姜亞成，周 磊，朱哲明，李劍飛，牛草原，應(yīng) 鵬

（1. 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2. 四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

巖石是隧道圍巖開(kāi)挖過(guò)程中最常見(jiàn)的一種介質(zhì)材料，在寒區(qū)隧道開(kāi)挖等工程問(wèn)題方面，其不可避免會(huì)受到由于晝夜交替及季節(jié)變換引起的凍融循環(huán)作用。而隧道的開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中又經(jīng)常會(huì)經(jīng)過(guò)節(jié)理及斷面等缺陷，并且伴隨著沖擊地壓等動(dòng)載荷作用，因此研究在凍融循環(huán)與動(dòng)荷載共同作用下隧道內(nèi)裂紋的斷裂特性具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于寒區(qū)隧道的研究已有不少成果。高焱等[1]統(tǒng)計(jì)分析了156 座寒區(qū)隧道凍害調(diào)研資料，從兩個(gè)方面對(duì)隧道寒區(qū)進(jìn)行劃分，并對(duì)寒區(qū)隧道保溫排水的技術(shù)進(jìn)行了分析。夏才初等[2,3]采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了凍融循環(huán)作用下隧道結(jié)構(gòu)及圍巖變形規(guī)律，并對(duì)控制隧底融沉變形的方法進(jìn)行了分析。那通興等[4]建立含相變的圍巖溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合模型，對(duì)寒區(qū)隧道的圍巖溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，研究了滲透速率對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍融循環(huán)巖石相關(guān)性質(zhì)的研究也較為深入。申艷軍等[5-6]開(kāi)展了不同傾角單裂隙砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)，并對(duì)不同凍融次數(shù)的試件進(jìn)行加卸載試驗(yàn)，研究了凍融與周期荷載聯(lián)合作用下裂隙巖體的損傷特征及斷裂演化規(guī)律。張慧梅等[7]研究了飽水紅砂巖經(jīng)過(guò)不同次數(shù)凍融循環(huán)后的變形破壞規(guī)律，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)巖石的強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律。聞磊等[8-9]對(duì)花崗斑巖和灰?guī)r開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同凍融次數(shù)下兩種巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。陳宇龍等[10]借助激光掃描顯微鏡對(duì)凍融頁(yè)巖的表面裂紋的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行細(xì)觀研究，分析了凍融循環(huán)對(duì)裂紋深度、裂紋寬度和表面積比的影響。劉泉聲等[11]基于力學(xué)和相變理論建立了考慮水分遷移下的凍脹力求解模型，對(duì)寒區(qū)巖體進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了巖體裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子，驗(yàn)證了等效熱膨脹系數(shù)法的可靠性。劉少赫等[12]采用霍普金森壓桿對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的紅砂巖進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分析了凍融紅砂巖峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量，并利用電鏡掃描對(duì)不同凍融次數(shù)的紅砂巖進(jìn)行了微觀變化特征分析。Gholamreza 等[13]選擇了5 種不同類(lèi)型的砂巖進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析了隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的P 波波速、孔隙率和單軸抗壓強(qiáng)度的變化；并利用衰減函數(shù)模型對(duì)砂巖抗凍融的耐久性進(jìn)行了分析，最后發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)中，孔隙的大小和分布對(duì)巖石的的耐久性起主要作用。Ghobadi 等[14]研究了9 種砂巖在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失、P 波波速損失的百分比和單軸抗壓強(qiáng)度、點(diǎn)荷載等特性發(fā)生的變化。

含裂隙巖體在動(dòng)荷載作用下的斷裂特性也引起了眾多學(xué)者的研究關(guān)注。周磊等[15-16]采用落錘沖擊試驗(yàn)裝置研究了在沖擊荷載作用下隧道內(nèi)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，并利用有限元軟件ABAQUS 研究了裂紋的動(dòng)態(tài)起裂韌度和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度。付安琪等[17]對(duì)中心直切槽半圓盤(pán)試樣先后開(kāi)展循環(huán)沖擊損傷試驗(yàn)和靜態(tài)三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，研究了循環(huán)沖擊損傷后大理巖的靜態(tài)斷裂力學(xué)特性。Wang 等[18]、王蒙等[19]研究了側(cè)開(kāi)單裂紋半孔板在SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng)沖擊下裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展問(wèn)題。Wang 等[20]采用霍普金森壓桿對(duì)單裂紋圓孔板試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)得其Ⅰ型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍融巖體的力學(xué)性質(zhì)研究主要針對(duì)靜態(tài)力學(xué)性能，而關(guān)于凍融巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究結(jié)果尚難于滿(mǎn)足工程問(wèn)題需要，尤其是針對(duì)西部嚴(yán)寒地區(qū)隧道內(nèi)裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展特性研究更是屈指可數(shù)。本文中采用四川青砂巖為原材料制作隧道模型試樣，對(duì)其先后開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)，并采用電鏡對(duì)凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行掃描，研究試件內(nèi)Ⅰ型裂紋的動(dòng)態(tài)起裂特性及細(xì)觀損傷機(jī)制，并通過(guò)ABAQUS 有限元分析軟件結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果計(jì)算裂紋的動(dòng)態(tài)起裂韌度。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件模型及材料的選擇

本文選擇的砂巖模型試件尺寸為280 mm×350 mm×30 mm，隧道斷面尺寸的寬度為50 mm，高度為60 mm，斷面的上部分為圓弧拱頂，其半徑為25 mm，裂紋位于圓弧拱頂位置，處于試件沿寬度方向的對(duì)稱(chēng)軸線上，裂紋長(zhǎng)度為50 mm。為了使得裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，使用0.5 mm 厚的鋼鋸條對(duì)裂紋尖端處進(jìn)行銳化處理，試件模型及試件尺寸示意圖如圖1 所示。

受條件所限，難以采用西部嚴(yán)寒地區(qū)的巖石試樣，故采用四川青砂巖為原材料制作隧道模型試樣。砂巖是由石英、長(zhǎng)石等碎屑成分占50%以上的沉積碎屑巖，由碎屑和填隙物兩部分構(gòu)成，青砂巖強(qiáng)度適中，材質(zhì)也比較均勻，適用于本試驗(yàn)研究。試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)青砂巖材料的物理性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得參數(shù)如表1 所示。

圖1 試件模型及尺寸示意圖(單位：mm)Fig.1 Sketch of specimen (unit: mm)

表1 5 組試件材料的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters for five groups of specimen

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)巖石材料的影響，以循環(huán)的次數(shù)N 為變量制作5 組隧道模型試件，N 分別為0、10、20、30 和40?？紤]到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，且試驗(yàn)過(guò)程中的偶然誤差會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，選擇每組制作6 個(gè)隧道模型試件，一共制作30 個(gè)試件。另外，為了方便測(cè)試青砂巖在凍融循環(huán)后其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的變化，以循環(huán)的次數(shù)N 為變量制作5 組 ? 50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，每組制作2 個(gè)，一共10 個(gè)試件。對(duì)所有試件進(jìn)行飽水處理，然后進(jìn)行凍融循環(huán)，進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，將試件放入高低溫試驗(yàn)箱中凍結(jié)12 h，凍結(jié)溫度為?20 ℃，然后放入常溫的水中12 h 進(jìn)行融化，即為一次凍融循環(huán)。試驗(yàn)中采用的高低溫試驗(yàn)箱可以達(dá)到的最低溫度為?40 ℃，根據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]中對(duì)凍融試驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定，在本文試驗(yàn)中設(shè)置為?20 ℃，高低溫試驗(yàn)箱如圖2 所示。

圖2 高低溫試驗(yàn)箱Fig.2 High-low temperature test chamber

1.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)采用落錘試驗(yàn)裝置，如圖3 所示，由落錘、入射板及透射板組成。試驗(yàn)裝置的入射板和透射板均由密度為2 850 kg/m3的LY12CZ 鋁合金制成，彈性模量為71.7 GPa，泊松比為0.33，入射板長(zhǎng)度l1=3 000 mm，透射板長(zhǎng)度l2=2 000 mm，兩者的寬度均為300 mm，厚度均為30 mm，波速約為5 500 m/s。為了減少高頻振蕩并延長(zhǎng)加載時(shí)間，在落錘與入射板撞擊端粘貼黃銅片作為整形器；透射板底部與混凝土阻尼器相接觸，將大部分應(yīng)力波傳入大地，以盡量消除反射波。落錘沖擊速度由紅外線測(cè)距儀測(cè)量落錘拉起高度與入射板之間的距離進(jìn)行計(jì)算得到。試驗(yàn)開(kāi)始前先將試件兩端涂抹黃油，然后置于入射板與透射板之間，避免局部摩擦導(dǎo)致試件產(chǎn)生彎折等失穩(wěn)破壞，并保持試件位置居中，保證受力均勻。在入射板和透射板上分別粘貼應(yīng)變片，在裂紋尖端粘貼裂紋擴(kuò)展計(jì)(c r a c k propagation gauge, CPG)用于測(cè)量載荷以及裂紋起裂時(shí)間。當(dāng)落錘自由落體沖擊入射板后，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀將采集應(yīng)變片和CPG 的電壓信號(hào)，從而得到入射端和透射端載荷信息以及試件上裂紋的擴(kuò)展時(shí)間。

1.4 裂紋擴(kuò)展計(jì)及其工作原理

將CPG 粘貼于隧道模型試件的裂紋尖端，如圖4 所示，其由玻璃絲布基底和敏感柵絲2 個(gè)部分組成，敏感柵絲總長(zhǎng)度l=44 mm，柵絲寬度b=10 mm。將裂紋擴(kuò)展計(jì)沿著裂紋預(yù)計(jì)擴(kuò)展路徑粘貼并保證第一根柵絲和裂紋尖端重合，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，敏感柵絲發(fā)生斷裂使得裂紋擴(kuò)展計(jì)的電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致CPG 兩端的電壓信號(hào)發(fā)生突變形成臺(tái)階信號(hào)，即可測(cè)得預(yù)制裂紋的起裂時(shí)間。CPG 的初始電阻為3.5 Ω，采用16 V 的恒壓電源提供電壓，電壓的調(diào)幅精度值可以達(dá)到1 mV。采用數(shù)字示波器采集CPG 在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中因柵絲斷裂引起的電壓臺(tái)階信號(hào)，示波器的精度可以達(dá)到10 MHz，采集信號(hào)的時(shí)間步距為0.1 μs，所以通過(guò)裂紋擴(kuò)展計(jì)采集到的數(shù)據(jù)誤差較小，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Drop-weigh test system

圖4 裂紋擴(kuò)展計(jì)測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 CPG measuring system

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 確定材料參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，隨后測(cè)試其相關(guān)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。通過(guò)超聲波波速測(cè)試儀得到試件的縱波波速和橫波波速，如圖4 所示，每一個(gè)不同凍融循環(huán)次數(shù)的組有2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，測(cè)試結(jié)果的平均值列于表1。隨后分別計(jì)算出其泊松比μ和彈性模量Ed[22]：

式中：μ為材料的泊松比，cp為材料的縱波波速，cs為材料的橫波波速，Ed為材料的彈性模量，ρ 為材料的密度。

巖石內(nèi)部存在大量的裂紋、節(jié)理，在受到凍融循環(huán)后，水冰相變產(chǎn)生的體積膨脹使其內(nèi)部眾多微小的裂紋發(fā)生了擴(kuò)展。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部損傷不斷積累，裂隙越來(lái)越多，當(dāng)波在通過(guò)含有裂隙的巖石時(shí)，由于發(fā)生折射、反射和能量損失，導(dǎo)致波速衰減，所以試件的波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸變小。從圖5中可以看到，經(jīng)過(guò)10 次循環(huán)后，試件的縱波波速下降了7.2%，經(jīng)過(guò)20、30 與40 次時(shí)，相比無(wú)凍融循環(huán)分別降低了12%、16%、18.6%；試件的彈性模量也在隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸下降，0 次組試件的彈性模量平均值為12.56 GPa，經(jīng)過(guò)40 次凍融循環(huán)后下降到7.31 GPa，為0 次組的58.2%，下降幅度明顯，可見(jiàn)凍融循環(huán)對(duì)材料彈性模量的影響較為顯著。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，每組試件物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的平均值如表1 所示。由表1 可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的縱波波速、橫波波速和彈性模量在逐漸下降，而泊松比在逐漸增大，但增大的幅度較小。

圖5 縱波波速與彈性模量變化曲線Fig.5 Plots of P-wave velocity and elastic modulus

2.2 沖擊載荷計(jì)算

在對(duì)試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集入射端與透射端上粘貼的應(yīng)變片的電壓信號(hào)，存儲(chǔ)在數(shù)字示波器中。選取一組落錘沖擊試驗(yàn)典型試件作為處理對(duì)象，將測(cè)得的電壓信號(hào)通過(guò)下式轉(zhuǎn)化為應(yīng)變信號(hào)：

式中：ε 為應(yīng)變，U0為試驗(yàn)所測(cè)的電壓信號(hào)，供橋電壓E=2 V，靈敏度因數(shù)K=2.1，放大器的增益因數(shù)n=1 000。

根據(jù)一維彈性應(yīng)力波假設(shè)，入射板作用在試件上端面的荷載為入射波和反射波的疊加，透射板作用在試件下端面的荷載可直接通過(guò)透射波得到，計(jì)算公式如下：

式中：εi(t)為入射波應(yīng)變時(shí)程曲線，εr(t)為反射波應(yīng)變時(shí)程曲線，εt(t)為透射波應(yīng)變時(shí)程曲線。

本次沖擊試驗(yàn)主要考慮試件受到載荷以后的時(shí)間區(qū)間，所以將加載波到達(dá)試件上端邊緣的時(shí)刻t0定義為零時(shí)刻。根據(jù)式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于在進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)時(shí)不可避免會(huì)受到外界各種因素的干擾，會(huì)產(chǎn)生一些誤差，所以需要通過(guò)一定的整形措施來(lái)尋找波頭以盡量消除誤差的影響，然后通過(guò)Origin 軟件進(jìn)行降噪處理得到入射端與透射端的應(yīng)變-時(shí)間曲線，如圖6 所示。根據(jù)式(4)進(jìn)行計(jì)算，得到作用在試件上的載荷曲線，如圖7 所示。在隨后進(jìn)行的數(shù)值模擬中，會(huì)將其用作試件上的加載條件。

圖6 入射端與透射端的脈沖信號(hào)曲線Fig.6 Histories of the incident and transmitted plates

圖7 動(dòng)態(tài)載荷曲線Fig.7 Histories of dynamic loads

2.3 裂紋的動(dòng)態(tài)起裂時(shí)刻

沖擊試驗(yàn)中，預(yù)制裂紋的起裂時(shí)間是研究巖石起裂韌度的重要參數(shù)。預(yù)制裂紋起裂的同時(shí)CPG 的第1 根金屬柵絲也被拉斷，使CPG 兩端的電阻產(chǎn)生變化進(jìn)而產(chǎn)生臺(tái)階電壓信號(hào)，這時(shí)可以得到第1 個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間t1，在2.2 節(jié)中已知加載波到達(dá)試件的頂端的時(shí)刻為t0，則裂紋的起裂時(shí)間即為t=t1?t0，由此可得到每個(gè)試件的起裂時(shí)間。由于試驗(yàn)并非全部成功，所以本文將成功采集到的起裂時(shí)間數(shù)據(jù)列于表2 中。

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Impact test results

3 動(dòng)態(tài)起裂韌度的計(jì)算

動(dòng)態(tài)斷裂韌度是評(píng)價(jià)巖石材料抵抗裂紋起裂的重要參數(shù)，其被分為動(dòng)態(tài)起裂韌度、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度和動(dòng)態(tài)止裂韌度。本文將借助ABAQUS 有限元軟件采用試驗(yàn)-數(shù)值法計(jì)算動(dòng)態(tài)起裂韌度，并比較在相同動(dòng)載荷作用下，凍融循環(huán)的次數(shù)對(duì)青砂巖材料動(dòng)態(tài)起裂韌度的影響。

3.1 試驗(yàn)-數(shù)值法

試驗(yàn)-數(shù)值法[23]在本文中的應(yīng)用主要分為試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試和數(shù)值分析兩個(gè)部分。試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試部分，通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)得到應(yīng)變時(shí)程曲線和動(dòng)態(tài)載荷曲線，采用裂紋擴(kuò)展計(jì)測(cè)得預(yù)制裂紋的起裂時(shí)刻。在數(shù)值分析部分，采用ABAQUS 有限元分析軟件將試驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)態(tài)載荷曲線施加到試件的數(shù)值模型上，通過(guò)計(jì)算即可得到受相同動(dòng)態(tài)載荷作用下靜止裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

3.2 動(dòng)態(tài)起裂韌度計(jì)算

根據(jù)試件尺寸和表1 中經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后5 組試件的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，在ABAQUS 中建立相應(yīng)的二維數(shù)值模型，分別計(jì)算裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線。裂紋尖端采用六節(jié)點(diǎn)三角形單元，其余部分采用八節(jié)點(diǎn)四邊形單元，裂紋尖端采用1/4 節(jié)點(diǎn)奇異單元以消除裂紋尖端應(yīng)力的奇異性造成的非正常應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分情況如圖8 所示。

圖8 數(shù)值模型網(wǎng)格示意圖Fig.8 Sketch map of numerical model

將圖7 中的動(dòng)態(tài)載荷曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力邊界條件作用在數(shù)值模型的上下兩端，并且在數(shù)值模型中施加重力荷載以考慮重力的影響，進(jìn)行計(jì)算可得到經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的5 組試件在相同沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線，結(jié)合3.3 節(jié)所測(cè)得的起裂時(shí)間，得到5 組試件的動(dòng)態(tài)起裂韌度可見(jiàn)表2。

圖9 為每組試件中N-1 的起裂韌度計(jì)算結(jié)果，N 表示凍融循環(huán)的次數(shù)，1 表示每組的第一個(gè)試件，所以圖中一共有5 個(gè)試件的起裂韌度計(jì)算結(jié)果。對(duì)于凍融循環(huán)次數(shù)為0 次的試件0-1，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知裂紋在362 μs 時(shí)發(fā)生起裂現(xiàn)象，橫坐標(biāo)上362 μs 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的值即為試件的動(dòng)態(tài)起裂韌度為3.09 MPa·m1/2，為5 個(gè)試件中的最大值，凍融次數(shù)為10、20、30 的試件10-1、20-1、30-1 的起裂韌度分別為2.87、2.54、2.41 MPa·m1/2，凍融循環(huán)次數(shù)為40 次的試件40-1，其動(dòng)態(tài)起裂韌度僅為2.11 MPa·m1/2，為5 個(gè)試件N-1 的最小值，相比試件0-1 降低了31.7%，降低幅度較為明顯。圖10所示為凍融次數(shù)與起裂韌度的關(guān)系，圖中散點(diǎn)分別代表不同凍融循環(huán)組的第1、2、3 個(gè)試件的動(dòng)態(tài)起裂韌度的值。從擬合曲線中可以得出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的動(dòng)態(tài)起裂韌度逐漸變小，前期下降較快，變化明顯，后期下降幅度逐漸變小。

圖9 動(dòng)態(tài)起裂韌度計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results of dynamic initiation toughness

圖10 凍融次數(shù)與動(dòng)態(tài)起裂韌度的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between freeze-thaw cycles and dynamic initiation toughness

4 破壞斷裂面的細(xì)觀分析

在巖石力學(xué)研究過(guò)程中，通過(guò)觀測(cè)和分析巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)以解釋巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)是一種常用的方法[24-25]。本文采用掃描電鏡對(duì)經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)的試件破壞后的斷口形貌特征進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)合5 組試件孔隙率的變化對(duì)試樣放大至50 μm 尺度的圖像進(jìn)行分析，如圖11 所示。

圖11 青砂巖的電鏡掃描圖Fig.11 Scanning electron microscopes of sandstone

圖11(a)為凍融0 次時(shí)的試樣，孔隙率為12.52%，內(nèi)部孔隙多為微孔隙，試樣結(jié)構(gòu)致密，表明較為平整，有少量巖渣散落在表面；圖11(b)為凍融10 次時(shí)的試樣，觀察可發(fā)現(xiàn)與圖11(a)差別比較明顯，這一組試件平均的孔隙率變?yōu)?2.96%，孔隙中的水分子產(chǎn)生凍脹力，對(duì)巖石造成破壞，試樣表面由于膠結(jié)物質(zhì)脫落而不再平整，較為粗糙，有更多巖渣無(wú)規(guī)律的分布在試樣表面；圖11(c)為凍融20 次時(shí)的試樣，與圖11(b)也有較大差別，試樣表面的膠結(jié)物質(zhì)流失變多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更為松散，表面幾乎沒(méi)有平整的區(qū)域，非常的粗糙，在孔隙水冰相變的凍脹作用下孔隙發(fā)育速率增加，孔隙率變?yōu)?3.35%；圖11(d)為凍融30 次時(shí)的試樣，孔隙率變?yōu)?3.87%，觀察發(fā)現(xiàn)有較為明顯的大孔隙出現(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)巖石內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)流失更多，顆粒間的聯(lián)系被大大削弱，試樣內(nèi)部的孔隙經(jīng)過(guò)擴(kuò)展、匯合、貫通導(dǎo)致大孔隙出現(xiàn)；圖11(e)為凍融40 次時(shí)的試樣，孔隙率為14.51%，其膠結(jié)物質(zhì)流失嚴(yán)重，孿晶結(jié)構(gòu)更加的松散，大孔隙也變得越來(lái)越多。

通過(guò)對(duì)比觀察不同凍融循環(huán)次數(shù)下青砂巖試樣放大至50 μm 尺度的掃描電鏡圖片，可以得出以下結(jié)論：凍融循環(huán)會(huì)使青砂巖的膠結(jié)物質(zhì)流失，使大量巖石礦物顆粒之間的黏結(jié)性變差，從而導(dǎo)致砂巖材料變得較為松散，孔隙率變大，并且有大孔隙出現(xiàn)，砂巖內(nèi)部的微裂紋也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變多，這些細(xì)觀的變化導(dǎo)致砂巖的宏觀力學(xué)性能出現(xiàn)大幅度下降。

5 結(jié) 論

本文對(duì)青砂巖模型試件先后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，得到青砂巖在經(jīng)過(guò)不同次數(shù)凍融循環(huán)作用下的材料損傷參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)-數(shù)值法采用ABAQUS 有限元軟件計(jì)算了動(dòng)態(tài)起裂韌度，并對(duì)試件進(jìn)行電鏡掃描以研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)砂巖材料動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）巖石在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后受到了不同程度的損傷，導(dǎo)致其相關(guān)力學(xué)參數(shù)發(fā)生了改變。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，青砂巖的波速逐漸下降，前期下降幅度較快，后期下降幅度逐漸減小，凍融循環(huán)40 次后試件的波速下降了18.6%；青砂巖的彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，凍融循環(huán)40 次后減小了41.8%；泊松比則隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，增大幅度并不明顯，40 次凍融循環(huán)后增大了9.16%。

（2）動(dòng)態(tài)起裂韌度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，且減小的幅度很大不同，試件在經(jīng)過(guò)40 次凍融循環(huán)后，起裂韌度降低了31.7%，說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)材料的動(dòng)態(tài)起裂韌度影響較大。

（3）由于凍融循環(huán)作用的影響，青砂巖內(nèi)部的膠結(jié)物質(zhì)流失使得晶體顆粒之間的黏結(jié)性下降，內(nèi)部孔隙與細(xì)觀裂縫增多，從而表征出材料的宏觀力學(xué)性能下降。