摘要： 為探究凍結(jié)巖體的沖擊力學(xué)性能，并提出寒區(qū)爆破開挖工程中合理的爆破炸藥單耗，針對寒區(qū)典型分布的砂巖，采用室內(nèi)分離式霍普金森壓桿試驗與理論分析相結(jié)合的方法，開展了凍結(jié)砂巖沖擊力學(xué)性能及爆破破巖能量耗散特性研究。結(jié)果表明： （1） 凍結(jié)狀態(tài)砂巖的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈性模量相比常溫狀態(tài)整體有所提升，而應(yīng)變峰值整體有所下降。對比靜載與動載試驗結(jié)果，相同物理參數(shù)下，砂巖的抗壓強度差距不大，而動態(tài)彈性模量明顯高于靜態(tài)彈性模量。（2） 常溫狀態(tài)砂巖和凍結(jié)狀態(tài)砂巖試件的耗散能量均隨含水率的增大而逐漸減低，且凍結(jié)狀態(tài)砂巖的耗散能量高于常溫狀態(tài)。相比常溫狀態(tài)，凍結(jié)砂巖在含水率為0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω 時，其耗散能量增幅分別為21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。（3） 相同含水率下， 凍結(jié)狀態(tài)砂巖的炸藥單耗均高于常溫狀態(tài)， 在含水率為0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω 時，凍結(jié)狀態(tài)砂巖爆破炸藥單耗相比常溫狀態(tài)分別增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。（4） 將常溫與凍結(jié)狀態(tài)砂巖爆破炸藥單耗數(shù)值進行擬合，得到不同狀態(tài)砂巖爆破破巖的單耗修正模型，可為寒區(qū)爆破工程提供參考。

關(guān)鍵詞： 凍結(jié)巖體；動力沖擊；爆破破巖；能量耗散；炸藥單耗

中圖分類號： O383 國標學(xué)科代碼： 13035 文獻標志碼： A

在爆破過程中，巖體本身的狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)是影響爆破效果的關(guān)鍵。寒區(qū)的巖體表層由于低溫環(huán)境而形成凍結(jié)圈，導(dǎo)致巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征發(fā)生顯著變化。在寒區(qū)表層進行巖體爆破開挖時，往往面臨凍結(jié)巖體爆破難度大、炸藥單耗高等工程問題。因此，開展凍結(jié)巖體的沖擊動力性能研究，提出凍結(jié)巖體合理的爆破炸藥單耗，對寒區(qū)的爆破開挖工程具有重要意義。

目前，學(xué)者們對凍結(jié)巖石的力學(xué)性能已經(jīng)進行了相應(yīng)的研究，在凍結(jié)后溫度、含水率、凍脹等因素對巖石本身性質(zhì)的影響機制等方面取得了較多的成果[1-2]。He 等[3] 通過直接拉伸、單軸抗壓和三點彎曲斷裂試驗研究了沙溪廟凍結(jié)砂巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，低溫下砂巖的抗壓強度、斷裂韌度均高于常溫狀態(tài)，且低溫抑制了巖石的塑性變形。Zhang 等[4] 對不同圍壓下的凍結(jié)砂巖進行了三軸加載分析，發(fā)現(xiàn)加大圍壓和降低溫度均能夠提升砂巖的強度。Wang 等[5] 研究了不同溫度下飽和巖石的力學(xué)特性和斷裂模式，并提出了預(yù)測巖石強度隨溫度變化的理論模型。宋勇軍等[6] 對常溫和凍結(jié)狀態(tài)的紅砂巖進行了單軸加載試驗，并通過CT （computed tomography）實時掃描探究了其力學(xué)特性及損傷演化機理，試驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，巖樣內(nèi)部的結(jié)冰量增加，巖石的強度增大，抗變形能力增強，損傷程度降低。劉慧等[7]利用Cannny 算子對凍結(jié)巖石的CT 圖像進行了檢測，提出了細觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的計算公式，對凍結(jié)巖石不同截面的裂隙參數(shù)變化規(guī)律進行了定量分析。夏才初等[8] 對巖石凍脹后的物理參數(shù)進行分析，得到了巖石凍脹率的修正計算方法。

近年來，隨著動載試驗技術(shù)手段的進步，巖石的動力學(xué)性能研究逐漸得到發(fā)展。Cai 等[9] 通過分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）的拉伸和壓縮試驗確定了泥板巖的動態(tài)力學(xué)參數(shù)，并使用高速攝影機拍攝發(fā)現(xiàn)巖石試樣在沖擊過程中產(chǎn)生周圍均勻變形破壞。Chen 等[10] 通過在巖石試樣中設(shè)置半圓彎形缺口，研究了SHPB 沖擊過程中巖石的斷裂韌性、斷裂速度及斷裂擴展性等參數(shù)，開發(fā)了可計算斷裂速度和能量的激光間隙計，并在勞倫花崗巖上進行了驗證。李二兵等[11] 利用材料強度-應(yīng)變率依賴模型，匹配SHPB 試驗結(jié)果，提出了計算不同圍巖壓力下鹽巖強度的動態(tài)公式。王健等[12] 利用SHPB 試驗裝置，在不同圍壓作用下，從應(yīng)力、延性以及力學(xué)行為等方面對鹽巖和泥巖的動態(tài)力學(xué)特性進行了對比研究。賈蓬等[13] 利用SHPB 研究了不同飽和度及凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的動態(tài)力學(xué)性能，并分析了砂巖的凍融損傷劣化機制。除了運用SHPB 試驗裝置進行動力學(xué)試驗，姜亞成等[14] 以寒區(qū)隧道為工程背景，以不同凍融循環(huán)次數(shù)下含Ⅰ型裂隙的隧道模型試件為研究對象，采用大尺度落錘裝置進行沖擊試驗，結(jié)合有限元模型計算動態(tài)起裂韌度，同時采用掃描電鏡研究了凍融循環(huán)對巖石的損傷機制。

爆破工程中炸藥與巖石參數(shù)之間的匹配是提高炸藥能量利用率的重要問題。而動載作用下巖石內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化過程是巖石變形破壞的本質(zhì)。從能量角度分析巖石的變形破壞規(guī)律，建立巖石能量變化與變形破壞之間的聯(lián)系，更接近巖石的變形破壞本質(zhì)[15]。張文清等[16] 對不同應(yīng)變率下的煤和巖石樣品進行了SHPB 沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊載荷率的增加，煤和巖石的破碎能耗密度增大。張廣輝等[17]在多級循環(huán)加載條件下研究了傾斜煤巖的能量耗散特性和損傷演化過程，建立了煤巖沖擊過程中相應(yīng)的損傷演化方程。李少華等[18] 探究了紅砂巖在不同入射能條件下的巖石破碎及能量利用情況，對如何高效利用沖擊能進行了分析。王宇等[19] 通過控制SHPB 試驗系統(tǒng)的沖擊氣壓，研究了頁巖在不同氣壓梯度循環(huán)沖擊作用下的動力響應(yīng)特征和能量耗散特性。

基于以上認識，凍結(jié)狀態(tài)下巖石的沖擊力學(xué)性能還有待進一步探索，且?guī)r石的含水率以及水分凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹效應(yīng)是影響凍結(jié)巖石力學(xué)性能的重要因素。研究凍結(jié)巖體在沖擊作用下的能量耗散特性，并提供相應(yīng)的爆破炸藥單耗，能夠進一步優(yōu)化寒區(qū)爆破工程的施工工藝。為此，本文中，針對寒區(qū)典型分布的砂巖，采用室內(nèi)SHPB 試驗與理論分析相結(jié)合的方法，開展凍結(jié)砂巖的沖擊動力性能及爆破破巖能量耗散特性研究；結(jié)合柱狀炸藥破巖能量分布的理論解析，構(gòu)建凍結(jié)砂巖沖擊及爆破破巖能量耗散等效的炸藥單耗模型。