趙恕軻，趙明誠，楊偉瑋，

(1.山東省調水工程運行維護中心平度管理站，山東 平度 266700；2.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西 西安 410083)

0 引 言

天然礦物結合體內部包含大量的原生裂隙和次生裂隙，富水環(huán)境中的巖體受到地下水滲透作用的影響，水-巖作用導致巖體節(jié)理面的力學特性顯著降低，進而加劇巖體強度發(fā)生劣化。巖體工程經常伴隨著機械及爆破開挖等作用引起的巖體活動[1-2]，導致巖體應力環(huán)境發(fā)生變化，使巖體處于力學擾動環(huán)境中[3- 4]，水-巖劣化導致巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞。水-巖劣化現象一直備受水利工程領域關注，特別是導流渠及輸水管道巖體水-巖耦合作用下的巖體穩(wěn)定性及強度劣化關系到工程的安全運營。巖體開挖過程中，機械鉆鑿開挖強度的增強實則提高了沖擊波的輸入強度，沖擊荷載擾動作用也極易導致富水圍巖體發(fā)生失穩(wěn)，對巖體的安全運營機制產生影響[5-7]，許多學者對不同含水率巖體進行動力學試驗研究。袁璞等[8-9]采用動靜組合加載試驗裝置研究巖石動態(tài)力學性能與含水率的相關性發(fā)現，自由水的表面張力和Stefan效應抑制了裂紋動態(tài)擴展，而裂紋擴展阻力、動態(tài)強度與含水率呈正相關；Friedman等[10]基于動力學試驗測試水-巖作用下灰?guī)r動力學性能表明，抗沖擊強度與含水率呈負相關，而破碎程度與含水率呈負相關，飽水動態(tài)強度相比干燥狀態(tài)降低了35%；樓溈濤[11]利用動靜組合加載裝置對花崗巖進行的動力應變試驗研究表明，加載速率對飽和花崗巖的抗拉強度具有顯著影響；Huang等[12]研究了動靜組合加載條件下砂巖抗拉力學參數與含水狀態(tài)的相關性；謝曉鋒等[13]研究發(fā)現，巖石的動態(tài)和靜態(tài)應力-應變曲線具有顯著性差異，巖樣峰值強度、彈性模量隨飽和時間增大而降低。

以上研究更多關注人為飽和巖石試樣的動態(tài)力學特性，對實際開挖巖體的自然含水率對其力學特性的影響研究較少涉及。為此，本文以山東平度市大澤山砂巖為試驗材料，基于改裝的分離式霍普金森壓桿(SHPB)，對不同含水狀態(tài)的砂巖試樣進行動態(tài)力學試驗，測得動態(tài)應力-應變曲線，研究自然含水率對動態(tài)應力-應變特征、動態(tài)峰值應力、動態(tài)峰值應變、動態(tài)彈性模量以及砂巖微觀特性的影響規(guī)律。

1 試驗材料及裝置

1.1 砂巖試樣

砂巖取自山東省平度市大澤山鎮(zhèn)，主要礦物為石英、氧化鐵及少量黏土礦物，呈紅褐色，細觀顆粒分布均勻、無明顯裂隙，見圖1。為研究含水率對砂巖動態(tài)力學特性的影響，在現場先切取5種不同含水率的30 cm×30 cm×30 cm立方體巖塊，密封保存后帶回試驗室。試驗假定臨近巖樣具有相同含水率，每種含水率巖體制取6個標準試樣；取樣時兩兩臨近，3個用于測試含水率，3個用于力學試驗?；贒avies和Hunter研究結果并考慮試驗裝置的入射桿直徑(Φ=50 mm)，將試樣制作成直徑約50 mm、高約50 mm的圓柱體。為避免入射桿-試樣界面產生應力集中，通過磨石機對試樣端面打磨，使其平整度≤0.05 mm。

將試樣置于烘干機并于常溫下風干48 h，通過試樣質量差計算巖樣含水率，平均含水率ω為0.75%、1.39%、2.57%、3.89%和5.62%。對備用試樣進行測試，砂巖粒徑為0.05～2.26 mm，密度為2.33～3.68 g/cm3，孔隙度為2.88%～5.36%。

1.2 試驗裝置及原理

試驗在西安科技大學動力學試驗室的改進式分離霍普金森壓桿上完成。試驗系統(tǒng)由沖擊加載裝置、軸壓加載裝置及數據采集設備構成。沖擊桿、入射桿、透射桿以及緩沖桿材料為40Cr合金鋼，密度為7 810 kg/m3，彈性模量為250 GPa，滿足試驗要求。應力波采集及顯示裝置分別為2021AS超動態(tài)應變儀(靈敏度為1 mV/με)、855E型示波儀(采集分辨率為10 bit/D，顯示頻率閾值設置為0.01 Hz)。巖樣沖擊速度由激光測速儀測試。試驗過程中，沖擊桿的撞擊強度由動力加載裝置(高壓氣體)提供，應力波傳播路徑為入射桿-砂巖-透射桿。透射桿和入射桿上的應變片可捕捉透射波、入射波(反射波)，最終顯示在示波器上。試驗裝置見圖2。

圖2 試驗裝置

根據一維應力波理論，入射應力σI(t)、反射應力σR(t)和透射應力σT(t)間關系表示為[13]

σ(t)=Ae[σI(t)+σR(t)+σT(t)]/2As

(1)

砂巖應變ε(t)為

(2)

根據應力均勻性假定，入射應力、反射應力及透射應力的等效關系為

σI(t)+σR(t)=σT(t)

(3)

平均應力和應變分別表示為

σ(t)=σT(t)Ae/As

(4)

(5)

式中，As和Ae分別為砂巖、彈性桿(入射桿和透射桿)的有效截面面積；L為巖樣高度；ρe和Ce分別為彈性桿的密度及波速。

1.3 試驗方案

按照試驗方案，相同沖擊強度下，不同含水率砂巖的動力學試驗步驟如下：①調試SHPB裝置，確保入射桿、透射桿和緩沖桿滿足“三桿一線”，高壓氣體強度為0.25 MPa(沖擊速度約為1.50 m/s)，進行嘗試性試驗以保證數據采集正常。②按照平均含水率分別為0.75%、1.39%、2.57%、3.89%和5.62%，將砂巖編號為R-1～R-15，將試樣放置于入射桿和透射桿中間，涂抹適量耦合劑，并確保試樣中心軸與入射桿、透射桿的中心軸處于同一水平線。③安裝防爆容器，防止碎巖塊飛濺傷人。

2 試驗結果

根據試驗方案，依次對含水率為0.71%～0.78%(R-1～R-3)、1.36%～1.38%(R- 4～R- 6)、2.44%～2.67%(R-7～R-9)、3.64%～4.15%(R-10～R-12)、5.50%～5.72%(R-13～R-15)的砂巖試樣進行沖擊速度約為1.50 m/s的沖擊試驗，獲得動態(tài)應力-應變曲線。不同含水率ω砂巖的動態(tài)峰值應力σd、動態(tài)峰值應變εd、動態(tài)彈性模量Ed以及實際沖擊速度Vd見表1。從表1可知，隨著含水率的增大，動態(tài)峰值應力、動態(tài)峰值應變和動態(tài)彈性模量均逐漸減小，這與王文等[14]研究結果一致。由于數據較多，圖3僅給出不同含水率狀態(tài)下(0.75%、1.38%、2.59%、3.88%、5.64%)部分典型砂巖的動態(tài)應力-應變關系。

表1 砂巖的動態(tài)力學參數

圖3 砂巖動態(tài)應力-應變關系

3 討論與分析

3.1 動態(tài)應力-應變曲線形態(tài)特征

從圖3可以看出，砂巖動態(tài)應力-應變曲線與靜態(tài)應力-應變具有顯著性差異，即動態(tài)應力-應變曲線未出現明顯壓密變形而直接發(fā)生彈性變形；隨著巖樣應變程度的增加，動態(tài)應力-應變曲線依次進入損傷變形和破壞變形階段。分析原因認為，高強度沖擊作用下，巖樣內部產生了瞬態(tài)變形，巖樣未來得及被壓縮密實而快速發(fā)生彈性變形[15]，進而動態(tài)應力-應變曲線未出現壓密階段。對比發(fā)現，①砂巖含水率對動態(tài)彈性變形階段具有顯著影響，彈性變形階段的線性斜率與含水率呈負相關，砂巖含水率越大，彈性模量越小。②砂巖含水率對動態(tài)應力-應變的演化路徑具有顯著影響，隨著含水率的增大，應力-應變曲線路徑相對縮短，峰值應力及應變明顯降低。

此外，砂巖由彈性變形到塑性變形的演化特征與靜態(tài)應力-應變曲線具有一致性，動態(tài)應力-應變曲線演化過程包括線彈性、彈塑性和塑性軟化3個階段[15]。當應力達到80%動態(tài)峰值應力時，動態(tài)應力-應變曲線的上升趨勢開始逐漸減緩隨后下降，這與文獻[16-17]結果一致。

3.2 砂巖動力學參數特征

3.2.1 動態(tài)峰值應力規(guī)律

從表1可知，砂巖含水率為0.71%～0.78%時，其動態(tài)峰值應力為52.09～55.84 MPa，抗沖擊能力最大；相比含水率為0.71%～0.78%的平均動態(tài)峰值應力，含水率為1.36%～1.38%、2.44%～2.67%、3.64%～4.15%和5.50%～5.72%的平均動態(tài)峰值應力分別為41.68、37.78、27.55 MPa和23.49 MPa，降低了23.01%、30.22%、49.11%和56.61%，衰減程度顯著增大。砂巖動態(tài)峰值應力與含水率的對應關系見圖4。從圖4可知，含水率為1.38%相比0.75%的平均動態(tài)峰值應力降低了23.01%，含水率為2.59%相比1.38%的平均動態(tài)峰值應力降低了9.36%；含水率為3.88%相比2.59%的平均動態(tài)峰值應力降低了27.08%；含水率為5.64%相比3.88%的平均動態(tài)峰值應力降低了14.73%。平均動態(tài)峰值應力隨著含水率增加總體呈一階指數函數變化，相關系數R2為0.964 3。因此，砂巖的動態(tài)峰值應力的變化曲線隨含水率增大逐漸減緩，滲透水對不同位置的砂巖的軟化損傷作用具有差異性。

圖4 動態(tài)峰值應力與含水率的對應關系

3.2.2 動態(tài)彈性模量分析

圖5 動態(tài)彈性模量與含水率的對應關系

3.2.3 動態(tài)峰值應變分析

砂巖動態(tài)峰值應變與峰值應力具有相似發(fā)展趨勢，均隨含水率的增大而減小。當含水率由0.71%～0.78%分別增大到1.36%～1.38%、2.44%～2.67%、3.64%～4.15%和5.50%～5.72%時，砂巖平均動態(tài)峰值應變分別為0.008 24、0.007 55、0.005 99和0.003 51，降低了17.52%、24.46%、40.01%、64.90%。由此可見，動態(tài)峰值應變在含水率為2.44%～2.67%時的降低程度顯著增大，表明砂巖含水率大于2.44%～2.67%時內部增加的損傷將快速降低其抗沖擊能力，進而加快巖樣破裂。研究還發(fā)現，動態(tài)峰值應變快速減小的平均含水率分界點與圖5中動態(tài)彈性模量的平均含水率分界點相同，均為2.56%。圖6為動態(tài)峰值應變與含水率的對應關系。從圖6可知，相同沖擊強度下，不同含水率下的動態(tài)峰值應變總體呈緩慢減小的發(fā)展趨勢。回歸數據發(fā)現，平均動態(tài)峰值應變與含水率呈指數函數關系，這與詹金武等[18]對沖擊荷載作用下泥質粉砂巖的應變特性研究成果一致。

圖6 動態(tài)峰值應變與含水率的對應關系

3.3 砂巖微觀力學特性分析

3.3.1 單位質量進汞體積曲線

圖7為不同含水率砂巖單位質量進汞體積曲線。從圖7可知，隨著孔徑的增大，不同含水率的砂巖單位質量進汞體積均經歷了先急劇增加(A區(qū)域，見圖8)、后平穩(wěn)發(fā)展、最后持續(xù)增加3個發(fā)展階段，孔徑的分界點大致為1.50×103nm和22.50×103nm。當孔徑≤1.50×103nm時，砂巖中以小尺寸孔隙為主，較小含水率下的孔隙先達到飽和，單位質量進汞體積先進入平穩(wěn)發(fā)展階段；當孔徑≥1.50×103nm而<22.50×103nm時，砂巖中以中型孔隙為主，單位質量進汞體積顯著增大；當孔徑≥22.50×103nm時，砂巖中大尺寸孔隙逐漸占據優(yōu)勢，單位質量進汞體積曲線持續(xù)增大。這說明砂巖的內部溶蝕(損傷)程度對含水率具有不同敏感性。

圖7 不同含水率砂巖單位質量進汞體積曲線

圖8 急劇增長階段發(fā)展趨勢

從圖7還可以看出，同一孔徑下，含水率越大，砂巖的單位質量進汞體積越大，這表明增大的含水率顯著加劇了砂巖的溶蝕程度。含水率對單位質量進汞體積的初期增長具有顯著影響，含水率越大，曲線增長越顯著，增長路徑越長。分析認為，對于富水巖體，地下水對巖體內部結構面具有顯著潤滑與溶蝕作用。地下水通過原生孔裂隙、節(jié)理深入巖體結構內部后，滲透水可在礦物表面形成潤滑水膜，導致巖體結構摩擦力和穩(wěn)定性顯著降低。此外，受到地應力作用影響，地下水往往具有一定滲透壓，高壓滲透水可加快原生孔隙的張開與貫通程度，加劇內部新生裂隙的生成，導致巖石骨架上礦物粒子迅速剝離成游離狀態(tài)，最終加劇巖體溶蝕程度。

3.3.2 累積單位質量孔隙體積

以單位質量孔隙體積曲線達到最大發(fā)展階段時對應的累積單位質量孔隙體積衡量砂巖的微觀孔隙分布特征。砂巖累積單位質量孔隙體積與含水率關系見圖9。從圖9可知，砂巖含水率由0.75%增大到1.38%時，累積單位質量孔隙體積提高了53.51%；含水率由1.38%增大到2.59%時，累積單位質量孔隙體積提高了43.98%；含水率由2.59%增大到3.88%時，累積單位質量孔隙體積提高了38.21%；含水率由3.88%增大到5.64%時，累積單位質量孔隙體積提高了39.63%。隨著含水率的增大，累積單位質量孔隙體積總體呈增加趨勢，增長趨勢逐漸趨于平緩且增長速率逐漸減小，說明累積單位質量孔隙體積對含水率的敏感性逐漸減緩，這與趙建平等[19]研究結果一致。回歸分析發(fā)現，砂巖的累積單位質量孔隙體積與含水率呈較好的對數函數關系。

圖9 累積單位質量孔隙體積與含水率關系

3.3.3 孔隙體積比演化規(guī)律

為研究不同含水率對砂巖中大、中、小孔隙變化趨勢的影響程度，定義某一含水率下的孔隙體積比β為

(6)

式中，Vpore為某一含水率下的大孔隙體積Vb、中孔隙體積Vm、小孔隙體積Vs；Vtotal為某一含水率下的累積孔隙體積。

不同含水率砂巖的大、中、小孔隙體積比的變化趨勢見圖10。從圖10可知，隨著含水率的增大，砂巖大、中、小孔隙體積比變化范圍分別為22.65%～36.88%、43.08%～45.29%和9.01%～34.25%?？梢?，含水率對大、中、小孔隙體積比的變化趨勢具有顯著影響。隨著含水率的增大，大孔隙體積比總體呈減小趨勢，而小孔隙體積比總體呈增長趨勢，可見小孔隙體積對含水率的敏感程度顯著大于大孔隙體積；隨著含水率的增大，中孔隙體積比總體呈緩慢的穩(wěn)態(tài)發(fā)展，表明中孔隙對含水率增加的敏感程度較小，這與前人研究具有一致性。砂巖的大、中、小孔隙體積比隨含水率的增大總體呈線性變化。

圖10 不同含水率砂巖的孔隙體積比變化趨勢

分析原因認為，巖石內部含水率增大時，地下滲透水對巖石孔隙內游離態(tài)粒子具有顯著的沖刷、疏通作用，特別是在具有滲透壓作用的富水巖體區(qū)域，這種水-巖相互作用更為明顯[20]。因此，本試驗中增大的含水率導致砂巖內部的原生單一孔隙逐漸向多孔隙結構體演化，導致其單位質量的孔隙體積增大；增大的含水率還會促進砂巖內孔隙的溶蝕與貫通，導致孔隙的孔候尺寸變大，增大滲透水與巖石結構面的接觸面積，加劇滲透水的溶蝕深度。

4 結 語

本文基于改裝的分離式霍普金森壓桿(SHPB)對大澤山砂巖進行了不同含水率下的沖擊動力學試驗，分析不同含水率砂巖的動態(tài)力學特征，并根據壓汞試驗研究砂巖微觀力學特性，得出以下結論：

(1)砂巖動態(tài)應力-應變曲線未經歷明顯壓密變形而直接發(fā)生彈性變形，應變演化路徑與含水率呈負相關，彈性變形及塑性變形的轉折點大致為峰值應變的80%。相同沖擊強度下，砂巖含水率越大，力學特性劣化效果越顯著，抗沖擊能力越差。動態(tài)峰值應力和彈性模量隨著含水率的增大分別呈指數和對數函數衰減。

(2)砂巖溶蝕程度對含水率具有不同敏感性。單位質量進汞體積呈急劇增加、平穩(wěn)發(fā)展、持續(xù)增加變化，孔徑分界點大致為1.50×103nm和22.50×103nm。累積單位質量孔隙體積隨含水率的增大呈對數函數增加。

(3)含水率對大、小孔隙體積比的影響較為明顯而對中孔隙體積比的影響不明顯；大、小孔隙體積比隨含水率的增大分別呈線性衰減、線性增大，而中孔隙體積比變化相對不顯著。