低溫/飽水耦合作用下紅砂巖靜動態(tài)II型斷裂特性試驗研究

謝凱迪, 邱艷宇, 邢灝喆

(陸軍工程大學 國防工程學院 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室,南京 210007)

隨著國際社會圍繞高海拔、極地等高寒地區(qū)疆域戰(zhàn)略合作與競爭的日益深入,高寒地區(qū)成為各國謀求競爭優(yōu)勢的重要陣地,也成為國際關(guān)系博弈的新舞臺。在高寒地區(qū)修建隧道、洞庫等巖石工程是獲取戰(zhàn)略資源、拓展發(fā)展空間的必經(jīng)之路。在高寒環(huán)境下,巖體結(jié)構(gòu)中存在的大量天然節(jié)理、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造同樣面臨著來自沖擊、爆炸等高應(yīng)變率荷載的挑戰(zhàn),其中一個挑戰(zhàn)便是由應(yīng)力波引起的裂隙滑移失穩(wěn)破壞。因此,低溫環(huán)境下巖石動態(tài)II型(面內(nèi)剪切)斷裂力學性質(zhì)的研究具有實際的工程意義。

相比于高溫下巖石動力學特性已有大量的研究成果,近年來低溫環(huán)境下巖石動力特性的研究正逐步引起國內(nèi)外學者的關(guān)注。張歡等[1]對-10 ℃和-15 ℃兩個低溫自然含水狀態(tài)下的砂巖利用霍普金森桿裝置(split Hopkinson pressure bar,SHPB)進行了單軸抗壓試驗,發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低,砂巖強度和彈性模量下降,應(yīng)變軟化現(xiàn)象趨于明顯。然而Wang等[2]在-15 ℃下對煤樣的動態(tài)抗壓試驗中發(fā)現(xiàn),低溫下煤的動態(tài)抗壓強度在任意應(yīng)變率下,均大于室溫下的動態(tài)抗壓強度。楊陽等[3]進一步細化了SHPB試驗中的低溫梯度,結(jié)果顯示飽水凍結(jié)紅砂巖的動態(tài)強度隨溫度降低呈先增大后減小的趨勢,峰值應(yīng)變則先減小后增大。Weng等[4]對含水粉砂巖在18 ℃～-50 ℃的環(huán)境溫度下開展了SHPB單軸抗壓試驗,同樣發(fā)現(xiàn)了隨著溫度降低動態(tài)強度先增大后減小的趨勢,并指出拐點在-30 ℃附近。王建國等[5]研究了低溫梯度(25 ℃～-40 ℃)對飽水花崗巖動態(tài)抗壓力學性能及破壞形態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)能量耗散值表征的損傷變量能夠較準確地反映不同低溫條件下,飽水花崗巖在動態(tài)沖擊作用下的宏觀破壞特征,并指出飽水花崗巖凍結(jié)后的強度不只受冰的劣化作用,低溫也會使其強度有所增加。Yang等[6]對比了紅砂巖、大理巖和花崗巖三種巖石在低溫條件下的動態(tài)力學特性。結(jié)果顯示砂巖動態(tài)強度對低溫敏感性最強,花崗巖最弱,證實了巖石的密度、孔隙率、礦物組成等微觀結(jié)構(gòu)直接影響著巖石的低溫動態(tài)力學行為。除動態(tài)壓縮行為以外,Yang等[7]還利用SHPB巴西盤試驗加載了低溫處理后的砂巖,發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低,動態(tài)抗拉強度先增大后減小,斷裂位置從黏土膠結(jié)面過渡為部分膠結(jié)面部分礦物顆粒。通過以上研究不難發(fā)現(xiàn),以往低溫巖石的動態(tài)力學行為研究主要集中在巖石動態(tài)抗壓、抗拉強度方面,不同巖性和低溫下,巖石動態(tài)強度呈現(xiàn)出了多種形式的變化規(guī)律。然而在低溫下,巖石動態(tài)II型斷裂力學特性尚不明確。

目前,可利用SHPB對巖石材料進行的動態(tài)II型斷裂試驗方法,主要包括沖透剪切試驗(punch through shear, PTS)和短芯壓剪試驗(short core compression, SCC)。其中SCC試驗由于其試件制作簡單,且剪切斷裂面在試件表面可被觀測,自首次在靜態(tài)剪切試驗[8]提出以來,受到了更多研究者的青睞。Xu等[9]進一步通過數(shù)值模擬,觀察SCC剪切裂紋附近應(yīng)力場分布并對比PTS試驗結(jié)果,證實了該方法的可靠性并給出了試樣尺寸以及預(yù)制裂縫位置和尺寸的建議方法。Zhang[10]在SHPB中利用SCC加載方法,開展了沖擊荷載下的剪切試驗,驗證了動態(tài)SCC試驗的應(yīng)力平衡條件,并通過高速攝像確認了純剪破壞模式。

鑒于以上研究現(xiàn)狀,本文利用電液伺服壓力試驗機和SHPB裝置分別對干燥室溫、飽水室溫、-40 ℃干燥凍結(jié)、-40 ℃飽水凍結(jié)四種工況下的紅砂巖進行準靜態(tài)SCC以及不同加載率下的動態(tài)SCC試驗。通過分析對比靜、動態(tài)以及動態(tài)范圍內(nèi)不同加載率下的斷裂韌度、斷裂能等參數(shù)變化規(guī)律,研究低溫和水飽和耦合效應(yīng)對紅砂巖II型斷裂力學特性的影響,根據(jù)試驗結(jié)果探討了二者作用機制。

1 試驗準備

1.1 SCC試樣加工

試驗所用紅砂巖取自云南西北地區(qū),根據(jù)X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)測試分析得知,該砂巖礦物成分主要包括石英(93%)和長石(6%)并伴有少量的泥質(zhì)礦物。紅砂巖密度為2 240 kg/m3,縱波波速為2 164 m/s,單軸抗壓強度44.8 MPa,彈性模量6.4 GPa,抗拉強度2.5 MPa,I型斷裂韌度0.35 MPa·m0.5。

為了最大限度地減少試樣離散性引起的誤差,所有完整巖芯從同一巖塊沿相同方向利用50 mm內(nèi)徑鉆芯套管取出。之后,將巖芯切割成100 mm和50 mm長度圓柱,分別用于準靜態(tài)和動態(tài)SCC試件切縫加工。圓柱端面用研磨機打磨,使得端面粗糙度小于0.05 mm,端面與試樣軸線垂直度偏差小于0.25°。為形成純剪破壞面,需對圓柱試樣預(yù)制兩條平行間隔的裂縫。研究表明,當預(yù)制裂紋間隔與試件長度之比為0.2時,斷裂模式為純剪破壞。因此,針對準靜態(tài)和動態(tài)SCC試件的長度,裂紋間隔分別取20 mm和10 mm,切口深度25mm,利用線切割技術(shù)控制裂紋寬度為1 mm,靜、動態(tài)SCC試件及其幾何尺寸如圖1所示。

圖1 SCC試件示意圖(mm)Fig.1 Schematic of SCC specimen(mm)

1.2 低溫凍結(jié)處理

由于含水狀態(tài)對巖石低溫凍結(jié)效應(yīng)具有不可忽視的影響,本試驗對SCC試件采取了干燥室溫、飽水室溫、干燥凍結(jié)、飽水凍結(jié)共四種工況的處理。首先將所有試樣稱重后置于55 ℃恒溫烘箱中干燥處理24 h,以去除試件中自然狀態(tài)下含有的水分。將部分干燥處理后的試件浸入裝有蒸餾水的真空罐中負壓飽和48 h,得到飽水室溫試件,再次稱重后得到紅砂巖的平均飽和含水率為2.17%。最后,從每一組干燥和水飽和試件中各取部分試件置于-40 ℃恒溫低溫箱中48 h,從而得到干燥凍結(jié)、飽水凍結(jié)下的SCC試件。每種工況下設(shè)置3個靜態(tài)SCC試件,5～6個動態(tài)SCC試件。

1.3 加載裝置及量測技術(shù)

準靜態(tài)SCC試驗利用5 t電液伺服壓力試驗機加載,選取0.2 mm/min恒定位移速度進行加載直至試件斷裂破壞,如圖2所示。圖中紅砂巖表面白色為表面水分凝結(jié)成霜所致,整個加載至斷裂破壞過程約為2 min,處于試件內(nèi)部的剪切面在破壞前可保持凍結(jié)狀態(tài)。

圖2 電液伺服壓力試驗機Fig.2 Electro-hydraulic servo universal testing machine

動態(tài)SCC試驗通過50 mm直徑SHPB進行,如圖3所示。SHPB桿件材料為60Cr2Mn高強度合金,縱波波速5 100 m/s,彈性模量233 GPa。每個試驗工況下,采取不同的發(fā)射氣壓以獲得多種加載率。為促進試件動態(tài)應(yīng)力平衡,入射桿受沖擊端采用10 mm直徑、1 mm厚紫銅片作為整形器平緩入射波升壓曲線[11]。試件與桿件接觸端面涂抹二硫化鉬減少端面摩擦效應(yīng),同時增強應(yīng)力波透射效果。數(shù)據(jù)采集儀采集入射桿與透射桿表面應(yīng)變片記錄的入射波、反射波和透射波波形,采樣頻率為2 MHz/s。

試驗中利用Photron SA-Z高速相機對加載過程中試件變形進行記錄,幀率為30 萬幀/s。由于高速相機光源會產(chǎn)生一定熱量,實際操作中凍結(jié)試件需盡快放置于桿間,而后打開光源隨即進行沖擊。整個過程從取出試樣至沖擊完畢小于30 s。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 低溫下砂巖靜態(tài)II型斷裂結(jié)果

圖4顯示了一組四種工況下的SCC試件準靜態(tài)剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線,以及典型的試件破壞樣貌。豎直裂紋表明試件發(fā)生了純剪切破壞。曲線中應(yīng)變?yōu)樵嚰こ虘?yīng)變,剪應(yīng)力由軸向壓應(yīng)力除以剪切面面積換算得到,即

圖4 準靜態(tài)剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Quasi static shear stress-strain curve

τ=P/DC

(1)

式中:P為壓力機軸向壓應(yīng)力;C為試件預(yù)制平行裂紋間距離;D為試件的直徑。從曲線峰值及其斜率可以得到相應(yīng)工況下的抗剪強度、峰值剪應(yīng)變以及剪切模量。將剪切強度代入式(2)即為紅砂巖的II型斷裂韌度,

(2)

式中:Ls為試件高度;τmax試件剪切強度;a為試件切口深度。上述靜力學結(jié)果平均值列于表1,II型斷裂韌度平均值繪于圖5。

表1 紅砂巖靜態(tài)剪切力學參數(shù)Tab.1 Basic shear parameters of red sandstone

圖5 四種工況下靜態(tài)II型斷裂韌度Fig.5 Static mode-II fracture toughness for four conditions

準靜態(tài)II型斷裂韌度方面,干燥室溫條件下紅砂巖斷裂韌度為0.74 MPa·m0.5,這一結(jié)果符合巖石II型斷裂韌度大于其I型斷裂韌度(0.35 MPa·m0.5)的規(guī)律。與飽和水對巖石抗壓和抗拉強度弱化效應(yīng)[12]類似,含水紅砂巖II型斷裂韌度相比干燥條件下降了23%。而低溫凍結(jié)作用則使得凍結(jié)前無論是干燥或是水飽和的紅砂巖II型斷裂韌度得到增強,提升分別達到58%和36%。對于剪切模量而言,四種工況下的剪切模量大小規(guī)律與斷裂韌度規(guī)律一致。相同溫度條件下,試件的含水狀態(tài)都減弱了試件剪切模量。而僅考慮溫度條件時,無論是干燥或飽水狀態(tài)下,低溫作用又對抗剪模量起到了增強效果。峰值應(yīng)變常用來表征巖石的延性,從圖4和表1可以看出,干燥室溫下應(yīng)變達到4.43×10-3時即發(fā)生斷裂破壞,而低溫和水飽和作用都提升了峰值應(yīng)變。從飽和室溫以及飽和凍結(jié)的峰值應(yīng)變又可得出,含水因素對砂巖剪切應(yīng)變的提升作用要明顯高于低溫因素,當含水與低溫凍結(jié)同時作用時,破壞時的峰值應(yīng)變最高。

能量方面,斷裂前壓力機對紅砂巖試件做功

(3)

式中,As為試件橫截面積。其中部分功用于試件彈性應(yīng)變能:

(4)

式中,Eu為紅砂巖的卸載模量,近似可用加載階段的彈性模量代替[13]。因此,用于紅砂巖II型斷裂的比表面能(下文簡稱斷裂能)為[14]

Uf=(W-We)/DC

(5)

四種工況下計算得到的斷裂能列于表1。不難看出, 除飽和室溫下II型斷裂所需能量減少了43%外,飽和凍結(jié)下斷裂能相對干燥室溫下基本保持不變,干燥凍結(jié)則使得斷裂能提升約20%。

2.2 低溫下砂巖動態(tài)II型斷裂結(jié)果

圖6顯示了某個干燥低溫試樣加載過程中一維應(yīng)力波波形曲線。在動態(tài)試驗過程中,試件入射端應(yīng)力(入射加反射)與透射端應(yīng)力(透射)較好地重合,表明試件從加載直至斷裂過程中試件兩端應(yīng)力平衡,確保動態(tài)試驗數(shù)據(jù)的有效性。需要注意的是,與常見SHPB試驗不同,SCC的動態(tài)試驗中透射波存在兩個波峰。前一個波峰為剪切斷裂發(fā)生時的峰值,后一個波峰為預(yù)制裂縫閉合后,試件形成整體進行壓縮而產(chǎn)生的峰值。

圖6 動態(tài)應(yīng)力平衡Fig.6 Dynamic stress equilibrium

在滿足應(yīng)力平衡條件下,根據(jù)一維波傳播原理,利用透射波代入式(6)計算得到試件的軸向力時程

P(t)=AEεT(t)

(6)

式中:A,E分別為SHPB的橫截面積和彈性模量;εT為桿中透射波應(yīng)變。將軸向力時程以及動態(tài)SCC試件的幾何尺寸參數(shù)代入式(1)、式(2)可得到紅砂巖II型應(yīng)力強度因子曲線(如圖7所示),曲線峰值以及曲線斜率的最大值,分別為動態(tài)II型斷裂韌度及加載率。

圖7 II型動態(tài)斷裂斷裂韌度與加載率Fig.7 Dynamic mode-II fracture toughness and loading rate

四種工況下紅砂巖動態(tài)II型斷裂加載率及其對應(yīng)的斷裂韌度列于表2并繪于圖8。從圖8可知,無論溫度和含水條件如何,II型斷裂韌度都具有加載率增強效應(yīng),且兩者間呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。四種工況的斷裂韌度與加載率擬合直線如式(7)所示,線性相關(guān)系數(shù)均大于90%。

表2 紅砂巖動態(tài)II型斷裂韌度Tab.2 Basic shear parameters of red sandstone

圖8 動態(tài)II型斷裂韌度-加載率關(guān)系Fig.8 Dynamic mode-II fracture toughness versus loading rate

(7)

擬合直線斜率體現(xiàn)斷裂韌度的加載率敏感性。飽和室溫下的紅砂巖斷裂韌度率敏感度最高,而干燥凍結(jié)、干燥室溫、飽和凍結(jié)紅砂巖的斷裂韌度率敏感性幾乎相同,說明砂巖抗剪能力的率相關(guān)性主要由組分中的液相主導。根據(jù)式(7),在相同的動態(tài)加載率下,飽和室溫下紅砂巖的動態(tài)II型斷裂韌度最低。無論干燥或飽和狀態(tài)下,凍結(jié)試樣的II型斷裂韌度皆大于室溫試件。因此,與準靜態(tài)II型斷裂相似,低溫效應(yīng)相較含水狀態(tài)而言,對動態(tài)斷裂韌度更具主導作用。不同的是,飽和凍結(jié)的斷裂韌度在動態(tài)條件下超過了干燥凍結(jié),兩者相比干燥室溫下斷裂韌度分別提高28%和18%。由于飽和室溫下的紅砂巖斷裂韌度率敏感度最高,意味著隨著加載率的進一步提升,飽和室溫與其他三種工況下的斷裂韌度差距將逐步縮小。例如在92±2 MPa·m0.5/s加載率下,飽和室溫的斷裂韌度已達到干燥室溫斷裂韌度的95%,而這一比例在靜態(tài)時僅為77%。

動態(tài)增強因子(dynamic increase factor, DIF)定義為動態(tài)II型斷裂韌度與準靜態(tài)II型斷裂韌度之比[15],用以研究動態(tài)荷載對巖石II型斷裂韌度的提升。從表2和圖9可知,動態(tài)增強因子與加載率近似呈線性增長關(guān)系,且即便在加載率低于40 MPa·m0.5/s的條件下,各種工況的動態(tài)斷裂韌度也超過了靜態(tài)的1.5倍以上。四種工況相對而言,具有較高斷裂韌度的干燥凍結(jié)紅砂巖的DIF反而最小。當加載率超過70 MPa·m0.5/s后,室溫條件下的DIF均大于凍結(jié)試件,其中又以飽和室溫的動態(tài)斷裂韌度相對靜態(tài)提升最為明顯,如加載率為95.5 MPa·m0.5/s時,動態(tài)斷裂韌度為靜態(tài)下的4.88倍。因此,凍結(jié)作用提升了紅砂巖的靜、動態(tài)斷裂韌度,但是低溫也抑制了動態(tài)荷載對斷裂韌度的提升能力。

圖9 動態(tài)增強因子-加載率關(guān)系Fig.9 DIF versus loading rate

能量耗散方面,動態(tài)SCC試件吸收的能量WA為桿中入射能WI減去反射能WR與透射能WT,計算公式

(8)

WA(t)=WI-WR-WT

(9)

式中:A,E分別為SHPB的橫截面積和彈性模量;C為桿中應(yīng)力波傳播速度;εI為桿中入射波應(yīng)變;εR為桿中反射波應(yīng)變;εT為桿中反射波應(yīng)變。

動態(tài)試驗中,試件斷裂后的碎塊還存在一定的動能。利用高速攝像對斷裂發(fā)生時試件水平速度進行追蹤,發(fā)現(xiàn)即便在最高加載率下,試件碎塊速度小于0.5 m/s。意味著剪切斷裂時,試件碎塊動能小于0.025 J,在吸收能中的占比小于5%。因此,近似認為斷裂總耗能約等于吸收能,斷裂能為吸收能除以剪切面積,其值繪于圖10。不同含水和低溫組合下的II型靜、動態(tài)斷裂能與加載率近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,這與巖石I型斷裂韌度與裂紋開展速度之間的關(guān)系相類似[16]。從斷裂耗能的角度來看,水減弱了誘發(fā)斷裂所需的能量,但是含水下的凍結(jié)又提升了斷裂耗能,使之與干燥室溫、干燥凍紅砂巖斷裂所需能量近似相等。因此,砂巖內(nèi)部構(gòu)成為礦物骨料或者骨料與冰的混合固體時,其動態(tài)斷裂能差別不大。

圖10 II型斷裂能-加載率曲線Fig.10 Mode-II fracture energy versus loading rate curve

3 討 論

3.1 飽和水對巖石II型斷裂韌度的影響

在靜、動態(tài)斷裂試驗中,飽和室溫紅砂巖的II型斷裂韌度均低于其余三種工況。一方面,孔隙中的自由水不能承受剪切力,無法增加試件整體的抗剪強度;另一方面,石英物理水解與化學劣化[17]的耦合效應(yīng)導致巖石礦物骨架抗剪強度損失,造成室溫下飽和紅砂巖的II型斷裂韌度顯著降低。

但是在動態(tài)剪切斷裂中,飽和室溫紅砂巖斷裂韌度率敏感度和動態(tài)增強因子均高于其他三種工況,說明動態(tài)荷載范圍內(nèi),自由水與砂巖骨架聯(lián)動,提升了剪切斷裂韌度的率效應(yīng),其機制主要來源于自由水的黏性效應(yīng)[18]和彎月面效應(yīng)[19]。

3.2 低溫對干燥巖石II型斷裂韌度的影響

在零度以下時,干燥砂巖閉合孔隙中殘留的水分將被凍結(jié)。作為固體,冰可以承擔部分抗剪能力,并且可以連接并收緊相鄰的顆粒,起到粘合劑的作用。此外低溫使礦物顆粒收縮,使得基質(zhì)間更加緊密,增強了抵抗變形的能力,這些都造成干燥凍結(jié)紅砂巖II型斷裂韌度的提升。

3.3 水飽和及低溫對巖石II型斷裂韌度的耦合效應(yīng)

當飽和試件暴露于零下溫度時,巖石II型斷裂韌度的影響機制較為復雜。一方面,凍結(jié)前水弱化效應(yīng)和凍結(jié)后冰的膨脹將施加孔隙壓力,導致孔隙損傷,使巖石骨架惡化,造成巖石損傷;另一方面,冰的固結(jié)抗剪和基質(zhì)連接效應(yīng)又起到了巖石斷裂韌度增強效應(yīng)。

從結(jié)果來看,靜態(tài)加載條件下,低溫增強效應(yīng)使得飽和凍結(jié)斷裂韌度大于室溫飽和下的紅砂巖,但該增強效應(yīng)仍不足以完全補償水弱化引起的II型斷裂韌度損失,從而導致飽和凍結(jié)試樣的準靜態(tài)II型斷裂韌度低于干燥凍結(jié)試樣。當加載率來到動態(tài)范圍后,冰的動態(tài)抗剪能力受率效應(yīng)影響從而提升,凍結(jié)的韌度增強效應(yīng)抵消并超過凍結(jié)前水弱化作用,使得飽和凍結(jié)下的紅砂巖具備了最高的動態(tài)II型斷裂韌度。

3.4 水-低溫耦合效應(yīng)對巖石工程的啟示

本研究表明,含水巖石的靜態(tài)、動態(tài)抗剪能力都有所降低,因此對不同類型的巖石而言,其含水能力強弱將直接影響弱化程度。凍結(jié)造成剪切斷裂韌度的提升均適用于干燥或飽和紅砂巖,意味著無論巖石的吸水性如何,處于低溫環(huán)境下時,其靜、動態(tài)抗剪能力將得到提升,這有利于巖石工程抵抗外力造成的剪切破壞。然而需要注意的是,這一結(jié)果僅能針對長期處于凍結(jié)條件下的巖石工程。當巖石工程所在環(huán)境存在零度以上溫度時,將發(fā)生凍融作用,凍融循環(huán)下巖石抗剪切靜、動態(tài)斷裂的分析有賴于未來進一步研究。

4 結(jié) 論

為深入研究低溫、水飽和耦合效應(yīng)對紅砂巖II型斷裂韌度的影響,對干燥室溫、飽水室溫、-40 ℃干燥凍結(jié)和-40 ℃飽水凍結(jié)四種工況下的紅砂巖開展了準靜態(tài)和動態(tài)SCC試驗,得到以下主要結(jié)論:

(1)靜、動態(tài)加載條件下,水飽和作用都弱化了紅砂巖II型斷裂韌度,而凍結(jié)作用則使得紅砂巖靜、動態(tài)II型斷裂韌度顯著提升。準靜態(tài)加載時,干燥凍結(jié)試樣II型斷裂韌度最高,動態(tài)加載范圍內(nèi),飽和凍結(jié)試樣II型斷裂韌度超越干燥凍結(jié)試樣。

(2)動態(tài)剪切中,四種工況下的II型斷裂韌度與加載率之間呈現(xiàn)線性增長關(guān)系。巖石孔隙中自由水對加載率敏感度有促進作用,凍結(jié)則抑制了動態(tài)荷載對斷裂韌度的提升能力。飽和室溫紅砂巖斷裂韌度率敏感度和動態(tài)增強因子均高于凍結(jié)與干燥室溫紅砂巖。

(3)不同含水和溫度組合下的II型靜、動態(tài)斷裂能與加載率近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。水減弱了誘發(fā)斷裂所需能量,但是當紅砂巖組分皆為固相時,動態(tài)斷裂能并未因凍結(jié)而明顯改變。