賈淯斐 王浩程 夏 冬,2,3 仝文慧 梁 冰,2

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210;3.河北省礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河北 唐山 063210）

我國寒區(qū)面積占國土面積的70%以上,在寒區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源,隨易采區(qū)礦產(chǎn)資源的日益減少,對(duì)寒區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)已提上日程[1]。在寒區(qū)露天礦開采過程中,邊坡巖體除面臨礦區(qū)生產(chǎn)產(chǎn)生的爆破擾動(dòng),還會(huì)面臨寒區(qū)氣候變化對(duì)其產(chǎn)生的凍融影響,而且凍融作用在動(dòng)載擾動(dòng)下對(duì)巖體損傷破壞過程中起著至關(guān)重要的作用[2]。因此,對(duì)凍融作用下含損傷巖石的宏觀動(dòng)力學(xué)性能的研究就顯得十分必要。

寒區(qū)因晝夜溫差較大形成的凍融作用對(duì)巖石的宏觀力學(xué)特性影響較為嚴(yán)重,Chen、張繼周、杜鵬、J.Eslami、A.Momeni、吳剛等[3-8]分析靜載下巖石孔隙率、縱波波速、抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性、彈性模量等物理力學(xué)參量與凍融作用的變化規(guī)律,表明了凍融侵蝕對(duì)巖石和巖體自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性的劣化影響。閻錫東、張惠梅等[9-10]基于凍融對(duì)巖石疲勞損傷的理論,通過分析凍融后巖石的應(yīng)變形態(tài)以及荷載對(duì)巖樣的損傷影響,建立了凍融損傷模型。在露天礦、隧道、公路等寒區(qū)工程基建和生產(chǎn)過程中,通過爆破等手段進(jìn)行生產(chǎn)和建設(shè)是不可避免的,而且爆破能、機(jī)械沖擊能不會(huì)全部作用于生產(chǎn)面上,會(huì)有一部分能量以應(yīng)力波的形式向四周擴(kuò)散,由此會(huì)對(duì)周圍巖體或者建筑造成一定的損傷影響。因此,在寒區(qū)工程建設(shè)問題中,不僅要考慮凍融作用對(duì)巖石造成的劣化影響,還要研究動(dòng)載荷對(duì)巖石的動(dòng)力學(xué)特性影響。顏峰等[11]通過測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)爆破聲波,明確了巖石在遭受第一次爆破影響時(shí)造成的損傷大于多次爆破中單次爆破造成的損傷量;周科平、劉少赫、Li等[12-14]通過動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)凍融后砂巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量均有變化,并與靜荷載下砂巖的強(qiáng)度變化有所不同;Ke等[15]借助NMR技術(shù)分析在動(dòng)荷載下含凍融損傷巖石的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,以及建立了以孔隙率為凍融損傷變量的衰減模型;張慧梅、楊念哥等[10,16]對(duì)黃砂巖在動(dòng)荷載作用下的破壞形式和凍融周期進(jìn)行分析探究,闡明了動(dòng)荷載與凍融作用耦合后巖石損傷破壞規(guī)律。

綜上所述,前人對(duì)凍融作用下巖石的力學(xué)特性以及損傷破壞演化的研究,更多關(guān)注在動(dòng)載破壞方面,對(duì)處于沖擊損傷和凍融損傷耦合作用下巖石宏觀動(dòng)力學(xué)性能的方面還有待進(jìn)一步研究。基于此,為研究含初始損傷巖石在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后在爆破擾動(dòng)、應(yīng)力波沖擊等作用下的宏觀動(dòng)力學(xué)特性,本項(xiàng)目以白礪灘露天煤礦北幫邊坡泥質(zhì)粉砂巖為研究對(duì)象,利用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)完整巖樣進(jìn)行不同入射能的沖擊加載試驗(yàn),以獲取含不同初始損傷的巖樣,對(duì)凍融后的含初始損傷巖樣進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn),旨在分析動(dòng)荷載和凍融耦合作用對(duì)巖石動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律,為寒區(qū)工程建設(shè)以及資源開發(fā)過程中的自然災(zāi)害防治工作提供參考。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用泥質(zhì)粉砂巖均取自白礪灘露天煤礦北幫邊坡,按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50266—2013）為標(biāo)準(zhǔn),將砂巖加工成φ50mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣,使試樣端面的平行度控制在0.02 mm以內(nèi)。剔除外觀存有瑕疵的試件,選取波速和質(zhì)量相近且波速穩(wěn)定的巖樣,所選巖樣如圖1所示,其目的是為減小巖樣的離散性,保證后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定且準(zhǔn)確。得到泥質(zhì)粉砂巖的基本物理平均參數(shù)如表1。

表1 粉砂巖基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of siltstone

圖1 部分巖石試件Fig.1 Partial rock specimen

1.2 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行凍融試驗(yàn)之前,首先對(duì)巖樣進(jìn)行預(yù)損傷處理,其目的是使試樣更符合實(shí)際礦區(qū)受工程爆破或工程擾動(dòng)的巖石,然后根據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)過程》中凍融試驗(yàn)[17]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn),以下即為試驗(yàn)全部流程:

（1）首先對(duì)巖樣進(jìn)行基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定,剔除基本物理參數(shù)離散性較大和外觀有明顯缺陷的巖樣。

（2）對(duì)巖樣進(jìn)行預(yù)制沖擊損傷試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明巖樣在入射幅值80～85 mV范圍內(nèi)破碎效果最好,則選擇此范圍的50%、60%、70%、80%入射幅值對(duì)巖樣分別進(jìn)行沖擊損傷試驗(yàn),由此確定初始損傷等級(jí)為I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)。

（3）進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),巖樣凍結(jié)溫度為-20℃,融化溫度為20℃,凍融循環(huán)1個(gè)周期為24 h,共計(jì)40周期。

（4）凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束,通過霍普金森壓桿裝置進(jìn)行恒速下沖擊破壞實(shí)驗(yàn)。霍普金森壓桿裝置是由氮?dú)夤?、沖擊彈頭、發(fā)射腔、入射桿、透射桿和吸收桿組成,如圖2所示。

圖2 霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Hopkinson compression bar test system

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融作用下含初始損傷砂巖縱波波速變化規(guī)律

巖樣在經(jīng)歷沖擊損傷實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行40周期的凍融循環(huán)試驗(yàn),對(duì)凍融后的巖樣進(jìn)行波速測(cè)定。得到了飽水、凍融循環(huán)10、20、30、40周期下巖樣的縱波波速隨初速損傷等級(jí)變化的演化規(guī)律,如圖3所示。

圖3 不同初始損傷下砂巖縱波波速和凍融周期點(diǎn)線圖Fig.3 Point line diagram of longitudinal wave velocity and freeze-thaw cycle of sandstone under different initial damage

在飽水狀態(tài)下,巖樣的縱波波速隨初始損傷等級(jí)的增加而逐漸降低,不同初始損傷等級(jí)下的縱波波速相比完整巖樣分別降低了4.15%、5.85%、7.77%、8.29%,表明了沖擊對(duì)巖樣內(nèi)部孔隙和裂隙造成了不同程度的破裂損害。完整巖樣的縱波波速隨凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)而減小,不同凍融周期下的縱波波速相對(duì)于完整巖樣分別降低了4.15%、6.22%、7.78%、10.88%。凍融循環(huán)作用對(duì)巖石的損傷機(jī)制為低周疲勞荷載[18],在凍融循環(huán)20、30、40周期下,含初始損傷巖樣的縱波波速大幅度降低,初始損傷程度越高,凍融作用對(duì)巖樣的損傷效果就越明顯。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的主要原因是對(duì)巖樣逐級(jí)增加形成的沖擊損傷,造成了巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的弱化以及開口孔隙和微裂隙的軸向交叉延伸,為凍融侵蝕創(chuàng)造了更加理想的作用環(huán)境,促進(jìn)了凍融循環(huán)作用對(duì)巖石微裂隙和開口孔隙的擴(kuò)展、延伸,從而使巖樣內(nèi)部更快產(chǎn)生新的微裂隙。

2.2 初始損傷和凍融損傷耦合作用下巖石變形特性分析

為研究含初始損傷砂巖在凍融作用下其變形特征,進(jìn)而分析含初始損傷砂巖在凍融作用下其彈性模量的變化規(guī)律,如圖4所示。

圖4 不同初始損傷砂巖彈性模量隨凍融周期擬合直線Fig.4 Line fitting of elastic modulus of sandstone with different initial damage with freeze-thaw period

在無初始損傷下巖樣的彈性模量在干燥、凍融循環(huán) 10、20、30、40 周期下分別為 4.89 GPa、4.83 GPa、4.80 GPa、4.61 GPa、4.44 GPa。 在干燥狀態(tài)下完整巖樣、初始損傷Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)的彈性模量為4.89 GPa、4.30 GPa、3.83 GPa、3.63 GPa、3.40 GPa?？梢妰鋈谘h(huán)作用對(duì)巖石彈性模量的劣化速率低于沖擊損傷對(duì)巖石彈性模量造成的影響,在兩者耦合作用下巖樣彈性模量大幅度下降,含Ⅳ級(jí)初始損傷砂巖在凍融循環(huán)作用下其彈性模量從4.44 GPa降低到2.71GPa,減小了39.0%。通過對(duì)彈性模量進(jìn)行線性擬合,含無初始損傷、Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)初始損傷巖樣的彈性模量隨凍融循環(huán)周期的擬合直線斜率分別為-0.011、-0.007 4、-0.004 1、-0.017 3、-0.017 6,斜率逐漸減小,擬合直線越來越陡,表明含損傷巖樣在凍融循環(huán)作用下其抵抗形變能力越來越差,強(qiáng)度越來越弱,塑性越來越強(qiáng)。

凍融損傷和沖擊損傷對(duì)巖樣自身剛度和強(qiáng)度會(huì)造成不同程度的影響,其原因是兩種損傷的破壞機(jī)制有所不同。在沖擊損傷和凍融損傷耦合作用時(shí),巖樣的自身剛度和強(qiáng)度以及形變能力大幅度降低,表明了沖擊損傷會(huì)大幅度強(qiáng)化凍融循環(huán)作用對(duì)巖石自身結(jié)構(gòu)和宏觀動(dòng)力學(xué)性能的損傷破壞作用。

2.3 初始損傷和凍融損傷耦合作用下巖石宏觀力學(xué)參數(shù)分析

式中,As和 Ae分別為試樣和彈性桿的截面積;σI（t）、σR（t）和σT（t）分別為入射應(yīng)力、反射應(yīng)力和透射應(yīng)力與時(shí)間t的函數(shù);Ls為試件的長(zhǎng)度;ρeCe為彈性桿的波阻抗。

通過式（1）～式（3）計(jì)算了含不同初始損傷巖樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù),見表2所示。

表2 含初始損傷砂巖在凍融作用下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Dynamic parameters of sandstone with initial dam age under freeze-thaw

對(duì)尚未進(jìn)行凍融的巖樣進(jìn)行峰值應(yīng)力分析,觀察在不同初始損傷等級(jí)下巖樣峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化規(guī)律,如圖5所示。

隨著應(yīng)變率的逐漸增加,在不同初始損傷階段下巖樣的峰值應(yīng)力逐漸減小,并且通過圖5發(fā)現(xiàn),無損傷巖樣和含損傷巖樣之間存在的應(yīng)力降和應(yīng)變率的增長(zhǎng)跨度都比較大。由此表明了完整巖樣在經(jīng)歷沖擊損傷之后,巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化,導(dǎo)致巖石的力學(xué)性能明顯弱化。

凍融循環(huán)作用下含初始損傷巖樣的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化規(guī)律,如圖6所示。

如圖6（a）所示,巖樣在無初始損傷的自然狀態(tài)下隨著凍融循環(huán)周期的增加其峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加持續(xù)減小。在凍融循環(huán)10、20、30、40周期下,巖樣的峰值應(yīng)力相對(duì)干燥狀態(tài)下分別降低了10.04%、13.75%、16.96%、34.71%,應(yīng)變率增加了 9.53%、20.20%、27.90%、39.84%。如圖5所示,含Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)初始損傷的巖樣峰值應(yīng)力相對(duì)于無損傷巖樣的峰值應(yīng)力分別降低了33.56%、35.24%、39.95%、46.05%,應(yīng)變率分別增加了 17.23%、24.16%、29.35%、34.38%。初始損傷和凍融作用分別對(duì)巖樣造成了宏觀力學(xué)性質(zhì)的弱化影響,通過比較可看出凍融作用下巖石峰值應(yīng)力的降低幅度稍弱于沖擊損傷對(duì)巖樣的弱化影響,但是凍融作用下巖樣峰值應(yīng)力的降低速率稍強(qiáng)于沖擊損傷。由此進(jìn)一步表明了沖擊損傷和凍融損傷對(duì)巖石細(xì)、微觀造成的損傷破壞機(jī)制有所不同,但兩個(gè)損傷作用均從宏觀上表現(xiàn)出了對(duì)巖石力學(xué)性能的明顯劣化。

圖5 不同初始損傷等級(jí)下巖樣峰值應(yīng)力和應(yīng)變率點(diǎn)線圖Fig.5 Point line diagram of peak stress and strain rate of rock sample under different initial damage levels

對(duì)圖6（a）中凍融循環(huán)作用下巖石峰值應(yīng)力和應(yīng)變率數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,發(fā)現(xiàn)在不同凍融周期下,巖樣的峰值應(yīng)力與應(yīng)變率呈現(xiàn)指數(shù)衰減,擬合函數(shù)為Expdec1,R2為95.9%,方程式為

式中,A1=-0.165 5,t1=-17.558 9,y0=53.611 4。

由圖6（b）～圖6（e）可見,隨著初始損傷等級(jí)的逐漸增大,巖樣在凍融循環(huán)作用下其峰值應(yīng)力降低幅度逐漸增大。在Ⅲ級(jí)損傷、Ⅳ級(jí)損傷和凍融循環(huán)20、30、40周期耦合作用時(shí),巖樣峰值應(yīng)力出現(xiàn)了大幅度衰減。如圖6（b）～圖6（e）,初始損傷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)下,A1、t1、y0參量的值如表 3。

圖6 凍融循環(huán)作用下砂巖峰值應(yīng)力與應(yīng)變率擬合曲線Fig.6 Fitting curves of peak stress and strain rate of sandstone under freeze-thaw cycle

從表3可得到,從Ⅱ級(jí)損傷變量之后,t1參量逐漸增大,A1、y0參量逐漸減小。表明了初始損傷和凍融損傷耦合作用對(duì)巖石力學(xué)性能的劣化進(jìn)一步增強(qiáng),遠(yuǎn)強(qiáng)于其中一個(gè)損傷作用獨(dú)自對(duì)巖樣破壞的影響,而且在兩者耦合作用下其擬合函數(shù)并未發(fā)生改變,并且擬合程度均比較高,因此沖擊損傷的存在進(jìn)一步加深了凍融作用對(duì)巖石劣化的影響,加速了凍融循環(huán)作用的整個(gè)進(jìn)程。

表3 不同初始損傷等級(jí)下擬合方程參量值Table 3 Parameter values of fitting equation under different initial damage levels

通過圖6（c）～圖6（e）的擬合曲線走勢(shì)可知,隨著損傷等級(jí)的逐級(jí)增加,巖樣的峰值應(yīng)力與應(yīng)變率的擬合曲線在凍融循環(huán)后期,曲線斜率的絕對(duì)值越來越大,凍融循環(huán)作用對(duì)含初始損傷巖樣的劣化影響越來越明顯。主要原因是沖擊加載試驗(yàn)對(duì)巖樣瞬間進(jìn)行軸向壓縮、切向拉伸,并且?guī)r石拉伸強(qiáng)度均較低。因此沖擊損傷在細(xì)觀上表現(xiàn)出的是巖樣微裂隙和開口孔隙的軸向交叉延伸和擴(kuò)展,以及促使巖樣沿晶體弱化面進(jìn)行拉伸破裂。凍融循環(huán)作用對(duì)巖石是低周疲勞荷載,根據(jù)格利菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則,凍融作用在巖石微裂隙、開口孔隙中形成的凍脹力會(huì)在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致巖石裂隙尖端持續(xù)擴(kuò)展、延伸,形成新的微裂隙,致使巖石宏觀力學(xué)性能降低。沖擊損傷對(duì)巖樣的劣化影響是瞬間造成不可逆的損傷破壞,而凍融循環(huán)作用是具有長(zhǎng)期性的侵蝕作用,由此寒區(qū)工程中爆破對(duì)周圍巖體造成不可逆的損傷破裂之后,也同時(shí)表明了巖體的強(qiáng)度將隨著凍融作用的影響遠(yuǎn)超其之前凍融侵蝕速率加速下降,威脅礦山以及其他寒區(qū)工程項(xiàng)目常年施工的穩(wěn)定性和安全性,降低了寒區(qū)礦山工程服役年限。

3 結(jié) 論

（1）在凍融循環(huán)作用下,含初始損傷巖石的縱波波速逐漸減小。巖石在沖擊損傷和凍融損傷耦合作用下其縱波波速在高損傷階段（Ⅳ級(jí)損傷和凍融循環(huán)20、30、40周期）平均降低了14.11%。沖擊損傷程度越高,砂巖的縱波波速隨凍融循環(huán)周期變化得越明顯。

（2）凍融作用是低周疲勞荷載,沖擊損傷作用具有瞬時(shí)性和強(qiáng)破壞性。巖石的彈性模量在凍融循環(huán)30、40周期分別降低了5.7%、8.9%,在Ⅲ、Ⅳ級(jí)沖擊損傷下分別降低了25.7%、30.4%,然而在兩者耦合作用下巖石彈性模量下降了40.6%、44.6%,巖石在兩種損傷的耦合作用下彈性模量下降幅度會(huì)越來越大,巖石的自身強(qiáng)度、剛度越來越弱,抵抗形變能力越來越差。

（3）在沖擊損傷和凍融作用下巖石的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化均符合指數(shù)衰減函數(shù)。在沖擊損傷的加持下,凍融作用對(duì)巖石的峰值應(yīng)力的劣化越來越明顯,最大可造成67.06%的強(qiáng)度弱化。沖擊損傷可增強(qiáng)凍融作用對(duì)巖石的劣化效果,但源于其自身的瞬時(shí)性和強(qiáng)破壞性,并不影響凍融作用對(duì)巖石的破壞機(jī)制。