低溫下砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

李宏巖

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 新鄭 451150)

0 引 言

巖石的性質(zhì)隨著溫度的變化表現(xiàn)出很大的差異性，對(duì)寒冷地區(qū)和低溫下煤礦井筒等施工設(shè)計(jì)有一定的影響。動(dòng)態(tài)作用下的巖石性質(zhì)和靜態(tài)作用下巖石性質(zhì)也不相同[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫下的巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了一些研究。劉泉聲等[3]對(duì)低溫飽和巖石的凍水含量與凍脹變形進(jìn)行了研究，研究了飽和巖石變形低溫的影響因素，巖石的動(dòng)靜力學(xué)特性、孔隙率及含水率對(duì)巖石的性質(zhì)有重要的影響。楊兆中等[4]研究了-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃ 下煤巖體滲透性的影響，得到了溫度越低，滲透率越大，同時(shí)揭示了低溫與滲透率的關(guān)系及低溫對(duì)煤巖體的破壞機(jī)理。李云鵬等[5]對(duì)低溫下巖石的單軸力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分析了低溫對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響。徐光苗等[6]研究了不同溫度以及不同含水率的巖石力學(xué)性質(zhì)，得出了不同的溫度對(duì)砂巖和頁(yè)巖的影響不同，為后續(xù)的低溫對(duì)巖石的影響奠定了基礎(chǔ)。申艷軍等[7]對(duì)寒冷地區(qū)堅(jiān)硬巖石的表面裂隙進(jìn)行了研究，描述了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等分布規(guī)律。張辛亥等[8]對(duì)低溫下的煤巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了煤巖隨著溫度的降低表現(xiàn)出脆性特征及破壞方式。

對(duì)于巖石的力學(xué)性質(zhì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[9-10]，對(duì)于不同溫度下的巖石力學(xué)性質(zhì)也進(jìn)行了分析。然而，關(guān)于巖石低溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究很少。巖石在低溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征對(duì)地下工程有重要的影響。通過(guò)75 mm的霍普金森桿（SHPB）系統(tǒng)對(duì)砂巖在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃ 沖擊載荷為0.10 MPa、0.20 MPa、0.30 MPa下力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。

1 試件的制備與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試件的制備

為了消除試樣加工過(guò)程中離散性對(duì)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的影響，便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，必須保證鉆取巖樣的巖塊無(wú)明顯節(jié)理層理分布?？紤]到后續(xù)的沖擊試驗(yàn)，采用直徑為50 mm，長(zhǎng)度為50 mm的圓柱體作為研究的試件尺寸，使巖石試件在沖擊過(guò)程中更好地達(dá)到應(yīng)力均勻。

將篩選完試樣放在干燥恒溫的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保存。砂巖巖石試件如圖1所示。

圖1 砂巖試件

試驗(yàn)過(guò)程如下：1）將挑選出來(lái)的砂巖放入烤箱中，在105 ℃的恒溫下加熱12 h。2）將恒溫箱中的砂樣放入低溫箱中，分別在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下冷凍12 h。3）將不同溫度下砂樣放在SHPB和單軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。4）將 0.10 MPa，0.20 MPa和0.30 MPa的沖擊載荷施加到凍結(jié)溫度分別為-10 ℃，-20 ℃ 和-30 ℃ 的砂巖上，以獲得相應(yīng)條件下的應(yīng)力波數(shù)據(jù)。為了確保所有測(cè)試的入射桿的撞擊速度均相同，在測(cè)試期間，撞擊桿保持在發(fā)射器的相同位置。5）記錄保存結(jié)果，便于分析低溫下砂巖的力學(xué)性質(zhì)。

1.2 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖2所示為75 mm霍普金森桿試驗(yàn)系統(tǒng)[11-12]，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、壓桿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，壓桿系統(tǒng)由入射桿、透射桿組成，主要測(cè)量入射波、反射波和透射波，入射桿、透射桿均采用相同的高強(qiáng)度合金鋼。

圖2 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)原理

在測(cè)試過(guò)程中，將?50 mm×50 mm 的砂巖放在入射桿和透射桿之間并保持一條線，以確保在應(yīng)力波傳播期間不會(huì)發(fā)生散射。基于一維應(yīng)力波理論，根據(jù)SHPB測(cè)試的基本原理，使用三波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得低溫下砂巖樣品的力學(xué)參數(shù)。應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率[13-14]計(jì)算如下：

ε——軸向應(yīng)變；

σ——軸向應(yīng)力；

ε1(t), ε2(t) , ε3(t)——SHPB的實(shí)測(cè)入射、反射和透射應(yīng)變；

A0——鋼筋的橫截面積；

C0,E0——桿的楊氏模量和應(yīng)力波速度；

L1和A1——砂巖的長(zhǎng)度和初始橫截面積。

2 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

使用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)-10 ℃、-20 ℃ 和-30 ℃的砂巖進(jìn)行靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)。每個(gè)溫度下選擇3個(gè)樣品，并通過(guò)直接加載以0.01 cm/min的加載速率對(duì)樣品進(jìn)行軸向加載。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 砂巖單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果

隨著溫度的降低，砂巖的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度逐漸增大。許多理論分析和類(lèi)似測(cè)試表明[15-16]，溫度降低導(dǎo)致砂巖顆粒之間未凍結(jié)的水分含量降低。一部分未凍結(jié)的水分直接從水蒸氣冷凝成冰，通常以冰的形式存在于砂粒的孔隙或收縮裂縫之間，而另一部分未凍結(jié)的水分則通過(guò)液體凍結(jié)。水進(jìn)入膠結(jié)冰中，存在于砂粒之間的接觸面或膠結(jié)界面處，從而增強(qiáng)了冰在凍結(jié)砂巖中的膠結(jié)效果，使其具有較高的抗壓強(qiáng)度和較強(qiáng)的塑性變形。

3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

低溫下砂巖的典型動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 低溫下砂巖的典型動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

在不同撞擊荷載、不同溫度（-10 ℃，-20 ℃ 和-30 ℃）下砂巖的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為4個(gè)階段：1）OA壓實(shí)階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率較小，并且向上彎曲，該階段由于砂巖中的初始裂隙和微裂紋壓實(shí)閉合引起的非彈性變形，在低溫狀態(tài)下的砂巖中的裂紋壓實(shí)程度較小。2）AB彈性階段，巖石試件在該沖擊載荷階段的應(yīng)力狀態(tài)低于砂巖的屈服狀態(tài)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入彈性階段。3）BC塑性變形階段，隨著應(yīng)變的增大，砂巖試件逐漸破壞，材料的屈服強(qiáng)度降低，在這個(gè)階段，試樣的微裂紋逐漸形成并擴(kuò)散。4）CD破壞階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大逐漸減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有負(fù)斜率。

從圖4（a）～（c）可以看出，隨著溫度的降低，砂巖的峰值應(yīng)力逐漸增加。砂巖試件在-30 ℃的應(yīng)力最大，由于凍結(jié)的砂巖試件是由砂巖組成的多相復(fù)合物，封閉程度相對(duì)較小，塑性階段并不明顯。隨著沖擊載荷的增加，砂巖的應(yīng)變率、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變都隨之增加。

圖4 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力

砂巖試件在不同溫度下的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化規(guī)律如圖5所示。砂巖試樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加而線性增加。-30 ℃的峰值應(yīng)力＞-20 ℃的峰值應(yīng)力＞-10 ℃的峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的關(guān)系近似直線，研究表明，在-30 ℃≤T≤-10 ℃的溫度范圍內(nèi)，溫度降低對(duì)材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用。峰值應(yīng)力與應(yīng)變率擬合關(guān)系如下：

圖5 峰值應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系

3.3 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子

在動(dòng)載荷和靜載荷作用下，試樣的強(qiáng)度均隨溫度的降低而增加。如圖6所示為不同溫度下試樣的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子（DIF）隨應(yīng)變速率的變化關(guān)系。在動(dòng)態(tài)載荷沖擊下，DIF隨應(yīng)變速率的增加而線性增加，DIF的增長(zhǎng)率隨溫度的降低而降低。當(dāng)應(yīng)變速率約為33 s-1時(shí)，三個(gè)低溫狀態(tài)下砂巖樣品的DIF幾乎相同，約為3.0。然而隨著溫度越低，DIF的增加速度越小。原因?yàn)殡S著溫度的降低，試件中孔隙水的含量逐漸增加，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸鶎?，試件的初始?dòng)載抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高。

圖6 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子與應(yīng)變率的關(guān)系

4 砂巖動(dòng)態(tài)破壞模式

在相同低溫下，隨著沖擊載荷的增加，試件中斷裂裂紋的數(shù)量逐漸增加，碎片的尺寸逐漸減小。在-10 ℃時(shí)，撞擊載荷為0.10 MPa時(shí)，砂巖試件表面沒(méi)有明顯的宏觀裂紋，在沖擊載荷為0.20 MPa時(shí)，砂巖試件的破壞面近似平行于軸向，砂巖試件被破壞成兩段。在沖擊載荷為0.30 MPa時(shí)，砂巖試件完全破碎。在-20 ℃和-30 ℃時(shí)，隨著沖擊載荷的增加，砂巖試件破壞后的斷口形貌呈現(xiàn)相同的發(fā)展趨勢(shì)。砂巖試件的破壞模式取決于應(yīng)變率（沖擊載荷）的大小。應(yīng)變率在一定范圍內(nèi)，凍結(jié)砂巖的破壞以拉伸破壞為主。破壞面近似平行于軸向，砂巖試件被破壞成兩段或多段，具有典型的拉伸劈裂破壞特征。由于凍結(jié)砂巖的抗拉能力遠(yuǎn)小于抗壓能力。沖擊載荷下軸向壓縮迅速增加，凍結(jié)砂巖試件表現(xiàn)出壓縮破壞。

低溫條件下，砂巖試件宏觀破碎程度是凍結(jié)砂巖內(nèi)部微裂紋在溫度和沖擊載荷共同作用下萌生、演化、擴(kuò)展和貫通的結(jié)果。在不同沖擊加載階段，裂紋擴(kuò)展程度不同，導(dǎo)致凍結(jié)砂巖試件的破壞形式不同。在沖擊載荷較小，應(yīng)變率較低時(shí)，裂紋沿平行于壓應(yīng)力的方向延伸，且方向明顯。在沖擊載荷較大，試件在軸向劈裂和拉伸破壞后，向砂巖中傳播的應(yīng)力波持續(xù)增加，越來(lái)越多的微裂紋吸收能量，形成主裂紋，使砂巖破碎更嚴(yán)重。溫度的降低可以提高材料砂粒間膠結(jié)冰的強(qiáng)度，提高試件的力學(xué)性能，從而降低沖擊破壞的嚴(yán)重性。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）在不同沖擊荷載、不同低溫下砂巖的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為壓實(shí)階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。隨著溫度的降低，砂巖的峰值應(yīng)力增加，由于水進(jìn)入膠結(jié)冰中，存在于砂粒之間的接觸面或膠結(jié)界面處，從而增強(qiáng)了冰在凍結(jié)砂巖中的膠結(jié)效果，使其具有較高的抗壓強(qiáng)度和較強(qiáng)的塑性變形。

2）砂巖試樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加呈正相關(guān)關(guān)系，隨著溫度降低，DIF的增加速度越小。隨著溫度的降低，試件中孔隙水的含量逐漸增加，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸鶎樱嚰某跏伎箟簭?qiáng)度相對(duì)較高。

3）低溫條件下，砂巖試件宏觀破碎程度是凍結(jié)砂巖內(nèi)部微裂紋在溫度和沖擊載荷共同作用下萌生、演化、擴(kuò)展和貫通的結(jié)果。在相同溫度下，隨著沖擊載荷的增加，試件中斷裂裂紋的數(shù)量逐漸增加，碎片的尺寸逐漸減小。