陳騰飛，許金余，劉 石，王 鵬，方新宇

（1.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院機(jī)場建筑工程系，陜西 西安710038；2.中國人民解放軍91531部隊，海南 三亞572000；3.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安710072）

地?zé)崾菐r體賦存的地質(zhì)環(huán)境中重要的因素之一，溫度是影響巖石力學(xué)性質(zhì)的重要因素。溫度對巖石的作用主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是物理化學(xué)作用，使巖石風(fēng)化，力學(xué)性質(zhì)蛻化，另一方面表現(xiàn)在溫度變化引起熱應(yīng)力的物理作用上［1］。實際工程中，也會經(jīng)常遇到井下煤與瓦斯爆炸、巖石地下工程火災(zāi)后重建等情況，這些都不可避免地涉及高溫及沖擊荷載條件下巖石的強(qiáng)度及變形特性，相關(guān)力學(xué)參數(shù)是地下工程火災(zāi)后圍巖穩(wěn)定性分析、修復(fù)加固支護(hù)設(shè)計等方面不可或缺的基本依據(jù)。

在高溫后巖石的靜態(tài)物理力學(xué)參數(shù)測定、變形機(jī)制、巖石破壞準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系、熱裂化及巖石損傷破壞機(jī)制等方面，已有了大量實驗研究和理論探討［2－7］，關(guān)于巖石動態(tài)沖擊荷載下的研究也比較多［8－11］，但針對巖石高溫后的動態(tài)力學(xué)性能的研究卻較少。

本文中，將選取地質(zhì)工程中比較常見的砂巖，采用?100mm SHPB實驗裝置，研究經(jīng)歷不同溫度后的砂巖在不同沖擊荷載作用下的動態(tài)力學(xué)性能。對SHPB實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出砂巖在沖擊荷載作用下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，對砂巖試樣不同溫度不同沖擊荷載下的破壞形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。

1 實 驗

1.1 砂巖試樣

試樣取自陜西省秦嶺太白山區(qū)的天然砂巖，砂巖呈灰白色，具體礦物組成分別為：w（石英）＝52%，w（方解石）＝27%，w（斜長石）＝8%，w（鉀長石）＝6%，w（蒙脫石）＝1%，w（綠泥石）＝2%，w（伊利石）＝3%，w（白云石）＝1%。試樣經(jīng)ZS －100型立式取芯機(jī)取樣、DQ －1型巖石切割機(jī)切割、SHM －200型雙端面磨石機(jī)端面打磨等專業(yè)巖石加工工序精加工而成。為了滿足SHPB實驗中試件應(yīng)力狀態(tài)均勻性的假定，并減少由試件厚度引起的慣性效應(yīng)和端面摩擦效應(yīng)，參考相關(guān)文獻(xiàn)［12 －15］，確定試件的最佳尺寸，最終采用?100mm×50mm的圓柱體，長徑比為0.5。

根據(jù)JTG E41 －2005《公路工程巖石試驗規(guī)程》，采用電液伺服壓力機(jī)對砂巖的基本力學(xué)性能進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實驗、劈裂抗拉強(qiáng)度實驗及巖石軟化系數(shù)的測定。通過實驗確定，該批砂巖的平均密度為2.596g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為59.69MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為4.02MPa，軟化系數(shù)為0.794 6。

1.2 高溫處理

試件的加熱設(shè)備采用武漢華中電爐設(shè)備有限公司的RX3 －20 －12型箱式電阻爐，該設(shè)備由高溫爐和溫度控制器組成，如圖1所示，設(shè)計最高溫度為1 200℃。根據(jù)實驗設(shè)計，將試件按溫度分為7組，每組7個試樣，常溫試件不作處理，將100、200、400、600、800和1 000℃這6個不同溫度等級下的試件分別加熱至相應(yīng)溫度后恒溫3h，升溫速率為10℃/min，然后自然冷卻至常溫，制成經(jīng)歷不同溫度后的砂巖試樣。

1.3 SHPB實驗

?100mm SHPB設(shè)備主要由主體設(shè)備、能源系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等3大部分組成，如圖2所示。系統(tǒng)壓桿直徑為100mm，入射桿長為4 500mm，透射桿長為2 500mm，撞擊桿長為500mm，彈性模量為210GPa，密度為7 850kg/m3，理論波速為5 172m/s，實測波速為5 200m/s。使用燈距100mm的激光測速儀測量撞擊速度。為減少壓桿與試件的接觸面之間的摩擦效應(yīng)，在試件的兩端面上均勻涂抹了用潤滑油和石墨配置的潤滑劑。通過測量入射桿和透射桿上應(yīng)變片的電壓，可計算試件的應(yīng)力、應(yīng)變率和應(yīng)變等動態(tài)力學(xué)參數(shù)［16］。選用屈服強(qiáng)度較低的T2紫銅作為波形整形器［13，17－18］。針對每個溫度等級下的砂巖試樣進(jìn)行7次實驗，彈速設(shè)計為11、12、13、14和15m/s，其中彈速實驗不理想的則用余下的2個試件做補(bǔ)充實驗。

圖1 箱式電阻爐Fig.1Box －type resistance furnace

圖2 ?100mm SHPB實驗裝置Fig.2Apparatus of 100 －mm －diameter SHPB

2 結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

根據(jù)SHPB實驗系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，得出7個溫度等級下砂巖試件在5個設(shè)計彈速下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如圖3所示。

當(dāng)溫度等級為25℃時，砂巖動態(tài)壓縮破壞具有明顯的4階段特征，即彈性階段、平臺階段、屈服階段和破壞階段，而初始彈性階段只占很小一部分。而且在峰前，不同彈速下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線能較好重合，說明這時砂巖對外界沖擊荷載的反應(yīng)比較一致，砂巖整體具有較好的線彈性。在峰后，應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化則與彈速密切相關(guān)，當(dāng)彈速較小時，試件破壞后有較大的留芯，在應(yīng)力－應(yīng)變曲線中表現(xiàn)出明顯的回彈現(xiàn)象；當(dāng)彈速較高時，砂巖試件完全破碎，破壞過程中隨著應(yīng)力的不斷降低，變形仍能持續(xù)增加。

當(dāng)溫度等級為100～400℃時，砂巖試樣動態(tài)壓縮破壞應(yīng)力－應(yīng)變曲線的平臺階段消失，而是由彈性階段直接進(jìn)入到屈服階段，2個階段的臨界點處存在明顯的拐點，屈服階段的應(yīng)力－應(yīng)變曲線迅速變陡，表現(xiàn)為彈性模量增大；由峰后應(yīng)力－應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，在彈速11～14m/s時，試件破壞都具有回彈，且隨溫度的升高，回彈更加明顯，對比常溫下回彈只發(fā)生在11～12m/s的情況，說明在這一溫度范圍內(nèi)，砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而增強(qiáng)。

當(dāng)溫度等級為600～1 000℃時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線又開始重新出現(xiàn)平臺段，且平臺段長度先隨溫度的升高而增大，800℃以后又開始隨溫度升高而減小，屈服階段的應(yīng)力－應(yīng)變曲線變陡，600℃時最陡。

總體而言，除了1 000℃時的峰值應(yīng)力迅速減小，砂巖動態(tài)壓縮破壞的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變都隨溫度的升高而增大，隨彈速的增大，峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變也增大。

對比峰后破壞階段無回彈現(xiàn)象的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，隨著溫度的升高，破壞階段的應(yīng)力－應(yīng)變曲線變陡，說明破壞段的應(yīng)變變化越來越小，破壞過程呈現(xiàn)為隨溫度升高而變短的趨勢。

圖3 砂巖的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3Stress －strain curves of sandstone

2.2 破壞形態(tài)

圖4為砂巖經(jīng)歷不同溫度后在不同彈速下的破壞形態(tài)，對比各個溫度等級、各個彈速的破壞形態(tài)差異，可以發(fā)現(xiàn)：（1）同一溫度等級下，砂巖試樣隨著彈速的增加破壞越來越嚴(yán)重；（2）同一彈速下，在25～800℃范圍，隨著溫度的升高，砂巖破壞后的留芯有增大趨勢，特別是在11、12和15m/s時最明顯，這也說明在這個溫度范圍砂巖的抗沖擊能力隨溫度升高而增強(qiáng)；（3）在1 000℃時，砂巖雖有一定的強(qiáng)度，但內(nèi)部損傷已經(jīng)很嚴(yán)重，一旦承受沖擊荷載，整個砂巖結(jié)構(gòu)將發(fā)生全局脆性破碎；（4）隨著溫度的升高，砂巖破壞后的剝落碎片的破碎程度越來越嚴(yán)重，溫度越高，破碎后的粉末狀程度越明顯；（5）隨著所經(jīng)歷溫度的升高，砂巖表面顆粒變細(xì)，砂巖的顏色加深，600℃以后開始變?yōu)榘迭S色，1 000℃時變?yōu)辄S褐色，說明溫度升高已使砂巖內(nèi)部礦物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)變化；（6）砂巖的動態(tài)壓縮破壞總是由外向內(nèi)發(fā)展的，彈速較小時，外層剝落破碎，內(nèi)芯完整，彈速增大時外層破碎成小塊，內(nèi)芯裂成大塊。

圖4 砂巖的破壞形態(tài)Fig.4Failure modes of sandstone samples

3 討 論

實驗中，為了研究經(jīng)歷不同溫度后砂巖對沖擊荷載的動力響應(yīng)，設(shè)計了不同的溫度等級和彈速，彈速主要控制沖擊荷載的大小，使砂巖發(fā)生不同程度的破壞。得出了不同溫度等級下砂巖在不同彈速下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，并對破壞后的形態(tài)進(jìn)行比較。雖然巖石類材料的組成成分和結(jié)構(gòu)都不具有完全均一性，并且試樣加工精度和儀器誤差等也有影響，個別數(shù)據(jù)有一定離散性，但總體而言，實驗數(shù)據(jù)比較理想，存在較強(qiáng)的規(guī)律性。

天然的地殼結(jié)構(gòu)是通過建造和改造形成的，天然的巖石內(nèi)部存在著許多隨機(jī)分布的微裂隙。隨著溫度的升高，巖石產(chǎn)生熱熔變形，礦物顆粒受熱膨脹，原生的微裂隙閉合，裂隙數(shù)量減少，從而改善礦物顆粒之間的接觸狀態(tài)，摩擦特性增強(qiáng)，試樣的承載能力得到強(qiáng)化。但另外，隨著溫度的升高，巖石內(nèi)部孔隙的自由水和結(jié)合水蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸壓，內(nèi)部產(chǎn)生損傷積累。當(dāng)溫度升高到一定程度后，高溫也會引起巖石內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)，起到煅燒作用，使某些原生的礦物質(zhì)分解，強(qiáng)度喪失?？梢?，溫度對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的影響是多方面的，不同溫度條件下所起到的作用也是不同的。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，在100～400℃時，溫度的主要作用是引起砂巖試樣的微裂隙閉合，使結(jié)構(gòu)密實，因為這一階段的應(yīng)力－應(yīng)變曲線沒有了平臺段，也就是跳過了塑性壓密階段直接進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段。而在400～800℃時，平臺段又出現(xiàn)了，這主要是因為砂巖礦物顆粒的不同熱膨脹率引起了跨顆粒邊界的熱膨脹不協(xié)調(diào)，從而引起結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力過大會產(chǎn)生新的微裂隙，同時膠結(jié)物剛度降低，水分的蒸發(fā)及過度的膨脹使結(jié)構(gòu)變脆。而且溫度繼續(xù)升高時，顆粒間或顆粒內(nèi)應(yīng)力將進(jìn)一步增大，砂巖內(nèi)部產(chǎn)生更多微裂隙或原生裂紋擴(kuò)展、加寬和連通，表現(xiàn)為砂巖在沖擊荷載下經(jīng)過很短的彈性階段就進(jìn)入到了塑性壓實段。在1 000℃以后，砂巖內(nèi)部水分基本蒸發(fā)，礦物顆粒部分分解，內(nèi)部熱應(yīng)力引起的擴(kuò)展裂紋迅速發(fā)展，顆粒間的膠結(jié)狀態(tài)極差，結(jié)構(gòu)變得松散，直接表現(xiàn)為沖擊荷載作用下的強(qiáng)度迅速降低，試樣經(jīng)過屈服階段后迅速破壞，并碎成粉末狀。

4 結(jié) 論

運用?100mm SHPB實驗裝置對經(jīng)歷不同溫度的砂巖進(jìn)行了沖擊壓縮實驗，得出了砂巖試樣在不同溫度等級不同彈速（沖擊荷載）下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線關(guān)系，并分析了砂巖試樣的破壞形態(tài)規(guī)律。

（1）常溫下砂巖的動態(tài)壓縮破壞的應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有明顯的4階段特征，即彈性階段、平臺階段、屈服階段和破壞階段。

（2）在100～400℃時，溫度的作用使砂巖內(nèi)部微裂隙閉合，結(jié)構(gòu)密實，整體具有良好的彈性，應(yīng)力－應(yīng)變曲線的平臺段消失，在400～800℃時，熱應(yīng)力又會引起新的裂隙產(chǎn)生，應(yīng)力－應(yīng)變曲線的平臺段將會重新產(chǎn)生，并且屈服段的曲線變陡。

（3）在800℃以前，溫度的升高可以使砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度提高，沖擊荷載作用下，應(yīng)力峰值、應(yīng)變峰值都隨溫度的升高而增大，800℃以后，砂巖內(nèi)部的損傷積累，新的裂隙產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)變脆，動態(tài)抗壓強(qiáng)度迅速降低，但總體仍表現(xiàn)為砂巖在沖擊荷載下的變形能力隨溫度升高而增大。

（4）砂巖的動態(tài)壓縮破壞總是由外向內(nèi)發(fā)展的，沖擊荷載越大破碎程度越大，沖擊荷載較小時，外層剝落破碎，內(nèi)芯仍能保持完整，沖擊荷載增大時外層破碎成小塊，內(nèi)芯裂成大塊，外層仍較嚴(yán)重破壞。

（5）溫度對巖石動態(tài)壓縮性能的影響是多方面的，較低溫度時能使巖石內(nèi)部微裂隙閉合，強(qiáng)度提高，較高溫度時會使巖石內(nèi)部水分蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)變脆，產(chǎn)生熱應(yīng)力引起新的裂隙，礦物顆粒的膠結(jié)能力變?nèi)?，?qiáng)度降低。

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