低溫下不同飽和度凍結(jié)砂巖動態(tài)力學(xué)行為試驗(yàn)研究

許軍策 ，浦 海,2 ，沙子恒

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116；2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830023）

0 引 言

影響高寒地區(qū)工程巖體力學(xué)行為的因素很多，如荷載、溫度、含水量等，其中含水量是一個關(guān)鍵因素。受地表徑流和地下水滲流的影響，工程巖體中的含水量并非均勻分布，致使其飽和度存在明顯的差異[1]。低溫條件下(<0 ℃)，孔隙水相變?yōu)楸w積膨脹(9%)，進(jìn)而重塑巖石內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖體物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異。此外，寒區(qū)工程巖體往往遭受不同形式動態(tài)荷載的影響，如露天礦邊坡不僅受凍害的影響，且易受爆破施工等沖擊載荷的影響，誘發(fā)邊坡滑移失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害[2]。因此，開展低溫下不同飽水巖石的動態(tài)力學(xué)試驗(yàn)及損傷機(jī)制的研究，對于寒區(qū)巖體工程安全具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在凍結(jié)巖石力學(xué)方面開展了大量工作，以研究溫度、飽和度及孔隙結(jié)構(gòu)等因素對凍結(jié)巖石物理力學(xué)特性的影響：如劉波等[3]開展了4 種低溫條件下凍結(jié)砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)飽和砂巖的強(qiáng)度隨著凍結(jié)溫度的降低出現(xiàn)先增大后減少的趨勢；楊更社等[4]研究了凍結(jié)砂巖的三軸力學(xué)特性，結(jié)果表明凍結(jié)狀態(tài)下巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。此外，KODAMA 等[5]分析了飽和度變化對凍結(jié)砂巖力學(xué)特性及破壞形態(tài)的影響；HUANG 等[6]通過對凍結(jié)砂巖進(jìn)行聲發(fā)射和應(yīng)力監(jiān)測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)飽和度超過85%時，砂巖凍結(jié)過程中出現(xiàn)明顯的凍脹應(yīng)變和聲發(fā)射信號。徐光苗等[7]對不同初始孔隙結(jié)構(gòu)砂巖進(jìn)行凍融試驗(yàn)，揭示了孔隙率變化對巖石凍結(jié)劣化特征的影響規(guī)律；SARICI 等[8]評估了凍結(jié)過程中孔隙率對巖石力學(xué)性能的影響，并建立了兩者之間的函數(shù)關(guān)系。然而，上述研究多關(guān)注于凍巖靜態(tài)力學(xué)特性的研究，并不足以反映沖擊荷載下凍巖的力學(xué)響應(yīng)。

隨著寒區(qū)巖體工程的增加，凍融作用下巖石的動態(tài)力學(xué)行為日益受到關(guān)注[2]。分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)系統(tǒng)是開展動力學(xué)試驗(yàn)的主要設(shè)備之一?；赟HPB 試驗(yàn)系統(tǒng)，XU 等[9]研究了凍融作用下砂巖動態(tài)力學(xué)特性，并建立了基于波速變化的動態(tài)強(qiáng)度劣化模型；李杰林等[10]結(jié)合NMR 和SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，探究了凍融作用下砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的變化對其動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響；LIU 等[11]對凍融作用后砂巖進(jìn)行了不同沖擊荷載的SHPB 試驗(yàn)，建立了試樣破碎分形維數(shù)和沖擊強(qiáng)度之間的關(guān)系。ZAKHAROV 通過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在爆破和巖石破裂帶等區(qū)域內(nèi)，低溫可以起到軟化飽和巖石的作用，是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因[12]。針對此，陳彥龍等開展了低溫飽和砂巖的SHPB 試驗(yàn)，分析了沖擊速度對凍結(jié)砂巖動態(tài)力學(xué)特性及破壞形態(tài)的影響[2]；基于動態(tài)拉伸試驗(yàn)，YANG 等[13]探索了飽和凍結(jié)砂巖的拉伸破裂機(jī)理；WENG 等[14]通過SHPB 試驗(yàn)研究了低溫條件下干燥和飽和粉砂巖動態(tài)力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)含水量是影響凍結(jié)砂巖動態(tài)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。然而，目前針對低溫下飽和度對巖石動態(tài)力學(xué)特性研究并不完善，多集中于干燥或飽和狀態(tài)。

因此，以中國新疆地區(qū)的紅砂巖為研究對象，制備了5 種不同飽和度試樣，并利用低溫SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng)對凍結(jié)試樣進(jìn)行4 種彈速的沖擊試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，分析了飽和度的變化對砂巖動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度、變形及脆性的影響。此外，結(jié)合NMR 和SEM 等技術(shù)，探究了不同飽和度凍結(jié)砂巖微觀結(jié)構(gòu)的演化特征。研究結(jié)果以期為寒區(qū)巖體工程的安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及試樣制備

新疆地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)域，其巖土工程多遭受凍害的影響。同時，該地區(qū)是我國露天采煤基地，冬季爆破作業(yè)頻繁易誘發(fā)巖體邊坡滑移等地質(zhì)災(zāi)害。因此，采用了烏魯木齊某露天礦巖質(zhì)邊坡的砂巖塊為研究對象，其結(jié)構(gòu)完整，顆粒均勻，呈現(xiàn)棕紅色。通過X 射線衍射(XRD)試驗(yàn)確定了巖石的基本礦物成分（圖1），該砂巖主要由石英（47.3%）、長石（31.5%）和伊利石（9%）組成，并含有少量方解石和綠泥石。

圖1 紅砂巖試樣XRD 試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 XRD results of the red sandstone

根據(jù)ISRM 的標(biāo)準(zhǔn)，巖塊被加工成直徑為50 mm、長徑比為1 的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。加工完后，剔除表面存在缺陷的試樣，并選擇波速相近的試樣作為試驗(yàn)對象。完整試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 紅砂巖試樣基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 General physico-mechanical properties of red sandstone sample

將篩選出的試樣進(jìn)行干燥，并使用真空飽水裝置對其飽水；隨后，將飽和試樣置于50 ℃的干燥箱中自然蒸發(fā)，通過質(zhì)量控制法獲得預(yù)先設(shè)定的飽和度[15]。達(dá)到指定含水量時，采用凡士林涂抹試樣表面，避免水分蒸發(fā)和保持水分均勻分布。本試驗(yàn)的飽和度設(shè)為0、30%、50%、80%和100%。最后，考慮取樣地點(diǎn)冬季溫度的變化，將制備好的試樣放入凍融箱中，在-25 ℃條件下冷凍24 h[9]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

低場NMR 試驗(yàn)系統(tǒng)的共振頻率為12.8 MHz，主磁場強(qiáng)度約為0.3 T。在測試中，不同飽和度樣品在-25 ℃的凍融箱中凍結(jié)24 h。凍結(jié)后，將試樣融化并再次飽和，隨后進(jìn)行NMR 測試[3]。

利用低溫SHPB 系統(tǒng)開展凍結(jié)砂巖沖擊試驗(yàn)，其中，子彈和桿的直徑均為50 mm，由Cr40 制成，其波速、屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為5 400 m/s，800 MPa和208 GPa。低溫系統(tǒng)主要包括控制器、液氮罐、電熱絲傳感器及保溫室等。保溫室內(nèi)層主要由硅酸鋁針刺毯組成，具有良好的保溫效果（圖2）。試驗(yàn)時，當(dāng)傳感器檢測到低溫室溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，電熱絲將停止工作，此過程由電磁閥自動控制[2]。試驗(yàn)時可通過控制器調(diào)節(jié)保溫室內(nèi)的溫度，控制溫差為±0.5 ℃。

試驗(yàn)前，在試樣兩端涂抹二硫化鉬作為潤滑劑以減少摩擦效應(yīng)。將保溫室溫度調(diào)整為-25 ℃，放入凍結(jié)砂巖試樣，并選擇橡膠圓墊作為脈沖整形器。沖擊試驗(yàn)后，基于一維應(yīng)力波傳播理論，采用了三波法計(jì)算了試樣兩端荷載P1和P2、應(yīng)變率 ε˙與 應(yīng)變ε（式1）。

式中：Ar為桿與試樣截面積的比值；E0、Cs和Ls分別為桿的彈性模量，波速及試樣的長度； εi(t)、 εr(t)和εt(t)分別為入射、反射和透射應(yīng)變。此外，子彈沖擊速度由激光測速儀獲得。

1.3 動力學(xué)試驗(yàn)方案

如上所述，試驗(yàn)選取了5 種飽和度巖樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，以4 種沖擊速度（4、5、6、7 m/s）作為加載條件，每種條件下3 塊試樣。因此，開展SHPB 試驗(yàn)時共需要60 塊試樣，另選取5 塊作為備用試樣。同時，對試樣進(jìn)行了編號，如D-50-4 表示飽和度為50%沖擊速度為4 m/s 試樣。此外，進(jìn)行動力學(xué)試驗(yàn)時需要驗(yàn)證試樣兩端的應(yīng)力平衡[16]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 LT-NMR 試驗(yàn)結(jié)果

LT-NMR 試驗(yàn)中，磁共振信號強(qiáng)度代表被測樣品中含氫流體的量，而其隨時間變化的快慢（橫向弛豫時間T2）與流體中分子的賦存狀態(tài)有關(guān)。因此，巖石中含氫流體的弛豫時間可全面反映巖石內(nèi)部孔隙的分布規(guī)律[17]。對于巖石中含氫流體，其在射頻脈沖后的弛豫時間T2[18]為

式中： ρ為表面的弛豫強(qiáng)度，與巖石顆粒表面及膠結(jié)物的性質(zhì)有關(guān)；S/V為巖石內(nèi)孔隙的比表面，與孔隙的形狀有關(guān)[19]。因此，通過試樣T2譜圖的分布特征，可以間接獲得巖石內(nèi)不同尺寸孔隙的分布規(guī)律。

圖3 給出了不同飽和度試樣凍結(jié)后T2譜圖分布曲線。凍結(jié)試樣T2譜圖曲線主要呈現(xiàn)出3 個峰值，表明該砂巖內(nèi)部主要有3 種尺寸分布的孔裂隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)YAO 等[20]壓汞和NMR 的試驗(yàn)結(jié)果，T2、孔隙直徑與孔隙水類型之間存在著對應(yīng)關(guān)系，如T2為0.01～10 ms 時，對應(yīng)孔徑約為0.1 μm，稱為微孔（小孔），可作為薄膜水與毛細(xì)水之間的物理分界線；而當(dāng)T2大于100 ms 時，對應(yīng)孔徑大于1 μm，主要存在自由水，稱為主干孔(大孔)。由圖3 可知，與飽水試樣相比，干燥試樣各孔徑T2譜面積均有減少的趨勢，表明低溫下，干燥試樣孔隙結(jié)構(gòu)幾乎不受低溫的影響。然而，隨著含水量的增加，第二峰所占面積比由2.19%（干燥）增加至9.32%（飽和），表明低溫下飽和度的增加對中孔擴(kuò)展發(fā)育的影響最大；而當(dāng)飽和度超過80%時，第三峰面積增加了3.57%，表明砂巖試樣的大孔開始進(jìn)一步發(fā)育。因此，低溫下試樣飽和度小于80%時，以中小孔發(fā)育為主，當(dāng)飽和度超過80%時，砂巖試樣的大孔開始發(fā)育擴(kuò)展。換言之，低溫凍脹劣化主要發(fā)生在中-大孔內(nèi)，且大孔劣化作用更為明顯，這是由于低溫下大孔隙中的水更易形成分子簇，以克服結(jié)晶的能量屏障，率先成核結(jié)冰[5]。而小孔隙內(nèi)的水難以成核，呈現(xiàn)過冷的狀態(tài)。進(jìn)而，低化學(xué)勢的過冷水易遷移至中-大孔內(nèi)，致使孔內(nèi)冰晶壓力的持續(xù)增長。當(dāng)壓力超過巖石基質(zhì)抗拉強(qiáng)度時，孔隙將進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展。而當(dāng)孔隙含水量較低時，冰體積的生長受限，孔裂隙的發(fā)育將受到抑制。因此，T2譜圖中呈現(xiàn)出了第二和第三峰值隨飽和度的增大而增加的趨勢。

圖3 凍融后不同飽和度紅砂巖樣品弛豫時間T2 譜分布Fig.3 Distribution of T2 spectrum of red sandstone samples with different saturation after freeze-thaw

2.2 SHPB 試驗(yàn)結(jié)果

通過調(diào)整氣壓和撞擊桿的位置，確定了4 種近似的沖擊荷載。如圖4a—圖4e 給出不同飽和度和沖擊荷載下動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖4f 為試樣動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的典型形態(tài)。由圖4f 可知，低溫下凍結(jié)砂巖的應(yīng)力應(yīng)變行為表現(xiàn)出4 個階段：I 初始壓密階段；II 線彈性變形；III 塑性軟化階段；IV 峰后破壞階段，此階段試樣已從壓桿端掉落，因此不做討論。由圖4a—圖4e 可知，干燥狀態(tài)下凍結(jié)試樣動態(tài)曲線出現(xiàn)了明顯的壓密階段，且隨著沖擊速度的增加而降低；而隨著飽和度的增加，壓密階段逐漸減少。為了描述動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的行為，采用了幾個參數(shù)用以評估飽和度和沖擊速度對凍結(jié)砂巖動態(tài)力學(xué)特性的影響，主要包括動態(tài)強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量及動態(tài)脆性指數(shù)(BI)等，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同條件下凍結(jié)砂巖的動態(tài)力學(xué)參數(shù)Table 2 Dynamic mechanical parameters of frozen sandstone under different conditions

2.2.1 動態(tài)強(qiáng)度演化

根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)，凍結(jié)砂巖的動態(tài)強(qiáng)度與沖擊速度和飽和度關(guān)系如圖5 所示。由圖可知，低溫條件下試樣動態(tài)強(qiáng)度隨著沖擊速度增大而增大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；然而，隨著飽和度增加呈現(xiàn)先增大后降低趨勢。當(dāng)沖擊速度為5 m/s 時，與干燥試樣相比，飽和度由30%增至100%，動態(tài)強(qiáng)度分別增加24.9%，32.7%，2.86%和-7.3%，表明對于該類紅砂巖當(dāng)飽和度超過80%時，凍結(jié)強(qiáng)化效應(yīng)將被抑制。低溫時，由于界面能的影響，巖石內(nèi)較大孔隙中的水迅速成核并凍結(jié)。若大孔中含水量較低，即使通過未凍水遷移補(bǔ)給也很難產(chǎn)生結(jié)晶壓力。此時，孔隙冰起到支撐孔壁和減少裂隙長度的作用，進(jìn)而降低了裂隙尖端的應(yīng)力集中[5]。因此，當(dāng)沖擊應(yīng)力波在試樣內(nèi)傳播時，孔隙尖端裂紋不易發(fā)育。同時，未凍薄膜水與巖石基質(zhì)和孔隙冰之間的黏附力增強(qiáng)了孔隙的抗拉和抗剪切的力學(xué)特性。然而，當(dāng)含水量超過孔隙空間所能承受的水冰相變體積增量時，不可避免地促進(jìn)微裂隙的持續(xù)發(fā)育，進(jìn)而降低試樣的動態(tài)強(qiáng)度。

圖5 凍結(jié)砂巖動態(tài)強(qiáng)度與沖擊速度和飽和度的關(guān)系Fig.5 Dynamic strength of samples versus impact velocity and saturation

此外，采用動態(tài)強(qiáng)度增加因子(DIF)評估了凍結(jié)砂巖試樣強(qiáng)度的增長率，結(jié)果如圖6 所示。DIF計(jì)算如式（3）所示，其中fv(d)為沖擊速度為v時試樣動態(tài)強(qiáng)度，而f(s)為其靜態(tài)強(qiáng)度。由圖可知，凍結(jié)砂巖的動態(tài)強(qiáng)度增長隨飽和度的增加先升高后降低；而隨著沖擊速度呈線性增加（式（4）），且增加速率與飽和密切相關(guān)，50%飽和度時其增加率達(dá)到最大。例如，沖擊速度為6 m/s 時，試樣飽和度由0 增加至50%時，DIF由2.11 增長至2.87；而到飽和度增加至80%，DIF下降為2.31。因此，飽和度50%～80%之間存在臨界飽和度Src。當(dāng)飽和度大于Src時，砂巖中的孔隙冰對動態(tài)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用逐漸受到抑制，尤其是接近飽和時，在結(jié)晶壓力的作用下孔裂隙發(fā)育擴(kuò)展進(jìn)一步阻礙了試樣動態(tài)強(qiáng)度的增加。

事實(shí)上，孔隙水相變?yōu)楸鶗r體積膨脹對巖石骨架產(chǎn)生一定的凍脹力[21]。HUANG 等[6]通過實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)飽和度是影響其凍脹力的關(guān)鍵因素。假設(shè)試樣內(nèi)部凍脹力均勻分布巖石基質(zhì)內(nèi)，凍脹力Pi與飽和度Sr和凍結(jié)率u間的關(guān)系可用式（5）表示[22]：

式中：β為冰的體積膨脹系數(shù)；n為孔隙率；u為凍結(jié)率；Kr和Ki分別為巖石骨架體積模量與冰體積模量；H[u-x]為階躍函數(shù)。由式（5）可知，孔隙內(nèi)結(jié)晶壓力受孔隙率、飽和度、凍結(jié)率及冰和巖石骨架的體積模量等因素影響。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，β取9%，Kr和Ki分別為20.83 GPa 和5 GPa；為了顯示結(jié)果，這里階躍函數(shù)默認(rèn)為1，Sr值大于0.8。將上述參數(shù)帶入式（5）可得凍結(jié)壓力與飽和度和凍結(jié)率的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 試樣凍脹力隨飽和度Sr 和凍結(jié)率u 變化Fig.7 Frost heaving force versus saturation Sr and freezing rate u

由圖7 可知，凍脹力與孔隙飽和度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但在較低飽和度試樣內(nèi)部并不能產(chǎn)生有效凍脹應(yīng)力；而完全飽和時，即使在較低凍結(jié)率下仍可以產(chǎn)生有效凍脹應(yīng)力。隨著孔隙水凍結(jié)率的增加，孔隙內(nèi)凍脹應(yīng)力的強(qiáng)度因子將逐漸大于裂紋擴(kuò)展臨界強(qiáng)度因子KIC，促使孔裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石內(nèi)部累計(jì)損傷的增加。因此，當(dāng)飽和度超過Src時，試樣動態(tài)強(qiáng)度將逐漸減小。然而，材料特性，如孔隙結(jié)構(gòu)、礦物顆粒和膠結(jié)強(qiáng)度特征等也是影響凍脹力大小和位置的關(guān)鍵因素。由于所選試樣為新疆地區(qū)砂巖，其成巖時間短、膠結(jié)能力弱、強(qiáng)度較低，對于凍脹應(yīng)力更為敏感[9]。因此，試驗(yàn)砂巖產(chǎn)生凍脹損傷的飽和度低于其理論值91%。

2.2.2 動態(tài)彈模演化

根據(jù)圖4f，采用了彈性階段(II)的切線模量作為其動態(tài)彈性模量。動態(tài)彈性模量與沖擊速度和飽和度變化關(guān)系如圖8 所示。研究發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)砂巖動彈性模量與峰值應(yīng)變的變化規(guī)律相反。5 種飽和度下，沖擊速度由4 m/s 增加至7 m/s 時，砂巖動態(tài)彈性模量分別增大了32.8%、43.1%、37.1%、51.5%及23.4%，具有明顯的剛度強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)試樣飽和度小于80%時，試樣動態(tài)彈性模量呈增大趨勢，這是由于水相變?yōu)楣腆w冰，降低了巖石內(nèi)部缺陷的體積[23]。當(dāng)沖擊荷載增加時，巖石內(nèi)部缺陷的降低有助于壓縮應(yīng)力波的傳播，抑制了內(nèi)部小缺陷或亞缺陷的激活，進(jìn)而增強(qiáng)了試樣的抗變形能力。然而，當(dāng)飽和度超過Src，在凍脹力的作用下部分裂隙開始發(fā)育，導(dǎo)致試樣內(nèi)部缺陷體積的增加，因此其動態(tài)彈性模量出現(xiàn)降低趨勢。

2.2.3 動態(tài)脆性指數(shù)

脆性是巖石材料的一個重要參數(shù)，用來描述巖石的變形與破壞過程。不同的外部因素，如含水量、溫度等，不可避免地會改變巖石材料的脆性參數(shù)和破壞模式[24]。因此，采用一個脆性指數(shù)來表征飽和度和沖擊速度對凍結(jié)砂巖峰前變形特征的影響，計(jì)算公式如下[25]：

式中：εp和εe指分別為應(yīng)力應(yīng)變曲線中峰值點(diǎn)與屈服點(diǎn)應(yīng)變坐標(biāo)值；當(dāng)BI為1 時認(rèn)為試樣完全脆性，即BI值越大表示試樣的脆性越大。根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)，凍結(jié)砂巖脆性指數(shù)隨初始飽和度與沖擊速度關(guān)系曲面，如圖9 所示。

由圖9 可知，沖擊速度的增加促使凍結(jié)砂巖試樣由高脆性向韌性轉(zhuǎn)變。從能量角度出發(fā)，脆性的增加意味著試樣內(nèi)部彈性能累積階段增大，而裂紋發(fā)育不穩(wěn)定階段減少。因此，可以認(rèn)為低沖擊速度下，凍結(jié)試樣內(nèi)部微裂隙不易發(fā)育，這與陳彥龍等所試驗(yàn)的結(jié)果相一致[2]。此外，凍結(jié)砂巖的脆性隨著飽和度增加呈現(xiàn)出增長的趨勢，這是由于孔隙冰的存在阻止了裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，增加了試樣的抗變形能力，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為III 階段的減少。然而，這種增長趨勢受飽和度限制，當(dāng)飽和度超過其Src時，此時孔隙冰既起到了降低巖石內(nèi)部缺陷作用，又通過凍脹力了促進(jìn)了裂隙的發(fā)育擴(kuò)展。因此，2 種作用下起到關(guān)鍵性的作用將控制著凍結(jié)砂巖的動態(tài)變形與破壞行為，即決定了試樣脆性破壞的程度。

2.3 宏觀破壞特征分析

巖石的破碎響應(yīng)與沖擊荷載和巖石微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[26]。圖10 為不同飽和度和沖擊速度下凍結(jié)砂巖的破壞形態(tài)，由圖10 可知，由于砂巖試樣強(qiáng)度較低，不同沖擊速度下均完全破碎。飽和度50%凍結(jié)試樣破碎塊粒度分布較大，而試樣達(dá)到飽和時，較高沖擊速度下（7 m/s）試樣破碎為粉末狀。根據(jù)圖可推斷出，隨著飽和度和沖擊荷載增加，凍結(jié)試樣將從張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯樾缘膹?fù)合破壞。這是由于飽和度的增加，促進(jìn)了試樣微裂隙的發(fā)育，在荷載作用下更多裂隙將會產(chǎn)，因此破碎形態(tài)更為復(fù)雜。

圖10 不同飽和度和沖擊速度下凍結(jié)砂巖的破壞形態(tài)Fig.10 Failure characteristics of frozen sandstone with different saturations and impact velocities

為了量化試樣宏觀破碎形態(tài)，通過篩網(wǎng)對破碎塊體進(jìn)行篩分，篩網(wǎng)孔徑為0.75～45 mm。圖11 顯示了試樣破碎塊體的篩分結(jié)果。圖中數(shù)據(jù)R是基于每組中最大滯留質(zhì)量比例而歸一化處理后的可視化結(jié)果（同組最大數(shù)據(jù)顯示為100%）。由于45 mm 巖塊質(zhì)量與其他巖塊質(zhì)量相差較大，因此歸一化處理時將數(shù)據(jù)分為2 組，即存在45 mm 為一組（R最大值為75.6%），其余為一組（R最大值為32.5%）。R的計(jì)算式為m1/mtot，ml和mtot分別為各級篩網(wǎng)滯留質(zhì)量和試樣破碎總質(zhì)量，g。

圖11 沖擊載荷下凍結(jié)試樣的破碎塊體質(zhì)量分布Fig.11 Broken mass distribution of frozen samples under impact load

由圖11 可知，在相同的沖擊速度下，同一篩網(wǎng)的滯留質(zhì)量與飽和度密切相關(guān)。但并沒有表現(xiàn)出一致的相關(guān)性，而是有3 種關(guān)系：正向、負(fù)向和波動的關(guān)系。隨著沖擊速度的增加，凍結(jié)試樣的破碎質(zhì)量分布逐漸從左上角過渡到右下角區(qū)域，這標(biāo)志著凍結(jié)砂巖破碎逐漸向細(xì)粒粉移動。盡管沖擊速度不同，較大的破碎質(zhì)量的分布仍然與其動態(tài)強(qiáng)度密切相關(guān)，如“凸波動”型的分布與動態(tài)強(qiáng)度相匹配。然而，隨著破碎粒度的降低，破碎巖塊的分布與動態(tài)強(qiáng)度和飽和度有很大的差異。這是由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)性差異決定了冰結(jié)晶應(yīng)力的作用，如提供支撐力或促進(jìn)孔隙發(fā)育等，進(jìn)而影響了破碎巖塊的質(zhì)量分布。

2.4 微觀破壞特征分析

利用SEM 圖像（1 000 倍）來推斷砂巖凍結(jié)后微觀形態(tài)變化，結(jié)果如圖12 所示。原始狀態(tài)下其結(jié)構(gòu)較為松散，存在較多原生微裂隙和孔等缺陷；低溫凍結(jié)后，由于礦物顆粒熱的收縮性，試樣表面變得密實(shí)，部分原生裂隙閉合，此時最大裂隙寬度僅為2 μm；當(dāng)試樣飽水至30%時，由于部分孔隙內(nèi)水相變?yōu)楸?，冰晶?yīng)力導(dǎo)致部分閉合裂隙重新激活，此時孔隙冰以增強(qiáng)作用為主；隨著飽和度增加至50%時，部分微裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通，但多數(shù)微裂隙寬度小于1 μm，此時孔隙冰對內(nèi)部造成損傷程度仍低于其強(qiáng)化作用；然而，當(dāng)飽和度達(dá)到80%時（圖12e），由于孔隙水量的增加，凍結(jié)后孔隙冰的持續(xù)膨脹促進(jìn)裂隙的持續(xù)發(fā)育，部分微裂隙寬度已達(dá)到5 μm，這種現(xiàn)象意味著孔隙冰的劣化作用已經(jīng)顯現(xiàn)；當(dāng)試樣完全飽和時，試樣斷面出現(xiàn)了被擠出的塊體，表明塊體周圍裂隙貫通后，冰的體積仍繼續(xù)膨脹進(jìn)而導(dǎo)致巖塊被擠出，表面微裂隙寬度已接近9 μm，這是一個相對較大的數(shù)值。因此，由于巖石內(nèi)部損傷增大，凍結(jié)飽和試樣的宏觀力學(xué)行為如動態(tài)強(qiáng)度和模量出現(xiàn)了降低現(xiàn)象。

圖12 不同飽和度凍結(jié)紅砂巖斷面微觀特征Fig.12 Fracture characteristics of frozen sandstone sample with different saturations

3 結(jié)果討論

天然巖體由于成巖過程復(fù)雜而形成大量不規(guī)則孔裂隙，加之地下水的遷移與滲流的影響，致使巖體中孔隙水分布不均勻，造成了飽和度的差異[27]。當(dāng)溫度低于0℃時，孔隙冰的存在提高了其動態(tài)力學(xué)性能。這種增強(qiáng)現(xiàn)象在靜態(tài)試驗(yàn)中也存在，BOHACS 等[28]通包絡(luò)模型證實(shí)了單軸狀態(tài)下，凍結(jié)巖石的裂紋擴(kuò)展應(yīng)力閾值與孔隙冰模量呈正相關(guān)。此外，沉積巖多由礦物顆粒組成，溫度下降時顆粒的熱收縮性使內(nèi)部更為致密，有效降低了內(nèi)部孔裂隙的體積，進(jìn)而改善了巖石力學(xué)性能。NMR 結(jié)果可以看出，該類巖石低溫下礦物顆粒有明顯的收縮性(圖3)。PLATT[29]的研究同樣證明了低溫作用下，由于巖石基質(zhì)的收縮，不同種類砂巖孔隙率均有降低趨勢。然而，隨著孔隙水含量的增加，孔隙冰的持續(xù)膨脹將逐漸在巖石內(nèi)部產(chǎn)生累計(jì)損傷[3]。正如PRICK 所指出，飽和度是決定孔隙冰強(qiáng)化或損傷的關(guān)鍵因素[30]。因此，需要進(jìn)一步討論飽和度對凍結(jié)巖石動態(tài)力學(xué)行為的影響。

干燥或孔隙水含量極低的巖石，孔隙內(nèi)部主要被氣體占據(jù)，凍結(jié)期間動態(tài)力學(xué)特性變化只與礦物顆粒的收縮有關(guān)；而隨著飽和度的增加，凍結(jié)期間的孔隙冰的膨脹逐漸成為巖石動態(tài)強(qiáng)度或模量變化的主要原因。當(dāng)孔隙水含量較少時，孔隙冰生長受限并不能對基質(zhì)造成有效損傷[15]。此時，孔隙冰起到了增強(qiáng)作用，如充填孔隙、支撐孔壁和增加黏附力的作用（圖13）。因此，隨著飽和度的增加試樣動態(tài)力學(xué)特性如強(qiáng)度、模量等呈增大趨勢。然而，當(dāng)飽和度逐漸增大時(>50%)，尤其是飽和度為80%～100%時，試樣的動態(tài)強(qiáng)度和模量均產(chǎn)生了明顯的降低，可以認(rèn)為當(dāng)飽和度超過50%時，孔隙冰的存在逐漸在巖石內(nèi)部產(chǎn)生了有效損傷。同時，內(nèi)部損傷如微裂隙的發(fā)育貫通導(dǎo)致沖擊荷載下試樣破壞更加破碎。因此，當(dāng)巖石飽和度大于其臨界值時，巖石內(nèi)部存在足夠水為凍結(jié)過程凍脹力提供增長物質(zhì)基礎(chǔ)[31]，在此條件下，凍結(jié)砂巖的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)需要考慮凍脹損傷機(jī)制所造成的影響。

圖13 砂巖凍結(jié)過程中孔隙冰的影響機(jī)制Fig.13 Influence mechanism of pore ice during sandstone freezing

研究結(jié)果表明，巖石的凍脹損傷是由毛細(xì)管機(jī)制、結(jié)晶壓機(jī)制、體積膨脹機(jī)制及靜水壓機(jī)制共同作用的結(jié)果，而各損傷機(jī)制與巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)[15]。正如圖13 所示，巖石孔裂隙結(jié)構(gòu)主要包括主干孔隙、次級孔、旁枝孔隙及孤立孔隙。由于孔隙中水的凍結(jié)點(diǎn)與孔半徑成反比[19]，大孔隙中的水先結(jié)冰，進(jìn)而生長至次級孔。當(dāng)試樣含水量較低時(Sr=30%)，次級孔中過冷水通過水膜遷移至主干孔中。由于含水量較低，孔隙冰生長至一定體積后即停止，此時依賴于毛細(xì)管機(jī)制的冰生長受到了抑制。而隨著試樣飽和度的增加，主干孔中冰的生長有足夠未凍水補(bǔ)給，進(jìn)而驅(qū)趕部分未凍水進(jìn)入到相連的小孔隙中。若小孔隙為封閉孔，其內(nèi)部將產(chǎn)生較大的水壓力Pw，當(dāng)壓力超過巖石基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度時，將引起次級孔的擴(kuò)展，這也是T2譜圖中第二峰面積變化原因；若孔隙為連通孔時，孔隙冰將產(chǎn)生靜水壓力驅(qū)動未凍水滲流形成損傷，并對巖石骨架施加了一個動水壓力，降低了巖石基質(zhì)的變形阻力[32]。同時，孔隙冰產(chǎn)生的凍脹壓力Pi也造成了孔壁的損傷[33]。因此，在壓縮應(yīng)力波的作用下，內(nèi)部孔隙將快速發(fā)育，導(dǎo)致試樣破碎程度和動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度的變化。

隨著凍結(jié)過程的發(fā)展，主干孔的冰逐漸向次級孔內(nèi)發(fā)育（圖12c）。在孔隙冰發(fā)展過程中，薄膜水機(jī)制扮演了重要的角色，這是由于較大孔隙中冰的化學(xué)勢相對較低，小孔隙中的過冷水將沿冰與孔壁間薄膜水逐漸向大孔隙中遷移[3]，導(dǎo)致大孔隙中的冰不斷生長，其壓力Pi也逐漸升高。而當(dāng)大孔隙中的冰壓Pi與小孔隙的水壓Pw差值為（ 2γsl/R）cos θ(γsl為冰水界面張力；R為毛細(xì)管等效半徑;θ為接觸角[19])時，孔隙冰逐漸向小孔隙發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生凍結(jié)膨脹促進(jìn)孔隙發(fā)育。因此，飽和度增加時，凍結(jié)巖石力學(xué)性能并不是一直增強(qiáng)，而當(dāng)超過臨界飽和度時這種增強(qiáng)效果將會逐漸受到抑制，但仍以增強(qiáng)效果為主。然而，對試驗(yàn)所選新疆地區(qū)紅砂巖，飽和度超過80%這種增強(qiáng)效果將低于損傷效果，超過其臨界飽和度時，凍結(jié)砂巖試樣的動態(tài)強(qiáng)度和模量逐漸降低，而極限變形能和破碎程度逐漸增大?？偟膩碚f，隨著飽和度的增加孔隙冰由填充、支撐和膠結(jié)增強(qiáng)作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)裂紋發(fā)育擴(kuò)展的凍脹損傷作用。

4 結(jié) 論

1） 低溫凍結(jié)過程中，飽和度小于其臨界飽和度時，試樣以小孔發(fā)育為主；接近飽和時，試樣內(nèi)部中-大孔開始迅速發(fā)育，表現(xiàn)為T2譜圖中第二峰和第三峰峰面積的增大。

2） 隨著沖擊速度的增加，凍結(jié)砂巖的動態(tài)力學(xué)特性表現(xiàn)出明顯的沖擊強(qiáng)化效應(yīng)；而隨著飽和度的增加，凍結(jié)砂巖的動態(tài)強(qiáng)度，彈性模量和脆性均呈現(xiàn)先增大后下降趨勢。

3） 隨著飽和度的增加，凍結(jié)試樣將從張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯樾缘膹?fù)合破壞，且破碎質(zhì)量的分布呈現(xiàn)出正向、負(fù)向和波動3 種關(guān)系，而較大破碎質(zhì)量的分布仍然與其動態(tài)強(qiáng)度密切相關(guān)。

4） 飽和度的增加促進(jìn)了紅砂巖內(nèi)部孔裂隙的發(fā)育，尤其是飽和巖石內(nèi)部裂隙相互貫穿形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，可以觀測到接近9 μm 寬度的裂隙，孔隙冰對試樣強(qiáng)化作用逐漸被損傷作用所抑制。