水-溫循環(huán)作用下千枚巖的動態(tài)拉伸特性

摘要：為研究水-溫耦合作用下0°層理傾角千枚巖的動態(tài)拉伸特性變化規(guī)律，分別對3組試樣進行0、1、3、5、7、8、11次溫度循環(huán)自然降溫、溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)后，采用霍普金森桿試驗裝置對0°層理傾角千枚巖試樣開展動態(tài)巴西劈裂試驗，從動態(tài)拉伸應變曲線、動態(tài)峰值抗拉強度、動態(tài)彈性模量、能量分析與宏觀破壞5個角度研究水、溫劣化條件下千枚巖的動態(tài)拉伸特性。結(jié)果表明：千枚巖應力應變曲線包括極速彈性變形階段、屈服變形階段、破壞變形階段；隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖應力-應變曲線極速彈性變形階段逐漸縮短，屈服變形階段的應變增長率不斷增大；千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度呈負指數(shù)函數(shù)關系變化，耗散能比不斷減??；水-溫耦合條件下，千枚巖峰值抗拉強度、耗散能比普遍小于溫度循環(huán)自然降溫時；動態(tài)沖擊下，千枚巖發(fā)生貫穿層理的張拉破壞，主要破碎為2塊；隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖主碎塊發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復合破壞，千枚巖碎塊的平均尺寸不斷減小；溫度循環(huán)冷水降溫條件下，千枚巖碎塊的平均尺寸更小，且降幅最為顯著。

關鍵詞：千枚巖；霍普金森桿試驗；溫度循環(huán)；干濕循環(huán)；動態(tài)拉伸

中圖分類號：TU452" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0109-11

Dynamic tensile characteristics of phyllite under water-temperature cycle conditions

WANG Lianhua

（China Railway 23RD Bureau Group Co.， Ltd.， Chengdu 610072， P. R. China）

Abstract： In order to study the variation pattern of dynamic tensile properties of phyllite under the coupling effect of water temperature， three groups of samples were subjected to 0， 1， 3， 5， 7， 8 and 11 times of temperature cycle natural cooling， temperature cycle cold water cooling and dry-wet cycle respectively. The dynamic Brazilian splitting test samples was carried out by Hopkinson bar test device. The dynamic tensile properties of phyllite under water and temperature deterioration were studied from five aspects： dynamic tensile strain curve， dynamic peak tensile strength， dynamic elastic modulus， energy analysis and macroscopic failure. It is found that the stress-strain curve includes extremely fast elastic deformation stage， yield deformation stage and failure stage. With the increase of the number of water temperature cycles， the extreme elastic deformation stage of stress-strain curve gradually decreases， and the strain growth rate in the yield deformation stage increases continuously. The dynamic peak tensile strength of phyllite shows a negative exponential function distribution， and the dissipation energy ratio decreases continuously. Under the condition of water temperature coupling， the peak tensile strength and dissipation energy ratio of phyllite are generally smaller than those of temperature cycle natural cooling. Under the dynamic impact， the phyllite occurs tensile failure throughout the bedding， mainly broken into 2 pieces. With increase of the number of water temperature cycles， the main phyllite fragments undergo tensile failure along the bedding plane and shear failure across the bedding plane， and the average size of the phyllite fragments decreases continuously. Under the condition of temperature circulating cold water cooling， the average size fragment is smaller and the decrease is the most significant.

Keywords： phyllite； Hopkinson bar test ； temperature cycles； dry-wet cycles； dynamic tensile

作為中國中西部建設過程中常見的地質(zhì)軟巖，千枚巖往往受周圍環(huán)境的影響，如溫度和水分的快速變化，導致其動、靜態(tài)力學強度特性弱化，因此，在工程中常被定義為不良地質(zhì)軟巖。

對于千枚巖的力學特性與破壞特征，眾多學者開展了大量的研究。Xu等[1]通過單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，千枚巖抗壓強度等力學參數(shù)均隨層理傾角的增大，呈V型分布規(guī)律。周陽等[2]通過三軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，千枚巖的強度、變形參數(shù)和破裂模式與層理傾角、圍壓密切相關，圍壓可明顯弱化千枚巖各向異性。通過巴西劈裂試驗，徐國文[3]、張闖等[4]從靜力學角度研究了水、層理耦合作用下千枚巖的各向異性特征及破壞形式，Si等[5]研究了層理角度β對千枚巖的力學特性和巖爆傾向性的影響，對不同層理角度的千枚巖進行單軸壓縮試驗，得出千枚巖在β為0°、60°、75°、90°時有較強的巖爆傾向。許江波等[6]、武仁杰等[7]采用霍普金森桿（SHPB）系統(tǒng)對不同層理的千枚巖進行動態(tài)沖擊試驗，研究表明，動態(tài)沖擊下，千枚巖層理效應依然明顯，飽和狀態(tài)下，不同層理千枚巖延性增強，且其峰值抗壓強度均出現(xiàn)不同程度衰減。Qiu等[8]則采用霍普金森桿（SHPB）系統(tǒng)深化了對不同層理千枚巖動態(tài)拉伸力學特性的認識。劉漢香等[9]開展了千枚巖在三軸壓縮條件下的多級循環(huán)加載試驗，分析確定了循環(huán)周次和上限應力的增加導致殘余應變增加，而彈性模量、阻尼參數(shù)逐漸遞減。王偉等[10]通過不同層理傾角與不同圍壓下的千枚巖力學特性試驗發(fā)現(xiàn)，千枚巖在高圍壓下易形成穿層理剪切破壞。針對千枚巖的動態(tài)與靜態(tài)力學特性的研究大多聚焦于層理傾角，其劣化特性也是在工程應用中需要重點考慮的因素，對于具有層理的巖石，在溫度與水的交替作用下，其層理結(jié)構(gòu)逐漸破壞，最終形成軟巖，因此對于千枚巖的研究，也應該逐漸從結(jié)構(gòu)傾角的研究走向巖石劣化，這樣才能為工程中圍巖劣化的判別提供參考。

對于巖石劣化后的力學特性，大部分學者從溫度循環(huán)和干濕循環(huán)兩個角度開展研究，Sun等[11]以溫度循環(huán)處理后砂巖，Zhao等[12]以水-溫處理后砂巖，Zhang等[13]以不同溫度、不同降溫方式處理后花崗巖為研究對象，開展靜態(tài)巴西劈裂試驗，揭示了不同巖石在峰值抗拉強度、能量耗散、峰值能率、裂紋擴展、破壞模式等方面的規(guī)律。朱建波等[14]采用霍普金森桿試驗裝置，對不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖開展了動態(tài)沖擊壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)增加后，砂巖的各項動力學參數(shù)減小，破碎分型數(shù)增加。徐澤輝[15]等利用帶圍壓的霍普金森桿裝置對不同高溫水冷的玄武巖進行動態(tài)壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高或者圍壓降低，試樣的破碎程度加劇。任松等[16]對不同溫度的砂巖進行單軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗，分析了砂巖在動力擾動和高溫條件下的力學特性及破壞特征?；赟HPB試驗系統(tǒng)，杜彬等[17]、Li等[18]對不同干濕循環(huán)作用后砂巖開展了動態(tài)巴西圓盤試驗，研究了干濕循環(huán)次數(shù)及加載速率對砂巖劣化作用的影響。Lin等[19]對常溫、負溫下飽和砂巖開展了動態(tài)巴西劈裂試驗，從峰值抗拉強度、巖石破碎塊度、分形特征等角度，研究了水-溫作用后砂巖的動力學劣化特征。楊仁樹等[20]研究了紅砂巖、灰砂巖和花崗巖的動態(tài)拉伸力學性能，利用SHPB系統(tǒng)對3種巖石進行不同沖擊速度下的動態(tài)劈裂拉伸試驗。目前，對于巖石的力學特性研究逐步由靜力學轉(zhuǎn)向動力學，這也是出于滿足實際工程需求。而研究巖石劣化后的動力學特性不僅能夠?qū)r石的動力學特性研究進行補充，也符合目前對巖石力學探索的需求，探究巖石在劣化條件下的動力學特性能夠加快學術研究與工程實踐接軌，掌握劣化巖石的動力學特性，有助于提高工程施工與運營階段的設計優(yōu)化水平。因此，研究巖石的動力學特性，尤其是劣化后的特性，能夠促進科學研究和工程實踐的結(jié)合。

以上研究結(jié)果表明，對于巖石的靜、動態(tài)強度特性和破壞特征，目前已有相當多的研究成果。而其中大部分的成果都是基于砂巖與花崗巖等常見巖石，而對于千枚巖劣化的動力學研究尚有欠缺。千枚巖作為一種具有層理的特殊巖石，在高地應力、高地溫、高滲壓的影響下極易發(fā)生劣化，導致其在隧道工程中發(fā)生軟巖大變形。因此，筆者對0°層理傾角千枚巖進行研究，探究其在水和溫度劣化條件下的力學衰減特性，分析其在不同劣化等級下的破壞特征。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

千枚巖試樣產(chǎn)自江西省九江市況家港G532線附近?，F(xiàn)場采集的完整巖石，在室內(nèi)通過定向取芯制備獲得0°層理傾角的千枚巖標準試樣，該地的千枚巖為石英質(zhì)千枚巖，屬于工程中常見的千枚巖，石英含量占50%左右，絹云母含量占37%，物性穩(wěn)定，層理清晰，巖芯取樣完整，能夠較好地反映水-溫循環(huán)后巖樣的劣化程度，并與原巖進行對比分析。根據(jù)《煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法》（GB/T 23561.7—2009），制備直徑50 mm、高度25 mm的0°層理傾角千枚巖試樣，如圖1所示。

試樣制備的精度應滿足如下要求：

1）沿試樣高度，直徑的誤差小于±0.03 mm；

2）試樣兩端面不平行度誤差小于±0.05 mm；

3）表面平整度小于±0.02 mm；

4）兩端面應垂直于試件軸線，允許軸向偏差±0.25°。

千枚巖試樣的各項基本物理參數(shù)如表1所示。

1.2 水-溫循環(huán)設計

考慮千枚巖在自然環(huán)境中的干濕交替與溫度變化環(huán)境以及試驗的可操作性，在溫度循環(huán)自然降溫、溫度循環(huán)冷水降溫（通過溫度循環(huán)中的冷水降溫完成千枚巖的水-溫耦合）、干濕循環(huán)3種劣化條件下，分別對千枚巖開展0（干燥狀態(tài)）、1、3、5、8、11次劣化處理。

1）溫度循環(huán)

巖樣首先在烘箱中以100 ℃保溫4 h，而后分別以自然冷卻和冷水降溫的方式，將試樣溫度降至室溫，稱為1次溫度循環(huán)（見圖2）。

2）干濕循環(huán)

根據(jù)《煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法》（GB/T 23561.5—2009），巖樣首先入烘箱干燥24 h，冷卻至室溫，放入飽和桶中水24 h，稱為干濕循環(huán)1次（見圖3）。

1.3 試驗設備

SHPB試驗系統(tǒng)主要包括動力系統(tǒng)、測速儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳遞系統(tǒng)，如圖4所示。試驗系統(tǒng)中入射桿長2 000 mm，透射桿長1 500 mm，吸收桿長500 mm。沖擊桿及子彈材質(zhì)為高強度彈性鋼，波速C0=5 124 m/s。應變片采集信息可存儲記錄于超動態(tài)采集儀。

試驗采用0.2 MPa沖擊氣壓。如圖5所示，取千枚巖應變率時程曲線峰值應變率為巖樣應變率標準值，具體見表2。

1.4 試驗原理

根據(jù)應力波理論，SHPB試驗應滿足兩個假定：一維應力波假定，認為沖擊應力波僅產(chǎn)生橫向傳播，且不會發(fā)生能量衰減；應力均勻性假定，認為試樣受力在瞬時間完成，試樣內(nèi)部受力均勻。由此，推導出SHPB計算式（1）。根據(jù)一維應力波假定，設桿件應變?yōu)棣牛╰），對其進行積分可得出桿件位移為

如圖6所示，入射應變和反射應變的疊加波峰值處與透射應變波峰值處基本重合，表明巖樣前后界面基本達到應力平衡。

2 千枚巖動力學特性分析

2.1 動態(tài)應力-應變曲線分析

如圖7所示，千枚巖動態(tài)應力-應變曲線包括極速彈性變形階段、屈服變形階段及破壞變形階段。由于千枚巖屬于變質(zhì)巖，長期地質(zhì)作用下，其層理之間的超薄片已轉(zhuǎn)化為致密的千枚理構(gòu)造，動力沖擊下，千枚巖極速彈性變形階段應變增加極小，應力則迅速增加，具有明顯的硬脆性特征。進入屈服變形階段后，千枚巖應變增長速率明顯增大，應力-應變曲線曲率不斷增大，直至達到峰值強度。在沖擊過程中，千枚巖0°層理與應力波傳播方向呈0°夾角，主要發(fā)生三方面的劣化：首先，沖擊作用下，千枚巖層理面承受張拉應力，致使層理間礦物顆粒黏結(jié)性減弱，裂紋持續(xù)擴展、貫通，形成較大的裂縫，從而促使千枚巖形成多個“長細比”較大的不穩(wěn)定薄片結(jié)構(gòu)，沖擊作用下，該結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生撓曲變形，發(fā)生失穩(wěn)破壞；由于薄片結(jié)構(gòu)并非均質(zhì)層理構(gòu)造且裂縫較多，其在撓曲變形過程中，同時發(fā)生貫穿薄片結(jié)構(gòu)的張剪復合破壞。最終，多種破壞機制耦合作用下，千枚巖在宏觀上表現(xiàn)為發(fā)生貫穿層理的張拉復合破壞。

如圖7所示，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖應力-應變曲線極速彈性變形階段逐漸縮短，屈服變形階段應變增長速率明顯增加。如圖7（a）所示，自然降溫條件下，當溫度循環(huán)次數(shù)達到8、11次時，千枚巖極速彈性變形階段明顯縮短。如圖7（b）所示，冷水降溫條件下，千枚巖極速彈性變形階段從溫度循環(huán)達到5次時即開始變得顯著，表明水-溫耦合作用加速了千枚巖的劣化，同時，水的作用使得千枚巖峰后應力應變曲線更為平緩，延性增強。如圖7（c）所示，干濕循環(huán)0～1次時，千枚巖峰值抗拉強度則由于自由水的Stefan效應出現(xiàn)增長[21]。經(jīng)過干濕循環(huán)后，千枚巖極速彈性變形階段不斷縮短，屈服變形階段應變增長率不斷增加，峰前應力-應變曲線逐漸相互分離，峰后應力-應變曲線延性特征明顯。分析認為，水-溫循環(huán)引起的循環(huán)溫度梯度拉壓應力使得千枚巖層理間礦物顆粒間的黏結(jié)性減弱，裂紋不斷發(fā)育，貫通形成裂縫，千枚巖發(fā)生劣化。在水的影響下，溫度梯度拉壓應力幅值提高，干濕循環(huán)飽水作用增強了水的侵蝕性，水-溫耦合作用下，千枚巖劣化效果更為明顯。

2.2 動態(tài)峰值抗拉強度變化規(guī)律分析

如圖8所示，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)增加，千枚巖動態(tài)抗拉峰值強度不斷劣化。定義相鄰兩次水-溫循環(huán)作用下，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度的衰減率為環(huán)比。溫度循環(huán)1～11次時，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度環(huán)比分別減小-4.09%、2.62%、-3.36%、18.10%、23.37%。溫度循環(huán)自然降溫0～5次時，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度處于波動狀態(tài)，這主要是由于前期的干濕循環(huán)與溫度循環(huán)只對千枚巖試樣表層造成了影響，而沒有侵蝕千枚巖巖樣內(nèi)部。當溫度循環(huán)達到8、11次時，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度劣化效果明顯，環(huán)比降幅迅速擴大。溫度循環(huán)1～11次時，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度環(huán)比分別減小5.47%、-2.08%、10.89%、6.03%、12.65%。溫度循環(huán)冷水降溫3次后，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度出現(xiàn)顯著下降。干濕循環(huán)1～11次時，千枚巖動態(tài)峰值抗壓強度環(huán)比分別減小-7.70%、11.05%、8.63%、0.48%、15.44%，干濕循環(huán)11次時，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度環(huán)比降幅最大，劣化最為明顯。

圖8數(shù)據(jù)擬合顯示，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加呈負指數(shù)函數(shù)關系變化，即隨著水溫循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的動態(tài)峰值抗拉強先緩慢減小后快速降低，同時，溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)條件下，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度擬合曲線呈現(xiàn)負線性相關，在單因素劣化作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖試樣的動態(tài)峰值抗拉強度逐次遞減。溫度循環(huán)自然降溫、溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)擬合曲線分別如式（6）～式（8）所示。

式中：x為干濕循環(huán)次數(shù)；y為動態(tài)峰值抗拉強度。

水-溫循環(huán)0～5次時，溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)條件下，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度降幅明顯大于溫度循環(huán)自然降溫時。水-溫循環(huán)達到8～11次時，劣化效果凸顯，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度差距減小。水-溫耦合作用對千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度的劣化更明顯。

2.3 動態(tài)拉伸彈性模量變化規(guī)律分析

水-溫循環(huán)作用下千枚巖動態(tài)彈性模量變化如圖9所示。從圖9可以看出，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量呈現(xiàn)動態(tài)減小的趨勢。水-溫循環(huán)1次時，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量增大。如圖9（a）所示，溫度循環(huán)自然降溫0～5次時，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量動態(tài)波動，當溫度循環(huán)達到8、11次時，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量發(fā)生明顯劣化。如圖9（b）所示，溫度循環(huán)冷水降溫3～5次時，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量顯著降低。如圖9（c）所示，干濕循環(huán)1～5次時，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量快速下降，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖動態(tài)拉伸彈性模量的變化趨于平穩(wěn)，而千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低。由此推斷，千枚巖的劣化是沿著既有裂隙不斷擴展的，并沒有顯著影響巖樣的整體動態(tài)拉伸彈性模量。

3 能量分析

巖石的受力變形及破壞過程中始終伴隨著能量的吸收和釋放。千枚巖能量時程曲線如圖10所示。從圖10可以看出，千枚巖入射波能量、反射波能量、透射波能量、破壞耗能時程曲線可分為3階段，即起步階段、快速增長階段、穩(wěn)定階段。結(jié)合式（2）可知，能量來自應變平方的積分累加，沖擊應力波峰值加載對應能量時程曲線的快速增長階段，此時，千枚巖處于應力平衡受力階段，表明千枚巖的動態(tài)變形及破壞過程中始終伴隨著能量的急劇增長。觀察千枚巖能量時程曲線穩(wěn)定階段，透射能極小，反射能大于耗散能，成為入射能分解出的主要部分。0.2 MPa沖擊氣壓下，千枚巖入射波能量值保持在100～120 J之間。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖反射能時程曲線如圖11所示。從圖11可以看出，天然狀態(tài)下，千枚巖反射能時程曲線穩(wěn)定階段能量值約為55 J。水-溫循環(huán)作用下，千枚巖反射能時程曲線穩(wěn)定階段能量值均大于55 J，其中水-溫循環(huán)達到8、11次時，穩(wěn)定階段能量值逐漸增加至高位水平。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖透射能時程曲線如圖12所示。由圖12可以看出，天然狀態(tài)下，千枚巖透射能時程曲線穩(wěn)定階段的能量值約為2 J。水-溫循環(huán)作用下，穩(wěn)定階段能量值明顯下降，以水-溫循環(huán)達到8、11次時最為明顯。由圖12可知，千枚巖透射能時程曲線前期為快速增加階段，后期變?yōu)槊黠@緩和增長段。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖能量比變化如圖13所示。從圖13可以看出，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖反射能比不斷增加，透射能比、耗散能比不斷減小。溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)兩種水-溫耦合條件下，千枚巖反射能比普遍大于溫度循環(huán)自然降溫時，耗散能比、透射能比普遍小于溫度循環(huán)自然降溫時。分析認為，水-溫耦合作用提高了溫度梯度拉壓應力幅值，加速了千枚巖的劣化，尤以溫度循環(huán)冷水降溫條件下表現(xiàn)最為明顯。相比溫度循環(huán)冷水降溫時，千枚巖耗散能比在干濕循環(huán)0～3次時發(fā)生衰減，而干濕循環(huán)大于3次后，千枚巖耗散能比并未明顯低于溫度循環(huán)冷水降溫時，表明與溫度循環(huán)冷水降溫相比，干濕循環(huán)作用未在千枚巖力學性能劣化上展現(xiàn)明顯的優(yōu)勢，溫度循環(huán)引起的溫度梯度拉壓應力是導致千枚巖劣化的主要原因。

4 千枚巖宏觀破裂模式分析

不同水-溫循環(huán)作用下千枚巖動態(tài)拉伸破壞如圖14所示。由圖14可以看出，天然狀態(tài)下，千枚巖宏觀上發(fā)生貫穿層理的張拉復合破壞，巖樣主要破碎為2塊。與常規(guī)靜態(tài)拉伸破壞形成宏觀裂縫相比，動態(tài)沖擊下，千枚巖巖樣沿沖擊應力加載方向形成了破碎帶。觀察發(fā)現(xiàn)，破碎帶殘片中存有較多“長條狀”的碎塊，分析認為，這是巖樣承受張拉應力，沿軟弱層理面發(fā)生剝離破壞的現(xiàn)象。

以溫度循環(huán)自然降溫為例，溫度循環(huán)1～5次時，千枚巖主要破碎為2塊，溫度循環(huán)造成巖石損傷、裂紋擴展，巖石發(fā)生穿層理的剪切破壞，主碎塊發(fā)生碎塊剝離，破碎帶尺寸不斷減小。隨著循環(huán)次數(shù)增加，千枚巖內(nèi)部、層理間裂紋深入擴展，礦物顆粒間的黏結(jié)性顯著降低，在沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復合破壞作用下，其主碎塊尺寸減小，當循環(huán)達到11次時，千枚巖巖樣主碎塊破碎為多個薄片，巖樣完全破碎。引入水的影響因素，溫度循環(huán)冷水降溫5次、干濕循環(huán)3次時，千枚巖主碎塊即發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復合破壞，表明水-溫耦合作用加劇了千枚巖劣化程度。

千枚巖典型破壞碎片如圖15所示。如圖15（a）中①、②號區(qū)域所示，千枚巖發(fā)生了穿層理面的張拉破壞。圖15（b）中③為“長條狀”碎片，④表明巖樣發(fā)生穿層理面剪切破壞。圖15（c）中⑤號區(qū)域體現(xiàn)了水-溫循環(huán)作用對千枚巖層理面的劣化損傷，劣化深入即發(fā)生圖15（d）所示的主碎塊發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復合破壞現(xiàn)象。

選用不同篩孔尺寸的標準砂石方孔篩對千枚巖碎片進行篩分試驗，并采用碎塊平均尺寸d ?定量描述水-溫循環(huán)作用后千枚巖破碎程度[22]。

式中：d_i為不同粒徑標準篩的平均尺寸；r_i為對應于d_i的碎塊質(zhì)量百分比。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖碎塊平均尺寸變化如圖16所示，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖碎塊的平均尺寸不斷減小。溫度循環(huán)冷水降溫條件下，千枚巖碎塊的平均尺寸降幅最為明顯，普遍低于溫度循環(huán)自然降溫、干濕循環(huán)條件下碎塊的平均尺寸，且以水-溫循環(huán)1～5次時表現(xiàn)最為明顯，水-溫耦合作用下千枚巖劣化明顯，溫度循環(huán)冷水降溫提供了更高的溫度梯度拉壓應力，這是導致千枚巖劣化加劇的主要原因。

5 結(jié)論

以千枚巖動態(tài)力學試驗為基礎，對水-溫循環(huán)作用下巖石動態(tài)拉伸力學特性進行了系統(tǒng)研究，分析了在不同水-溫循環(huán)條件下0°層理傾角千枚巖動態(tài)拉伸強度與變形破壞的特征，主要結(jié)論如下：

1）0°層理傾角千枚巖應力-應變曲線包括極速彈性變形階段、屈服變形階段、破壞變形階段。隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖應力應變曲線極速彈性變形階段逐漸縮短，屈服變形階段的應變增長率不斷增大。隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度呈負指數(shù)函數(shù)關系變化，溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)條件下，千枚巖動態(tài)峰值抗拉強度擬合曲線近似線性變化，峰后應力-應變曲線延性特征明顯。

2）隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖反射能比不斷增加，透射能比、耗散能比不斷減小。溫度循環(huán)自然降溫、干濕循環(huán)水-溫耦合條件下，千枚巖反射能比普遍大于溫度循環(huán)自然降溫時，耗散能比、透射能比普遍小于溫度循環(huán)自然降溫時。

3）動態(tài)沖擊下，千枚巖主要破碎為2塊，發(fā)生貫穿層理的張拉破壞。隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖主碎塊發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復合破壞，直至巖樣完全破碎。在水-溫耦合作用下，千枚巖主碎塊更早發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復合破壞。

4）隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖碎塊平均尺寸不斷減小。溫度循環(huán)冷水降溫條件下，千枚巖碎塊平均尺寸普遍小于其他兩種劣化條件下的碎塊平均尺寸，且降幅最為顯著。

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（編輯" 王秀玲）

收稿日期：2023?07?12

基金項目：國家自然科學基金（41807245）

作者簡介：王連華（1977- ），男，高級工程師，主要從事巖土與隧道工程研究，E-mail：1980139469@qq.com。

Received： 2023?07?12

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 41807245）

Author brief： WANG Lianhua （1977- ）， senior engineer， main research interests： geotechnical and tunnel engineering， E-mail： 1980139469@qq.com.