低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究.pdf

低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究许军策1，浦海1,2，沙子恒1（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116；2.新疆工程学院矿业工程学院,新疆乌鲁木齐830023）摘要：含水量是影响寒区岩体冻胀破坏的关键因素之一，而动态荷载的扰动又使其破坏过程进一步复杂化。因此，通过低温分离式霍普金森压杆实验系统，研究了冲击荷载和饱和度的变化对冻结红砂岩动态力学行为的影响，并结合低场核磁共振和扫描电镜等手段探究了砂岩试样微观结构的动态演化。研究结果表明：饱和度的增加重塑了红砂岩试样的孔隙结构，促使冻结过程中试样各尺寸孔隙的发育与扩展，且完全饱和时冻结试样以中大孔隙发育为主。冲击荷载作用下，以临界饱和度为界，冻结砂岩的动态强度、弹性模量和脆性指数 BI均随饱和度增加呈现先增大后减小的趋势。与之相反，冻结砂岩的极限变形能力随饱和度变化呈现相反趋势。此外，随着冲击荷载的增加，冻结砂岩的动态强度、弹性模量和峰值应变均逐渐增加，表现出明显的应变率强化效应；而其脆性指数逐渐降低，冲击速度由 4m/s 增加至 6m/s 时，完全饱和试样的脆性指数下降了 8.1%，表明其动态破坏模式由脆性向韧性的转变。而随着饱和度和冲击荷载的增加，冻结试样从张拉破坏转变为粉碎性的复合破坏，且破碎岩块质量的分布仍然与冻结试样的动态强度密切相关。最后，基于试验结果，讨论了饱和度变化对寒区冻结砂岩动态力学行为的影响机制。关键词：高寒地区；饱和度；低温；砂岩；SHPB；动态力学特性中图分类号：TD315文献标志码：A文章编号：02532336（2023）09008812Experimental study on dynamic mechanical behavior of frozensandstone with different saturationsXUJunce1,PUHai1,2,SHAZiheng1（1.State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.College of Mining Engineering and Geology,Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi 830023,China）Abstract:Watercontentisoneofthecriticalfactorsaffectingfrostdamagetorockmassesinalpineregions.Adynamicdisturbanceloadfurthercomplicatestheissue.Inthisstudy,theeffectsofsaturationandimpactloadingonthedynamicbehaviorofthefrozenredsand-stonewereinvestigatedusingalow-temperaturesplitHopkinsonpressurebar(LT-SHPB)experimentalsystem.Bycombininglow-fieldnuclearmagneticresonance(NMR)andscanningelectronmicroscopy(SEM),thedynamicevolutionofthemicrostructureofthefrozensandstoneduetochangesinsaturationwasinvestigated.Theexperimentalresultsshowthattheincreaseinsaturationreshapestheporestructureofthefrozensandstoneandpromotestheexpansionofporesofdifferentsizesduringfreezing,whilethefrozensamplesatcom-pletesaturationaremainlydevelopedwithmesoporeandmacropore.Thedynamicstrength,elasticmodulusandbrittlenessindexofthefrozensandstoneunderimpactloading,whicharelimitedbythecriticalsaturationSrc,tendtoincreaseandthendecreasewithsaturationincrease.Incontrast,theultimatedeformationcapacityofthefrozensandstoneshowedanoppositetrendwithsaturation.Withincreasingimpactloading,thedynamicstrength,elasticmodulus,andpeakstrainofthefrozensandstonegraduallyincrease,showinganobviousstrain-rateenhancementeffect;whilethebrittlenessindexdecreasesby8.1%atfullsaturationwhentheimpactvelocityincreasesfrom4m/sto6m/s,indicatingthatthedynamicdamagemodedevelopsfrombrittletoductile.Moreover,thefrozensampleschangedfromtensile收稿日期：20221215责任编辑：朱恩光DOI：10.12438/cst.2022-0989基金项目：国家自然科学基金资助项目（51974296，52061135111）作者简介：许军策（1992)，男，河南周口人，博士研究生。E-mail：通讯作者：浦海（1978)，男，江苏盐城人，教授，博士生导师，博士。E-mail：第51卷第9期煤炭科学技术Vol.51No.92023年9月CoalScienceandTechnologySept.2023许军策，浦海，沙子恒.低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究J.煤炭科学技术，2023，51（9）：8899.XUJunce，PUHai，SHAZiheng.Experimentalstudyondynamicmechanicalbehavioroffrozensandstonewithdif-ferentsaturationsJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（9）：8899.88damagetocompositedamagewithincreasingsaturationandimpactloading;thedistributionofcrushingmassesremainedcloselyrelatedtotheirdynamicstrength.Basedontheexperimentalresults,themechanismoftheeffectsofsaturationvariationonthedynamicmechanicalbehavioroffrozensandstoneisdiscussed.Key words:alpineregions；saturation；low-temperature；sandstone；SHPB；dynamicmechanicalbehavior0引言影响高寒地区工程岩体力学行为的因素很多，如荷载、温度、含水量等，其中含水量是一个关键因素。受地表径流和地下水渗流的影响，工程岩体中的含水量并非均匀分布，致使其饱和度存在明显的差异1。低温条件下(x)x=1SrSr（5）式中：为冰的体积膨胀系数；n 为孔隙率；u 为冻结率；Kr和 Ki分别为岩石骨架体积模量与冰体积模量；Hu-x 为阶跃函数。由式（5）可知，孔隙内结晶压力受孔隙率、饱和度、冻结率及冰和岩石骨架的体积模量等因素影响。根据文献 3，取 9%，Kr和 Ki分别为 20.83GPa 和 5GPa；为了显示结果，这里阶跃函数默认为 1，Sr值大于 0.8。将上述参数带入式（5）可得冻结压力与饱和度和冻结率的关系如图 7 所示。45冲击速度/(ms1)饱和度/%临界饱和度 Src动态强度增加因子 DIF动态强度增加因子 DIF671.52.02.53.03.54.04.55.0020406080 10012345Sr=0Sr=30%Sr=50%Sr=50%Sr=80%Sr=80%Sr=100%v=4 m/sv=5 m/sv=6 m/sv=7 m/s图6冻结试样 DIF与冲击速度和饱和度的关系Fig.6DIFversusimpactvelocityandsaturationofsample8590951000.060.040.0200.020.040.060.060.040.0200.020.040.080.0680(0)20406080 100Sr/%Pi/GPaPi/GPa100冻结率/%饱和度/%5010u/%1009592图7试样冻胀力随饱和度 Sr和冻结率 u 变化Fig.7FrostheavingforceversussaturationSrandfreezingrateu由图 7 可知，冻胀力与孔隙饱和度呈现正相关关系，但在较低饱和度试样内部并不能产生有效冻胀应力；而完全饱和时，即使在较低冻结率下仍可以产生有效冻胀应力。随着孔隙水冻结率的增加，孔隙内冻胀应力的强度因子将逐渐大于裂纹扩展临界强度因子 KIC，促使孔裂隙的发育与扩展，导致岩石内部累计损伤的增加。因此，当饱和度超过 Src时，试样动态强度将逐渐减小。然而，材料特性，如孔隙结构、矿物颗粒和胶结强度特征等也是影响冻胀力大小和位置的关键因素。由于所选试样为新疆地区砂岩，其成岩时间短、胶结能力弱、强度较低，对于冻胀应力更为敏感9。因此，试验砂岩产生冻胀损伤的饱和度低于其理论值 91%。2.2.2动态弹模演化根据图 4f，采用了弹性阶段(II)的切线模量作为其动态弹性模量。动态弹性模量与冲击速度和饱和度变化关系如图 8 所示。研究发现，冻结砂岩动弹性模量与峰值应变的变化规律相反。5 种饱和度下，冲击速度由 4m/s 增加至 7m/s 时，砂岩动态弹性模量分别增大了32.8%、43.1%、37.1%、51.5%及23.4%，具有明显的刚度强化效应。当试样饱和度小于80%时，试样动态弹性模量呈增大趋势，这是由于水相变为固体冰，降低了岩石内部缺陷的体积23。当冲击荷载增加时，岩石内部缺陷的降低有助于压缩应力波的传播，抑制了内部小缺陷或亚缺陷的激活，进而增强了试样的抗变形能力。然而，当饱和度超过 Src，在冻胀力的作用下部分裂隙开始发育，导致试样内部缺陷体积的增加，因此其动态弹性模量出现降低趋势。76冲击速度/(ms1)54 1008060饱和度/%4020601423动态弹性模量/GPa5动态弹性模量/GPa4.4704.1943.9183.6423.3663.0902.8142.5382.2621.9861.710图8试样动态弹性模量与冲击速度和饱和度的关系Fig.8Dynamicelasticmodulusversusimpactvelocityandsaturation2.2.3动态脆性指数脆性是岩石材料的一个重要参数，用来描述岩石的变形与破坏过程。不同的外部因素，如含水量、许军策等：低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究2023年第9期93温度等，不可避免地会改变岩石材料的脆性参数和破坏模式24。因此，采用一个脆性指数来表征饱和度和冲击速度对冻结砂岩峰前变形特征的影响，计算公式如下25：BI=ep（6）式中：p和 e指分别为应力应变曲线中峰值点与屈服点应变坐标值；当 BI为 1 时认为试样完全脆性，即 BI值越大表示试样的脆性越大。根据表 2 中数据，冻结砂岩脆性指数随初始饱和度与冲击速度关系曲面，如图 9 所示。45冲击速度/(ms1)67 1008060饱和度/%40201.00.50.80.60.7脆性指数 BI 0.9BI0.863 00.836 80.810 60.784 40.758 20.732 00.705 80.679 60.653 40.627 20.601 0图9试样脆性指数与冲击速度和饱和度的关系Fig.9BIversusimpactvelocityandsaturationofsamples由图 9 可知，冲击速度的增加促使冻结砂岩试样由高脆性向韧性转变。从能量角度出发，脆性的增加意味着试样内部弹性能累积阶段增大，而裂纹发育不稳定阶段减少。因此，可以认为低冲击速度下，冻结试样内部微裂隙不易发育，这与陈彦龙等所试验的结果相一致2。此外，冻结砂岩的脆性随着饱和度增加呈现出增长的趋势，这是由于孔隙冰的存在阻止了裂隙的进一步扩展，增加了试样的抗变形能力，在应力应变曲线上表现为 III 阶段的减少。然而，这种增长趋势受饱和度限制，当饱和度超过其Src时，此时孔隙冰既起到了降低岩石内部缺陷作用，又通过冻胀力了促进了裂隙的发育扩展。因此，2 种作用下起到关键性的作用将控制着冻结砂岩的动态变形与破坏行为，即决定了试样脆性破坏的程度。2.3宏观破坏特征分析岩石的破碎响应与冲击荷载和岩石微观结构关系密切26。图 10 为不同饱和度和冲击速度下冻结砂岩的破坏形态，由图 10 可知，由于砂岩试样强度较低，不同冲击速度下均完全破碎。饱和度 50%冻结试样破碎块粒度分布较大，而试样达到饱和时，较高冲击速度下（7m/s）试样破碎为粉末状。根据图可推断出，随着饱和度和冲击荷载增加，冻结试样将从张拉破坏转变为粉碎性的复合破坏。这是由于饱和度的增加，促进了试样微裂隙的发育，在荷载作用下更多裂隙将会产，因此破碎形态更为复杂。4567D-0-7D-30-7D-50-7D-80-7D-100-7D-0-6D-30-6D-50-6D-80-6D-100-6D-0-5D-30-5D-50-5D-80-5D-100-5D-0-4D-30-4D-50-4D-80-4D-100-4冲击速度/(ms1)Sr=0Sr=30%Sr=50%Sr=80%Sr=100%图10不同饱和度和冲击速度下冻结砂岩的破坏形态Fig.10Failurecharacteristicsoffrozensandstonewithdiffer-entsaturationsandimpactvelocities为了量化试样宏观破碎形态，通过筛网对破碎块体进行筛分，筛网孔径为 0.7545mm。图 11 显示了试样破碎块体的筛分结果。图中数据 R 是基于每组中最大滞留质量比例而归一化处理后的可视化结果（同组最大数据显示为 100%）。由于 45mm 岩块质量与其他岩块质量相差较大，因此归一化处理时将数据分为 2 组，即存在 45mm 为一组（R 最大值为 75.6%），其余为一组（R 最大值为 32.5%）。R 的计算式为 m1/mtot，ml和 mtot分别为各级筛网滞留质量和试样破碎总质量，g。由图 11 可知，在相同的冲击速度下，同一筛网的滞留质量与饱和度密切相关。但并没有表现出一致的相关性，而是有 3 种关系：正向、负向和波动的关系。随着冲击速度的增加，冻结试样的破碎质量分布逐渐从左上角过渡到右下角区域，这标志着冻结砂岩破碎逐渐向细粒粉移动。尽管冲击速度不同，较大的破碎质量的分布仍然与其动态强度密切相关，如“凸波动”型的分布与动态强度相匹配。然而，随着破碎粒度的降低，破碎岩块的分布与动态强度和饱和度有很大的差异。这是由于岩石内部结构性差异决定了冰结晶应力的作用，如提供支撑力或促进孔隙发育等，进而影响了破碎岩块的质量分布。2.4微观破坏特征分析利用 SEM 图像（1000 倍）来推断砂岩冻结后微观形态变化，结果如图 12 所示。原始状态下其结构2023年第9期煤炭科学技术第51卷94较为松散，存在较多原生微裂隙和孔等缺陷；低温冻结后，由于矿物颗粒热的收缩性，试样表面变得密实，部分原生裂隙闭合，此时最大裂隙宽度仅为2m；当试样饱水至 30%时，由于部分孔隙内水相变为冰，冰晶应力导致部分闭合裂隙重新激活，此时孔隙冰以增强作用为主；随着饱和度增加至50%时，部分微裂隙进一步发育贯通，但多数微裂隙宽度小于 1m，此时孔隙冰对内部造成损伤程度仍低于其强化作用；然而，当饱和度达到 80%时（图 12e），由于孔隙水量的增加，冻结后孔隙冰的持续膨胀促进裂隙的持续发育，部分微裂隙宽度已达到 5m，这种现象意味着孔隙冰的劣化作用已经显现；当试样完全饱和时，试样断面出现了被挤出的块体，表明块体周围裂隙贯通后，冰的体积仍继续膨胀进而导致岩块被挤出，表面微裂隙宽度已接近9m，这是一个相对较大的数值。因此，由于岩石内部损伤增大，冻结饱和试样的宏观力学行为如动态强度和模量出现了降低现象。75.6%32.5%不同筛孔所滞留冻结砂岩破碎岩块质量百分比R/%v4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s0Sr30%50%80%100%030%50%80%100%030%50%80%100%030%50%80%100%45 mm40 mm33.5 mm25 mm20 mm16 mm10 mm4.75 mm2.8 mm1.5 mm0.75 mm 50%)，尤其是饱和度为 80%100%时，试样的动态强度和模量均产生了明显的降低，可以认为当饱和度超过 50%时，孔隙冰的存在逐渐在岩石内部产生了有效损伤。同时，内部损伤如微裂隙的发育贯通导致冲击荷载下试样破坏更加破碎。因此，当岩石饱和度大于其临界值时，岩石内部存在足够水为冻结过程冻胀力提供增长物质基础31，在此条件下，冻结砂岩的动态力学性质需要考虑冻胀损伤机制所造成的影响。研究结果表明，岩石的冻胀损伤是由毛细管机制、结晶压机制、体积膨胀机制及静水压机制共同作用的结果，而各损伤机制与岩石孔隙结构特征密切许军策等：低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究2023年第9期95孔隙孔隙孔隙发育裂纹孔隙闭合原生裂隙孔隙闭合原生裂隙裂隙发育贯通发育裂隙发育裂隙孔隙原生裂隙4 m4 m6 m9 m2 m2 m3 m闭合原生裂隙闭合原生裂隙矿物颗粒孔隙裂隙发育贯通发育裂隙裂隙发育贯通挤出矿物块体发育裂隙50 m50 m50 m50 m50 m50 m(a)未冻结(b)Sr=0(c)Sr=30%(d)Sr=50%(e)Sr=80%(f)Sr=100%图12不同饱和度冻结红砂岩断面微观特征Fig.12Fracturecharacteristicsoffrozensandstonesamplewithdifferentsaturations旁支裂隙孤立孔隙次级裂隙毛细水自由水未冻水膜未冻水膜未冻水膜提供黏附力损伤作用冻胀力导致裂纹发育孔隙冰孔隙冰冰增长趋势冰增长方向主干孔隙主干孔隙静水压力机制体积膨胀机制(a)SEM 图像(b)孔隙结构模型(d)孔隙冰作用(c)冻结过程毛细管机制主干孔隙孤立孔隙孤立孔隙封闭次级孔连通次级孔孤立孔隙渗流连通旁枝孔隙封闭旁枝孔隙旁枝孔隙水压力毛细水毛细水毛细水冻结过程冻结过程薄膜水薄膜水薄膜水冰水迁移渗流水迁移水迁移PiPiPiPiPiPiPiPiPiPw冻结矿物颗粒强化作用孔隙冰提供支撑力作用孔隙冰填充孔裂隙作用冰孔隙冰基质主干裂隙5 m1 m0.8 m主干裂隙图13砂岩冻结过程中孔隙冰的影响机制Fig.13Influencemechanismofporeiceduringsandstonefreezing2023年第9期煤炭科学技术第51卷96相关15。正如图 13 所示，岩石孔裂隙结构主要包括主干孔隙、次级孔、旁枝孔隙及孤立孔隙。由于孔隙中水的冻结点与孔半径成反比19，大孔隙中的水先结冰，进而生长至次级孔。当试样含水量较低时(Sr=30%)，次级孔中过冷水通过水膜迁移至主干孔中。由于含水量较低，孔隙冰生长至一定体积后即停止，此时依赖于毛细管机制的冰生长受到了抑制。而随着试样饱和度的增加，主干孔中冰的生长有足够未冻水补给，进而驱赶部分未冻水进入到相连的小孔隙中。若小孔隙为封闭孔，其内部将产生较大的水压力 Pw，当压力超过岩石基质的抗拉强度时，将引起次级孔的扩展，这也是 T2谱图中第二峰面积变化原因；若孔隙为连通孔时，孔隙冰将产生静水压力驱动未冻水渗流形成损伤，并对岩石骨架施加了一个动水压力，降低了岩石基质的变形阻力32。同时，孔隙冰产生的冻胀压力 Pi也造成了孔壁的损伤33。因此，在压缩应力波的作用下，内部孔隙将快速发育，导致试样破碎程度和动态力学强度的变化。（2sl/R）cos随着冻结过程的发展，主干孔的冰逐渐向次级孔内发育（图 12c）。在孔隙冰发展过程中，薄膜水机制扮演了重要的角色，这是由于较大孔隙中冰的化学势相对较低，小孔隙中的过冷水将沿冰与孔壁间薄膜水逐渐向大孔隙中迁移3，导致大孔隙中的冰不断生长，其压力 Pi也逐渐升高。而当大孔隙中的冰压 Pi与小孔隙的水压 Pw差值为(sl为冰水界面张力；R 为毛细管等效半径;为接触角19)时，孔隙冰逐渐向小孔隙发展，进而产生冻结膨胀促进孔隙发育。因此，饱和度增加时，冻结岩石力学性能并不是一直增强，而当超过临界饱和度时这种增强效果将会逐渐受到抑制，但仍以增强效果为主。然而，对试验所选新疆地区红砂岩，饱和度超过 80%这种增强效果将低于损伤效果，超过其临界饱和度时，冻结砂岩试样的动态强度和模量逐渐降低，而极限变形能和破碎程度逐渐增大。总的来说，随着饱和度的增加孔隙冰由填充、支撑和胶结增强作用逐渐转变为促进裂纹发育扩展的冻胀损伤作用。4结论1）低温冻结过程中，饱和度小于其临界饱和度时，试样以小孔发育为主；接近饱和时，试样内部中-大孔开始迅速发育，表现为 T2谱图中第二峰和第三峰峰面积的增大。2）随着冲击速度的增加，冻结砂岩的动态力学特性表现出明显的冲击强化效应；而随着饱和度的增加，冻结砂岩的动态强度，弹性模量和脆性均呈现先增大后下降趋势。3）随着饱和度的增加，冻结试样将从张拉破坏转变为粉碎性的复合破坏，且破碎质量的分布呈现出正向、负向和波动 3 种关系，而较大破碎质量的分布仍然与其动态强度密切相关。4）饱和度的增加促进了红砂岩内部孔裂隙的发育，尤其是饱和岩石内部裂隙相互贯穿形成裂隙网络，可以观测到接近 9m 宽度的裂隙，孔隙冰对试样强化作用逐渐被损伤作用所抑制。参考文献(References)：宋勇军，杨慧敏，谭皓，等.冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究J.岩石力学与工程学报，2021，40（8）：15131524.SONGYongjun，YANGHuimin，TANHao，et al.Studyondam-ageevolution characteristics of sandstone with different satura-tions in 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