結(jié)處理之后，斷面中尺度在30 μm以上的裂隙已經(jīng)貫穿并剝離出獨立的晶體顆粒(圖12(d)(Ⅱ))。

由此可見，隨著加載損傷度的增大，其內(nèi)部裂隙數(shù)量增多、尺度逐漸增大，凍結(jié)作用會進一步加劇這一變化。缺陷數(shù)量以及尺度的增加，會嚴重弱化砂巖的極限承載能力(抗壓強度)及彈性變形能力(彈性模量)，但是能夠有效為砂巖的變形提供足夠的空間，即有效提高砂巖的極限變形能力(峰值應(yīng)變)；同時，沖擊加載過程中，更多的裂紋等缺陷參與到試樣破壞過程中，導(dǎo)致碎塊的數(shù)量逐漸增多，而碎塊的體積尺度會逐漸減小。

圖12 加載損傷與凍結(jié)作用后的砂巖斷面特征Fig.12 Fracture characteristics of sandstone after loading damage and freezing

3.2 加載損傷與凍結(jié)損傷的細觀作用機制

為了進一步闡明加載與低溫凍結(jié)對砂巖細觀結(jié)構(gòu)的影響，給出了損傷砂巖低溫凍結(jié)微觀力學(xué)行為的機理闡述，如圖13所示。從加載試樣內(nèi)取微元體，如圖13(a)所示，原生狀態(tài)下，微元體內(nèi)部存在大量的原生缺陷，如：晶間裂紋、晶內(nèi)裂紋、原生孔洞等。外界載荷作用下，裂隙及缺陷兩側(cè)產(chǎn)生相互拉伸的荷載，如圖13(b)所示，載荷作用下，砂巖內(nèi)部裂隙及孔洞迅速生長，其尺度較原生狀態(tài)下更大，如圖13(c)所示。對試樣進行飽和處理，加載導(dǎo)致的發(fā)育裂紋及孔洞內(nèi)部被自由水填滿；持續(xù)低溫作用下，缺陷內(nèi)部填充介質(zhì)逐漸由液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰，體積增大約9%，裂隙內(nèi)部產(chǎn)生了顯著的凍脹載荷，導(dǎo)致裂隙尺度進一步增大，并貫通形成缺陷網(wǎng)絡(luò)，如圖13(d)所示。

圖13 損傷砂巖低溫凍結(jié)微觀力學(xué)行為示意Fig.13 Micromechanical behavior diagram of damaged sandstone under low temperature frozen

3.3 沖擊載荷作用下?lián)p傷砂巖細觀斷裂特征

根據(jù)表3及圖10可以看出，在較低初始損傷狀態(tài)下，砂巖動態(tài)破壞均表現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征；而在較高的初始損傷時，砂巖會表現(xiàn)出傾向于韌性破壞的特征。選擇速度4.5 m/s條件下各損傷試樣作為實例，分析凍結(jié)損傷砂巖動態(tài)破壞的細觀斷裂特征。

為了更加清楚的觀測到斷面的結(jié)構(gòu)形貌，對斷面進行了3 000倍條件下的觀測，得到了不同初始損傷砂巖低溫凍結(jié)條件下沖擊破壞后的斷面特征，如圖14所示。從圖14可以看出，各條件下砂巖斷面均存在脆性裂紋、節(jié)理臺階、脆性撕裂斷口等脆性微觀特征形貌，但是隨著損傷程度的增加，在損傷=24.59%條件下，斷面能夠觀測到局部的韌窩斷口，表現(xiàn)出局部韌性破壞特征，同樣的，在=50.26%條件下，能夠清楚的觀測到滑移分離這一典型的韌性形貌。由此可以看出，沖擊載荷作用下不同初始損傷的飽和砂巖，在低溫凍結(jié)環(huán)境下表現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征，但是在較高初始損傷下，局部表現(xiàn)出了明顯的韌性破壞特征，即隨著初始損傷的提高，凍結(jié)環(huán)境下飽和砂巖沖擊破壞模式呈現(xiàn)出脆性破壞向韌性破壞發(fā)展趨勢，宏觀表現(xiàn)為脆延性系數(shù)逐漸增大，即圖10的曲面變化特征。

圖14 砂巖動態(tài)破壞后的斷面特征Fig.14 Section characteristics of sandstone after dynamic failure

4 結(jié) 論

(1) 一定初始損傷條件下，低溫飽和凍結(jié)砂巖的動態(tài)強度、剛度及極限變形均呈現(xiàn)出顯著的沖擊強化特性；而在一定的沖擊速度下，砂巖的動態(tài)強度與剛度則表現(xiàn)出顯著的損傷弱化，極限變形則表現(xiàn)出損傷強化效應(yīng)。

(2) 提高初始損傷與沖擊速度后，砂巖破壞后碎塊的平均粒徑逐漸減小，凍結(jié)砂巖的破壞程度逐漸增大，試樣破壞后的形態(tài)表明破壞形式主要由張拉破壞向粉碎性的復(fù)合破壞轉(zhuǎn)化。

(3) 損傷砂巖飽和凍結(jié)后其內(nèi)部的裂紋較凍結(jié)前尺度更大，表現(xiàn)出顯著的凍脹作用，尤其在較高初始損傷狀態(tài)下，凍脹后砂巖內(nèi)部損傷裂紋貫穿形成完整的網(wǎng)絡(luò)，并能夠觀測到寬度超過30 μm的大尺度裂紋。加載損傷與飽和低溫凍脹作用導(dǎo)致砂巖內(nèi)部裂隙等缺陷尺度及數(shù)量的變化，是砂巖動態(tài)宏觀力學(xué)響應(yīng)特征變化的主要原因。

(4) 飽和凍結(jié)狀態(tài)下的損傷砂巖在沖擊破壞后的斷面主要以脆性斷口形貌為主，但在較高初始損傷情況下，斷面局部存在顯著的韌窩、滑移分離等韌性斷口形貌。同時，隨著初始損傷的增加，砂巖宏觀脆延性系數(shù)逐漸增大，表明砂巖動態(tài)斷裂從脆性破壞向韌性破壞發(fā)展的趨勢。