凍融循環(huán)后紅砂巖靜動態(tài)劈裂拉伸性能對比分析

張陽陽 ，黃 偉

（淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 安徽 淮南 232038）

0 引 言

巖石是一種非均質(zhì)多相復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，內(nèi)部存在大量隨機(jī)分布的天然節(jié)理，物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜[1]。巖石的劈裂拉伸強(qiáng)度是巖體力學(xué)和工程設(shè)計中的重要參數(shù)，其值遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致工程巖體中常出現(xiàn)劈裂破壞的模式，因此，巖石的劈裂拉伸性能逐漸成為研究的熱點(diǎn)[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對巖石的劈裂性能開展了大量的研究，并取得了豐碩的成果。宮鳳強(qiáng)等[3]研究了巴西圓盤劈裂試驗中拉伸模量的解析算法，推導(dǎo)出巖石拉伸模量和總位移之間的關(guān)系；鐘帥等[4]發(fā)現(xiàn)灰?guī)r受力變形過程經(jīng)歷了壓密、彈性和破壞3 個階段，并采用Weibull 分布及Lemaitre 應(yīng)變等效原理，計算得出巖石的損傷劣化程度。考慮到巖石在工程中會經(jīng)受爆破、沖擊等動荷載的作用，平琦等[5-6]采用分離式Hopkinson 壓桿裝置（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）。對巖石的動態(tài)劈裂拉伸性能進(jìn)行了研究，得出沖擊荷載作用下煤礦砂巖試件的拉伸應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)；許金余等[7]對3 種不同的巖石進(jìn)行動態(tài)巴西劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)巖石的拉伸敏感系數(shù)隨應(yīng)變率的增加而增加，徑向峰值應(yīng)變與應(yīng)變率成正比，巖石動態(tài)劈裂拉伸的最終破壞模式受沖擊速度影響較大。

在寒區(qū)，環(huán)境溫度在水的冰點(diǎn)上下浮動，反復(fù)的凍融循環(huán)導(dǎo)致巖石內(nèi)部損傷逐漸積累，導(dǎo)致巖石物理力學(xué)性能的弱化[8-10]。劉慧等[11]對凍融循環(huán)后的砂巖進(jìn)行了聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)凍融作用可引起砂巖抗拉強(qiáng)度降低，隨著凍融次數(shù)的增加，聲發(fā)射持續(xù)時間縮短，巖樣呈現(xiàn)由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變的趨勢。此外宋彥琦[12]、單仁亮[13]、張慧梅[14]、WANG等[15]也對凍融循環(huán)后巖石的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究。MA 等[16]對凍融循環(huán)后巖石的動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度和能量分布參數(shù)進(jìn)行研究，試驗結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度呈對數(shù)下降趨勢。相同凍融循環(huán)下，泥巖的動態(tài)凍融損傷系數(shù)大于砂質(zhì)泥巖。近年來國內(nèi)外學(xué)者對凍融循環(huán)后的巖石進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)的單軸壓縮試驗，但對于凍融循環(huán)后巖石靜態(tài)和動態(tài)劈裂抗拉性能的對比分析相對較少。

以紅砂巖為研究對象，利用RMT-150B 巖石試驗機(jī)和SHPB 試驗裝置對凍融循環(huán)后紅砂巖的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性和破壞形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，后期為寒區(qū)巖體工程穩(wěn)定性分析提供一定的試驗依據(jù)。

1 紅砂巖試樣的制備與試驗設(shè)計

1.1 紅砂巖試樣的制備

試驗選用的紅砂巖試樣取自于安徽省淮南市某項目，紅砂巖平均干密度2.471 g/cm3，平均孔隙率2.486%，平均縱波波速2 048.06 m/s，靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度為25.94 MPa，圖1 為利用掃描電子顯微鏡得到的常溫下紅砂巖的微觀圖片。劈裂試驗采用?50 mm×25 mm 的紅砂巖圓柱試樣，將兩端打磨平整，使其符合巖石動力學(xué)試驗標(biāo)準(zhǔn)[17]。

圖1 常溫下紅砂巖微觀特性Fig.1 Microscopic characteristics of red sandstone at room temperature

1.2 試驗設(shè)計

首先將紅砂巖放置在真空飽水機(jī)中浸泡48 h，使試塊完全飽和。其次將試塊取出，采用保鮮膜密封后放入高低溫循環(huán)試驗箱中。凍結(jié)循環(huán)溫度設(shè)置為-20～20 ℃（12 h 凍結(jié)，12 h 融化），一次循環(huán)時間為24 h，如圖2 所示。循環(huán)次數(shù)為0、5、10、15、20 次，每組3 個平行試件。靜態(tài)試驗采用RMT-150B 巖石試驗機(jī)，動態(tài)試驗采用50 mm 的SHPB 裝置，壓桿材料為密度7.8 g/cm3、彈性模量210 GPa 的合金鋼，縱波波速為5 190 m/s，如圖3 所示，試驗沖擊氣壓為0.4 MPa。

圖2 凍融循環(huán)溫度變化曲線Fig.2 Temperature curve of freeze-thaw cycle

圖3 靜態(tài)和動態(tài)試驗裝置Fig.3 Device for static and dynamic test

2 試驗結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

利用RMT-150B 巖石試驗機(jī)進(jìn)行靜態(tài)劈裂拉伸試驗，通過式（1）計算出紅砂巖靜態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度[18-19]。

式中：σt為巖石的劈裂拉伸強(qiáng)度；P為破壞時的極限荷載；H為圓柱體試樣的高度；D為圓柱體試樣的直徑。

通過黏貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片采集入射、反射和透射脈沖信號，由SHPB 試驗中的2 個基本假定，將采集到的有效原始波形利用簡化的三波法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[20]，得到試件的徑向荷載P(t)，試件的應(yīng)變ε(t)和平均應(yīng)變率ε.(t)，如式（2）—式（4）所示：

式中：E0，A0，C0分別為壓桿的彈性模量、橫截面面積和縱波波速的橫截面面積；D為試件直徑；τ為應(yīng)力波持續(xù)時間；εT和εR分別為測得的透射應(yīng)變和反射應(yīng)變。

2.2 凍融循環(huán)后紅砂巖的物理特征

經(jīng)過凍融循環(huán)前后紅砂巖的縱波波速、干密度和孔隙率隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 凍融循環(huán)后紅砂巖的物理特征Fig.4 Physical characteristics of red sandstone after freezethaw cycles

從圖4 中可以看出，凍融循環(huán)后紅砂巖的縱波波速和干密度隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加而逐漸減小，而孔隙率則隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。在0次循環(huán)時，紅砂巖的縱波波速和干密度分別為2 048.06 m/s 和2.471 g/cm3；在20 次循環(huán)時，紅砂巖的縱波波速和干密度分別為1 155.01 m/s 和2.424 g/cm3，下降了43.6%和1.90%。在0 和20 次循環(huán)時，紅砂巖的孔隙率分別為2.486%和4.884%，上升了96.46%。研究表明凍融循環(huán)后紅砂巖內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)展，孔洞尺寸增大，數(shù)量增多，礦物顆粒之間相互分離，其黏結(jié)力逐漸減弱，導(dǎo)致紅砂巖脆性下降，塑性增大，更容易在試驗中破裂，強(qiáng)度也會隨之下降[13]。

2.3 凍融循環(huán)對紅砂巖動、靜態(tài)劈裂強(qiáng)度的影響

將靜態(tài)和動態(tài)的劈裂拉伸強(qiáng)度進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 紅砂巖劈裂拉伸應(yīng)力—循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Splitting tensile stress-cycle number curve of red sandstone

可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，動、靜態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度都在不斷的減小，且靜態(tài)劈裂強(qiáng)度小于動態(tài)劈裂強(qiáng)度，下降趨勢符合式（5）：

式中：σ為劈裂強(qiáng)度；A，B，C為常數(shù)，取值見表1；n為循環(huán)次數(shù)。

表1 擬合常數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Fitting constant data

未進(jìn)行凍融循環(huán)時，紅砂巖試件的動態(tài)和靜態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度分別為15.14 MPa 和5.85 MPa，經(jīng)過5、10、15、20 次凍融循環(huán)以后，動態(tài)劈裂強(qiáng)度為13.12、12.78、12.22 、11.82 MPa，靜態(tài)劈裂強(qiáng)度為4.84、4.07、3.72、3.40 MPa。20 次凍融循環(huán)后，試件的靜、動態(tài)劈裂強(qiáng)度分別降低了41.88%和21.93%。相同凍融循環(huán)次數(shù)下，紅砂巖試件的動態(tài)劈裂強(qiáng)度比靜態(tài)劈裂強(qiáng)度提高了2.0～3.5 倍。

圖6 給出了紅砂巖經(jīng)過凍融循環(huán)后進(jìn)行動、靜態(tài)試驗，在達(dá)到劈裂強(qiáng)度值時所用的時間，可以看出隨著循環(huán)次數(shù)的增加，動態(tài)和靜態(tài)荷載下試件達(dá)到劈裂強(qiáng)度峰值所需的時間就越長，這是由于凍融導(dǎo)致紅砂巖的塑性增強(qiáng)，脆性減弱。

圖6 紅砂巖時間-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.6 Time-cycle number curve of red sandstone

3 破壞形態(tài)及損傷特性

3.1 凍融循環(huán)后紅砂巖破壞形態(tài)

圖7a 為凍融循環(huán)后紅砂巖的靜態(tài)破碎形態(tài)，不同循環(huán)次數(shù)后紅砂巖的靜態(tài)破壞形態(tài)基本相同，巖石破碎成2 塊，從中軸線垂直破壞，形成幾乎相同的2 個部分，一般無多余碎片產(chǎn)生。

圖7 凍融循環(huán)后紅砂巖的破碎形態(tài)Fig.7 Fracture morphology of red sandstone after freeze-thaw cycles

圖7b—圖7f 為凍融循環(huán)后紅砂巖的動態(tài)破碎形態(tài)，隨著循環(huán)溫度的下降，巖石破碎逐漸增大，不再形成如同靜態(tài)破碎形態(tài)相似的兩半，出現(xiàn)不均勻的破碎形態(tài)。經(jīng)過動態(tài)劈裂拉伸試驗后，紅砂巖試件的破碎形態(tài)與靜態(tài)相比有以下不同之處：①動態(tài)破碎形態(tài)加載兩端出現(xiàn)明顯的壓碎區(qū)域，而靜態(tài)破碎形態(tài)不明顯。②紅砂巖試件隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加破碎程度也在不斷增大，碎塊不斷增多，尺寸不斷減小，而靜態(tài)破碎幾乎相同。③紅砂巖試件在入射桿接觸面處的破碎面積比透射桿接觸處的破碎面積略大，而靜態(tài)破碎形態(tài)較均勻。

3.2 凍融循環(huán)后紅砂巖的損傷特性

研究表明[21]，縱波波速能夠評價試件的損傷程度，通過測量紅砂巖試件在凍融循環(huán)前后的縱波波速，能夠計算得出紅砂巖試件的損傷程度：

式中：D為損傷度；Vp和V0分別為n次循環(huán)和0 次循環(huán)時紅砂巖試件的縱波波速。

圖8 為凍融循環(huán)后紅砂巖的循環(huán)次數(shù)與損傷程度的關(guān)系曲線。從圖8 可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，紅砂巖內(nèi)部的損傷也在不斷增大，二者呈對數(shù)關(guān)系。

圖8 循環(huán)次數(shù)與損傷度曲線Fig.8 Curve of cycle number and damage

4 結(jié) 論

1）紅砂巖試件經(jīng)過凍融循環(huán)后，縱波波速和干密度隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加而逐漸減小，而孔隙率和損傷度則逐漸增大。

2）隨著凍融次數(shù)的不斷增加，動態(tài)和靜態(tài)劈裂拉伸強(qiáng)度都在不斷下降，而達(dá)到峰值所需的時間逐漸增加。相同循環(huán)次數(shù)時，靜態(tài)劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)小于動態(tài)劈裂強(qiáng)度。

3）與靜態(tài)破碎形態(tài)相比，紅砂巖試件的動態(tài)破碎形態(tài)在加載兩端出現(xiàn)明顯的壓碎區(qū)域，且區(qū)域面積隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷增大，破碎區(qū)的碎塊尺寸逐漸減小。