基于NSCB方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验.pdf

基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验方士正1)，杨仁树1)，李炜煜2)，李永亮3)，杨阳1)1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)安徽理工大学安全科学与工程学院，淮南2320003)中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083通信作者，E-mail:摘要采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘弯曲试样（Notchedsemi-circularbend,NSCB），设置不同的负温温度对岩石试样预处理，随后利用改进后的分离式霍普金森杆（SHPB）实验系统开展动态试验.结果表明：岩石的断裂韧度存在明显的加载率效应，断裂韧度试验值随加载率的增加近似呈指数型增大；当加载率一定时，岩石断裂韧度由常温进入负温后先缓慢后快速增加，在20 时达到最大值，随着温度进一步降低，岩石断裂韧度快速减小.进一步对岩石破裂过程分析发现，不同温度下岩石的断裂过程基本一致，且裂纹扩展速度受温度影响较小.基于岩石断面的扫描电子显微镜结果分析岩石断裂模式为：负温下红砂岩的断裂以沿晶破裂和胶结物的撕裂为主，伴有少量的穿晶破裂现象，同时当温度降低至25 时，岩石内部微裂隙数量明显增多，说明负温对岩石具有劣化作用.最后探讨了温度对岩石内部结构的影响机制，对分析岩石断裂特性的低温效应具有一定参考意义.关键词NSCB；冻结；加载率；断裂韧度；断裂模式分类号TD313Investigationofdynamicfracturecharacteristicsoffrozenredsandstoneusingnotchedsemi-circularbendmethodFANG Shizheng1)，YANG Renshu1)，LI Weiyu2)，LI Yongliang3)，YANG Yang1)1)SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)SchoolofSafetyScienceandEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232000,China3)SchoolofEnergyandMiningEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTConsideringthatfluctuationsintemperaturecancausevariationsinboththeinternalstructureaswellasthemineralcompositionofrocks,theirfracturecharacteristicsmustbeimpactedaccordingly.Withtheexponentialdevelopmentofgeotechnicalengineeringincoldregions,itisurgenttostudytheinfluenceofthesub-zerotemperatureenvironmentonthemechanicalpropertiesanddynamicpropertiesofrocks.Inordertoinvestigatetheinfluenceofsub-zerotemperaturegradientonthedynamicfracturecharacteristicsofrocks,redsandstonewasusedforthepreparationofnotchedsemi-circularbendspecimens.First,awater-saturatedmachineandasub-zero temperature incubator were utilized to pretreat the rock for 48 h,conducive for both satiation and freezing processes.Subsequently,thedynamictestswerecarriedoututilizinganimprovedsplitHopkinsonbarexperimentalsystemwithacryogenicsub-system.Concurrently,thestrikervelocitywasmodulatedbysettingdistinctiveairpressures,followingwhichtherockwasloadedatvariousloadingrates.Thetestresultsdemonstratethatthefracturetoughnessoftherockhasanevidentloadingrateeffect,andthefracturetoughnessproliferatesexponentiallywiththeincreaseintheloadingrate.Intheeventthattheloadingrateiscertain,thefracture收稿日期:20220815基金项目:国家自然科学基金重点资助项目（51934001）工程科学学报，第45卷，第10期：17041715，2023年10月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.10:17041715,October2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.15.005;http:/toughnessoftherockprimarilyincreasesgraduallyandthenexpeditiouslyoverthecourseofadvancementfromroomtemperatureto20.Contradictorily,therockfracturetoughnessdiminishesabruptlywithplummetingtemperature.Analysisoftherockfractureprocess,accommodated by a high-speed camera,revealed that the fracture process of the rock at distinctive temperatures isfundamentallyequivalent,andthecrackpropagationspeedisnegligiblyinfluencedbythetemperature.Furthermore,therockfracturemodewasanalyzedbyemployingascanningelectronmicroscope(SEM)system.TheSEMimagesoftherockdepictedthatthefractureof red sandstone at sub-zero temperature is predominantly intergranular fracture and cement tearing,accompanied by a trace oftransgranularfracture.Meanwhile,theexperimentationalsorevealedthatthenumberofmicro-cracksintherocksignificantlymultipliedwhenthetemperaturedeclinedto25,illustratingthatsub-zerotemperaturehasadeterioratingeffectontherock.Conclusively,theinfluencemechanismoftemperatureontheinternalstructureoftherockisdiscussed,anditisassumedthatthechangeintheinternalstructureoftherockisthecollaborativeeffectofthermalexpansion-coldcontractionandice-waterphasetransition.Theinterpretationofthisstudyhassubstantialreferencesignificanceforthefurtherconsequentialanalysisoffrigidityonthefracturepropertiesoftherock.KEYWORDSNSCB；frozen；loadingrate；fracturetoughness；fracturemode断裂力学已经发展为研究岩石断裂问题的有效方法，广泛的应用在地震、边坡、爆破等岩石工程问题研究中15.近年来，众多学者从测试技术、环境因素、数值计算等多个角度对岩石断裂问题开展了相关研究，并获得了大量的研究成果69.Wang等10为研究岩石的起裂韧度和扩展韧度，提出了一种联合实验数值分析的方法来确定岩石的动态起裂和扩展韧度.Gao 等11使用直切槽半圆弯曲（Notchedsemi-circularbend，NSCB）方法研究花岗岩的加载速率效应，并利用数字图像相关（DIC）确定岩石动态应力强度因子和裂纹尖端位置.Zuo等12使用原位实验观测技术对采集自锦屏二级水电站的大理岩断裂行为开展研究，研究发现，岩石的层理方向对裂纹扩展路径和断裂形貌有显著影响.在岩石断裂特性的环境影响因素方面，Chen 等13研究了预应力存在对岩石的动态断裂力学行为的影响规律，通过试验结果发现，当预荷载一定时，岩石的断裂韧度表现出明显的率效应性质，岩石的动态断裂韧度随预荷载的增加而降低.Zhou 等14分析了含水量对岩石动态断裂性质的作用规律，结果表明，饱水岩石的起裂、扩展韧性和裂纹扩展速度均明显低于干燥岩石.Tian 等15研究了晶粒尺寸对花岗岩试样裂纹扩展行为的影响，发现粗粒花岗岩比细粒花岗岩更难引发剪切裂纹.在数值计算方面，Leite 等16建立了在细观水平上模拟水泥基复合材料的计算程序，用以了解岩石断裂破坏过程中骨料和基质的微观相互作用力学行为.Xu 等17采用离散法对岩石动态断裂破坏行为进行了研究，结果表明所使用的模型能够有效的再现岩石的动态断裂过程，同时可以通过该数值计算获取多个动态岩石断裂参数.Li 等18提出了一种基于颗粒的离散元方法，从颗粒尺度上揭示岩石材料在动态荷载下的破裂和损伤演化行为.岩石断裂破坏行为除受到上述因素影响外，还与其所处温度环境密切相关，关于岩石力学特性的温度效应已有大量的研究报道.Mahanta 等19对三种取自印度岩石的断裂力学特性开展试验研究，从高温后岩石的矿物成分、微观结构、力学性质变化等方面进行分析，试验结果发现，3 种岩石的动态断裂韧度在室温至 100 范围内增加，在100600 范围内减小.Zhang 等20研究辉长岩和大理岩在高温下的动态断裂性质发现，在研究的温度范围内，温度对两种岩石动态断裂行为均产生影响，但影响程度有限.Talukdar 等21研究了热处理对三种结晶岩 I 型断裂韧度的影响，结果表明，岩石的断裂韧度不仅受热处理温度影响，还与岩石种类有关.Yin 等22从纵波波速和微观结构方面分析了高温处理对岩石断裂特性的影响，研究发现，纵波波速随着温度升高而降低，当温度低于 250 时，岩石内晶粒的热膨胀导致其断裂韧度增加；当温度高于 450 时，岩石断裂韧度随温度升高而减小的趋势减缓.Feng 等23研究发现，岩石断裂韧性具有明确的温度阈值，高温环境对岩石断裂韧度的影响可以分为低温、中温和高温三个阶段，在三个阶段岩石断裂韧度分别表现出缓慢增加、缓慢降低和快速降低的变化特征.Zuo等24利用扫描电子显微镜对高温作用下的岩石断裂行为进行原位观测，通过试验发现微裂纹的初始方向和主要裂纹扩展路径同时受矿物晶粒形状和热裂纹分布的影响，热裂纹分布的影响随着温度的升高变得更加显著.Chen 等25研究了不同冻融温度区间对岩石动态力学性质的影响，结果表明，随着冻融温度范围的增加，岩石的动态弹性模量和强度均减小.Song 等26利用电子计算机断层方士正等：基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验1705扫描技术获取冻融循环及应力耦合作用下岩石内部结构三维分布，分析发现，冻融循环荷载对岩石内孔隙的影响因其大小而异.目前有关高温和冻融处理后岩石的断裂特性已有较多的报道，但对寒区岩土动力学性质尚缺乏研究，低温环境对岩石的动力学行为的影响机制尚不够清晰，亟需开展相关方面的研究.岩石在冻胀力作用下不仅容易发生宏观的劈裂、张开等现象，还会引起岩石内部微观结构的变化，导致岩石力学性质的改变2729.虽然研究者已对单轴压缩时冻结岩石动力学的性质开展相关研究3031，但作为重要的岩石变形和破坏力学参数，岩石断裂韧度受低温的影响规律目前尚不清楚，因此，负温环境下的岩石断裂特性研究是极其必要的.岩石断裂的常见形式有张拉、滑移和撕裂三种，其中以张拉型破坏最常见且易产生低应力脆断.寒区岩土工程在建设和服役过程中常受到爆破荷载、动力机械和地震等动态荷载的影响，导致岩石的断裂特性有别于受静载时.为分析动态载荷对冻结岩石断裂特性的影响，本文基于直切槽半圆弯曲（NSCB）试验方法，利用改进后的分离式霍普金森杆（SplitHopkinsonpressurebar，SHPB）实验系统对寒区岩石工程中的冻结岩石型断裂问题开展动力学研究，对寒区岩石工程建设和安全服役具有一定的参考价值.1试样制备及实验原理1.1试样制备试样采自湖南某采石场，为均质性较好的红砂岩，表观为暗红色，细粒密实结构.试验所用试样尺寸如图1 所示，准静态试验试样直径均为50mm，单轴压缩试样高度为 100mm（图 1（a），巴西圆盘试样厚度为 25mm（图 1（b），直切槽半圆盘试样厚度为 20mm（图 1（c）.具体的制作过程为：工程现场采集大块后，经过取芯切割打磨处理，制成圆柱和圆盘形试样，再对圆盘形试样进一步打磨至设计高度后，使用切割机切割，制成半圆盘试样，利用水刀加工预制裂缝，裂缝宽度为 0.5mm，长度为 5mm.图 2 为部分加工完成的试样.准静态试验中，试样分为干燥和饱水两组.为充分体现负温对岩石的作用效应，动态试验采用饱水试样进行研究.首先将岩石试样置于真空饱水试验机中饱水 48h，随后将凡士林涂抹于岩石表面防止冻结时岩石表面出现水分迁移析出冰晶，再将涂抹后的试样用保鲜膜包裹放置于低温恒温箱中，按照设定温度冻结 48h，负温范围设置为525.冻结完成后随即取出试样进行动力学试验.1.2材料基本性质选取的岩石试样密度为 2.31gcm3，干燥及饱水时的纵波波速分别为 2225 和 2513ms1，其主要矿物成分为石英（质量分数 77.4%）和钠长石（质量分数 13.5%）等.采用液压伺服压力机对干燥和饱水状态下的常温岩石试样进行静态力学性质测试，加载方式为位移控制加载，单轴压缩、巴西劈裂及断裂测试加载位移速度分别为 0.06、0.35 和0.35mmmin1.通过试验结果发现，含水状态对岩石静态力学强度影响显著，干燥时红砂岩的单轴压缩强度、拉伸强度、断裂韧度分别为 76.4、4.2MPa和 0.78MPam1/2，饱水时各力学特征参数均明显降低，单轴压缩强度为 35.1MPa，拉伸强度为 1.6MPa，断裂韧度为 0.58MPam1/2，相比于干燥状态时，分别下降 54.1%、61.9%和 25.6%.1.3试验设备及加载方案以传统的霍普金森杆（SHPB）实验系统为基础，在试样处增加低温装置，使试样加载过程中处于低温环境，改进后的实验系统如图 3 所示.撞击杆、(b)(a)100252055050(c)Unit:mm图图1试样尺寸示意图Fig.1Dimensionofsamples图图2部分试样照片Fig.2Photoofsomespecimens1706工程科学学报，第45卷，第10期入射杆、透射杆直径均为37mm，材质为60Si2Mn 钢，其弹性模量Eb、密度b分别为206GPa、7740kgm3.在进行冲击加载试验时，结合同步控制系统，使用高速相机对试样加载过程进行拍摄，高速相机型号为 Kirana-5M 型号，最高拍摄帧率为 500 万帧，使用 SI-AD500 光源提供照明，该光源能够提供长达 2ms 的稳定光场.为满足试验需要，加工了与杆件材料相同的支撑座，两个支撑杆间的距离 S为 30mm.为防止支撑座与杆件界面处缝隙对波传播的影响，使用油脂将支撑座与杆件粘结，使支撑座与杆件紧密接触，然后使用胶带将支撑座与杆件之间进行固定.动力学试验开始前，需要首先调试杆件、低温制备及高速相机系统，并进行多次空杆冲击以保证试验设备的可靠性，随后取出低温预处理后的岩石试样放置于实验系统中，然后快速开展试验，整个试验过程不超过 40s.通过调节气缸气压获得不同的撞击杆出膛速率，撞击杆速率范围为 37ms1.2试验结果与分析2.1动态应力平衡验证及加载率确定在动态测试过程中，试样两端的动态力平衡是动态 NSCB 试验有效的基本条件.根据岩石动态断裂韧度测试方法32，本文采用波形整形技术来实现试样的动态力平衡状态33.波形整形器使用橡胶，置于入射杆的撞击端.图 4 为典型试验的动态平衡图.从图中可以看出，在动态加载过程中试样两端的动态力几乎相等，消除了动态加载过程中试样中的惯性效应，从而实现试样的动态应力平衡.加载率是动态力学分析中的重要参数之一，可以通过试样断裂应力强度因子随加载时间的变化来确定.图 5 为典型的动态 NSCB 试验的应力强度因子（Stressintensityfactor，SIF）随时间变化的曲线，可以看出，曲线中存在一段近似线性的上升区域，此线性段的斜率即为加载率.2.2断裂韧度计算方法当试样两端的加载力实现动态平衡时，加载时的惯性效应可忽略不计，采用准静态时的应力强度因子计算方法进行求解.根据 Chen 等34研究报道，基于 NSCB 试样的应力强度因子 K(t)可以采用式（1）计算得到：K(t)=P(t)SBR3/2Y(aR)（1）式中，B 为试样的厚度；R 为试样的半径；a 为切口长度；S 为两支撑点之间的距离；P(t)为加载过程Incident barTransmitted barSpecimenOutput barInput barShaperStrikerRStrain gaugeLiquid nitrogen tankStrain gaugeHigh-speed cameraFlashaBSreintr图图3改进后的霍普金森杆示意图Fig.3SchematicoftheimprovedSHPBsystem0501001502002503000.000080.000060.000040.0000200.000020.000040.000060.000080.000100.00012StrainTime/s Incident Reflected Transmission Incident+Reflected图图4典型的动态平衡曲线Fig.4Typicaldynamicstressbalancecurve方士正等：基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验1707中试样两端所受到的荷载；Y(a/R)为量纲一参量，其值由试样几何形状及支撑座支点间距离决定.加载过程中试样两端的荷载 P1(t)和 P2(t)可由式（2）计算得到.P1(t)=EbAbin(t)+re(t)P2(t)=EbAbtr(t)（2）式中，P1(t)和 P2(t)分别为加载过程中试样两端所受到的荷载；Ab为杆的截面积；in(t)、re(t)和 tr(t)分别为入射波、反射波和透射波的应变.2.3断裂韧度的加载率效应分析通过上述测试方法开展动力学试验，获取不同温度下岩石的应力强度因子时程曲线，如图 6所示.从图中可以看出，15oC 时不同撞击杆速率下应力强度因子时程曲线分布形态基本相同，且随着撞击杆速率的增加，应力强度因子时程曲线峰值增大.提取峰值及加载率绘制于图 7 中，由图可知，各个温度下岩石均表现出明显的加载率效应，且断裂韧度与加载率呈非线性递增关系，采用指数函数 y=a+bexp(x/c)对二者进行拟合，相关参数如表 1 所示，可以看出二者相关度较高，岩石表现出明显的增韧特征.0501001502002500246810Time/s83.8 GPam1/2s1127.3 GPam1/2s1135.5 GPam1/2s1144.0 GPam1/2s1183.9 GPam1/2s1238.7 GPam1/2s1SIF/(MPam1/2)图图615 时岩石应力强度因子时程曲线Fig.6Historycurvesofrockfracturestressintensityfactorat15对比常温时准静态及动态荷载下岩石的断裂韧度可知，动态荷载下断裂韧度明显高于其处于准静态荷载时.这是由于，当岩石试样处于准静态荷载时，岩石内部形核较少，能量主要在预制缺陷处汇聚，当裂纹处能量累积到岩石起裂需要的能量后起裂；对于动态加载测试，岩石在受载后多处形核，能量在预制缺陷处汇聚的同时，在岩石内部同时累积了部分能量，外在表现为试样具有更大的断裂韧度.进一步的，当撞击杆速率越大，即输入能量越大时，岩石内部形核数量越多，因此，动态测试过程中岩石表现出更大的断裂韧性.2.4断裂韧度的温度效应分析图 8（a）为动态断裂韧度随温度和加载率的变化趋势三维曲面拟合图，可以看出岩石的动态断裂韧度受温度的影响明显.从三维曲面拟合图中提取的断面图显示加载率为 120210GPam1/2s1之间时岩石断裂特性随温度变化规律基本一致，由常温进入负温后，岩石断裂韧度增加，且随着温度的持续降低，断裂韧度不断增大，在温度约为200501001502002503000246810SIF/(MPam1/2)Ponit B Time/sPoint A 图图5加载率确定方法Fig.5Determinationmethodofloadingrate5010015020025056789101125 5 10 15 20 25 KDIC/(MPam1/2)KI/(GPam1/2s1)图图7不同温度下岩石的加载率及动态断裂韧度Fig.7Loadingrateanddynamicfracturetoughnessofrockatdifferenttemperatures表表1加载率与动态断裂韧度拟合曲线参数Table1Loading rate and dynamic fracture toughness fitting curveparametersTemperature/abcR22513.548.7412.740.8891510.977.58178.820.95041011.838.52192.340.99051512.1110.39135.680.95822016.9813.92261.680.95332513.2610.01192.090.9461Notes:R2representscorrectionoffitting.1708工程科学学报，第45卷，第10期时达到最大值，如图 8（b）所示.选取两组加载率相近的试样实测数据进行分析（图 8（c），当加载率为（153.04.3）和（184.913.3）GPam1/2s1时，断裂韧度随温度变化规律为：岩石断裂韧度由常温进入负温后略有增加，在520 范围内断裂韧度增加速度较快，在2025 时断裂韧度快速减小.结果表明，出现在20 为岩石断裂韧度随温度变化的拐点，断裂韧度达到最大值（8.7 和10.4MPam1/2）.3岩石渐进破坏过程及扩展速率分析3.1岩石的渐进破裂过程高速相机对试样的破坏过程进行拍摄后发现，试样的破坏均由预制缺陷处起裂，随后沿轴向扩展形成主裂纹，主裂纹由一个近似直线的破碎区域组成，主裂纹形成后将试样分为两个近似1/4 圆的部分.图 9 为撞击杆速率约 5ms1时不同温度下岩石试样的动态破坏过程.结合 Zhao3536等对 NSCB 岩石试样断裂过程的分析和本文中岩石渐进破坏过程及荷载时程曲线（图 10），可以发现在动态载荷作用下岩石的动态破坏过程可以分为五个阶段：第阶段为压密段，由于应力波在试样中传播，此时试样并没有产生裂纹，试样受到压应力作用，在试样的顶端及缺陷处分别形成压缩损伤区和拉伸损伤区，能量在缺陷处积聚；第阶段为缺陷处汇聚足够的能量后，缺陷处拉应力变大，导致裂纹在缺陷尖端起裂并快速扩展，应力强度因子随时间的增加而增大，并在沿试样中心线区域形成一条颜色较浅的条状区域；第阶段为试样承受的荷载达到峰值，此时裂纹依然没有完全贯穿；第阶段主裂纹持续扩展直至贯穿整个试样，试样在该阶段依然具有一定的承载能力；第阶段时主裂纹已完全贯穿，但由于试样破裂成两块后依然和杆接触，在压缩荷载作用下形成临时稳定结构进而传递荷载.同时不同温度下岩石的动态破坏过程基本一致，说明111098765432010010203020100102030210.8010.209.6009.0008.4007.8007.2006.6006.0005.4004.8002402202001801601401201008060220200180160140120KDIC/(MPam1/2)Loading rate/(GPam1/2s1)Fracture toughness/(MPam1/2)Temperature/(a)(b)Loading rate=210 GPam1/2s1Loading rate=180 GPam1/2s1Loading rate=120 GPam1/2s1Loading rate=150 GPam1/2s110.510.09.59.08.58.07.57.0Fracture toughness/(MPam1/2)Fracture toughness/(MPam1/2)Loading rate/(GPam1/2s1)Temperature/30201001020307.07.58.08.59.09.510.010.5Temperature/(c)Loading rate at153.04.3 GPam1/2s1Loading rate at184.913.3 GPam1/2s1图图8动态断裂韧度随温度的变化趋势.(a)三维拟合图；(b)断面提取曲线；(c)实测数据Fig.8Trendsofdynamicfracturetoughnesswithtemperature:(a)3Dfittingsurface;(b)sectionalmapsextractedfromfittingsurface;(c)measuredcurves方士正等：基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验1709温度不影响岩石受载后裂纹发育及演化机理.3.2裂纹扩展速度分析将高速相机捕捉的试样动态破坏过程中裂纹扩展过程图片进行处理，获得岩石试样在不同时刻时的裂纹尖端扩展位移，进而计算出裂纹的扩展速度.图 11 为典型试样的裂纹扩展尖端长度和速度随时间变化趋势（0s 为裂纹起裂时刻）.由图 12 可以看出，整体上试样的裂纹扩展速度分布在 30450ms1范围内，且各温度下岩石试样扩展速度随时间增加呈波动性减小的趋势.分析发现，岩石裂纹速度在 20s 时较高，不同温度下岩石扩展速度均在 256ms1以上，随后岩石裂纹扩展速度减慢，在 80s 时基本在 150ms1以下.对比不同温度下的岩石裂纹扩展速度可知，温度对岩石扩展速度影响较小，处于图中两条包络线范围内.对于岩石型裂纹扩展速度的研究方面，刘瑞峰等37采用裂纹扩展计测试了内部单裂纹圆盘试样（PMMA），发现在爆炸加载条件下裂纹的平均扩展速率为 352.11ms1，但存在短暂的501001502002500246810Time/sSIF/(MPam1/2)0图图10断裂应力强度因子时程曲线阶段划分Fig.10Divisionofstressintensityfactorhistorycurve01020304050607080902468101214 Crack length Crack propagation velocityTime/sCrack length/mm50100150200250300350400450 Crack propagation velocity/(ms1)图图11典型试样裂纹扩展长度和速度Fig.11 Crack length and crack propagation velocity of the typicalspecimen20304050607080010020030040050025 5 10 15 20 25 Time/s Crack propagation velocity/(ms1)图图12不同温度下岩石裂纹扩展速度Fig.12Rockcrackpropagationvelocityatdifferenttemperature25 5 10 15 20 25 0 s 90 s 156 s 176 s 218 s 0 s 80 s 100 s 144 s 220 s 0 s 94 s 112 s 152 s 216 s 0 s 104 s 126 s 142 s 206 s 0 s 110 s 132 s 150 s 202 s 0 s 108 s 126 s 164 s 230 s 图图9不同温度下岩石试样的渐进破裂过程Fig.9DynamicfailureprocessesofNSCBspecimenatdifferenttemperature1710工程科学学报，第45卷，第10期停滞现象，此时裂纹速度约为 68.44ms1.Dai 等38采用激光光通量位移计测量了 CCNSCB 花岗岩试样的裂纹扩展速度，在试验中观察到了在荷载峰值点两侧裂纹扩展的稳定不稳定转变现象，在加载率范围为 5097GPam1/2s1范围内时，稳定和不稳定裂纹扩展速度分别为 6588 和 135176ms1.殷志强等39研究了瓦斯含量对煤样断裂行为的影响规律，结果表明煤样的裂纹扩展速度受瓦斯压力影响明显，在瓦斯压力为 0 和 1.5MPa 时的扩展速度分为 78 和 239ms1，产生这种现象的原因是瓦斯压力越大，试样中的赋存瓦斯在断裂过程产生的有效应力越大，对裂纹扩展作用能力增强.综上可知，加载速率及岩石内部结构变化对试样裂纹扩展速度具有较大影响，但本试验中并未观测到岩石内部结构变化对裂纹扩展速度的显著影响.4断裂模式及温度影响机制分析4.1断裂模式分析材料的宏观力学行为与其微观断裂模式密切相关，裂纹的表面形貌揭示了材料加载过程的内在能量耗散机制，因此可以通过微观尺度失效机制来解释材料的宏观力学行为40.图 13 为不同温度下测试后的 NSCB 试样.从图中可以看出，所有试样的主裂纹都是沿预制缺陷扩展，将试样分为两部分.采用扫描电子显微镜（SEM）对试样断裂面进行观测，分析温度对岩石断裂模式的影响规律.在岩石断裂模式的影响因素方面，国内外学者已经取得了一些共识4142，认为岩石的断裂模式会随着加载速率和岩石材料性质的变化而改变.当加载率较低时，由于岩石晶间力学强度较小，因此裂纹以沿晶（Inter-granular,IG）断裂为主；当加载率较高时，受动态荷载扰动后的试样内部裂纹迅速扩展，不仅存在沿晶破坏，还会出现较多的穿晶（Trans-granular,TG）断裂现象.对于花岗岩等多晶材料，外载诱发的微裂纹通常以晶间裂纹和穿晶裂纹为主；而对于沉积岩来说，由于晶界或胶结物的韧性明显弱于晶粒，因此受载后宏观裂纹极易在晶间和胶结物处产生43.常温时典型破坏试样的断面 SEM 图显示，红砂岩的破坏演化过程起始于预制缺陷处拉伸应力所导致的晶界破坏及胶结物的撕裂；随后裂纹沿晶间迅速扩展，与少量穿晶裂纹以及拉伸引发的胶结物撕裂裂纹交汇和贯穿，最后导致岩石的断裂破坏，如图 14 所示.可以看出，IG 断裂是红砂岩的主要断裂模式，TG断裂出现较少，这是沉积岩类岩石的晶间强度远小于晶粒强度的普遍现象.图 15 和图 16 为两种不同倍率下岩石断裂的表面形貌.首先从整体上看，在低倍率下岩石断裂表面较为光滑，而在高倍率下，岩石断裂面则表现出不规则和粗糙；其次，通过对岩石断裂表面的分析发现，即使在加载率较高的动态荷载作用下，岩石试样的破坏中 TG 断裂增多，但是仍然以 IG 断裂为主，说明岩石的动态破坏模式不仅与荷载速率有关，更与其材料性质密切联系.对比分析不同温度对岩石的断裂模式影响发现，在低倍率下，当温度为510 时，岩石内部较为密实，表面较少出现微裂纹，岩石破坏多以 IG 断裂和胶结物撕裂为主，如图 15（a）和（b）所示；当温度降低至1520 时，岩石内部孔隙和微裂纹数量增加，微裂纹长度和张开宽度也略有增加，同时 TG 断裂增多，(a)(b)(c)(d)(e)(f)图图13典型试样测试后破坏形态.(a)25；(b)5；(c)10；(d)15；(e)20；(f)25Fig.13TypicaltestedNSCBspecimens:(a)25;(b)5;(c)10;(d)15;(e)20;(f)25(a)(b)(c)50 m 100 m 100 m surface FracturePre-crack图图14常温时典型破坏试样的 SEM 图.（a）裂纹扩展方向；（b）少量穿晶破坏；（c）颗粒剥离Fig.14SEMimagesofthetypicalfailuresampleatroomtemperature(Thearrowindicatesthedirectionofcrackpropagation):(a)crackextensiondirection;(b)smallamountofTGdamage;(c)particlepeeling方士正等：基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验1711并开始出现大颗粒的整体穿晶破裂（图 15（c）和（d）；进一步降低温度至25 时，岩石内部微裂隙发育明显，出现大量的孔隙和微裂纹，颗粒与胶结物、颗粒间的连接程度弱化，内部损伤加剧（图 15（e），断裂面的颗粒更加清晰和立体，断面也更加粗糙.在高倍率下，在5 的岩石断裂表面可以清晰的发现颗粒剥离后的坑洞以及光滑饱满的颗粒，这种模式是由于裂纹前沿扩展至颗粒处后无法穿越颗粒，向颗粒与胶结物、颗粒的界面处偏转导致的（见图 16（a）；在1020 时，TG断裂与 IG 断裂伴随共生，这种模式是由于裂纹在穿越颗粒后能量减小，无法继续穿越相邻颗粒所导致（图 16（bd），此时 TG 裂纹既在小尺寸颗粒中发生，也在大尺寸颗粒处产生；当温度为25时，TG 断裂模式不易观测到，岩石的断裂以 IG 断裂和胶结物撕裂为主（见图 16（e），这是由于材料内部劣化，在受到扰动后裂纹极易在颗粒间及胶结物中产生所导致的.4.2温度影响机制探讨负温环境下存在四种不同的机制对饱和岩石试样的微观结构变化作用，包括低温下矿物颗粒的收缩、水冰相变的持续发生、冰强度的增强以及水/冰与岩石的相互作用等，岩石的宏观力学响应及断裂行为由四种机制的综合作用29,4446.首先，由于物质的热胀冷缩效应，低温时矿物颗粒受冷收缩，颗粒间接触增加，内部微裂纹和孔隙减小，但温度足够低时颗粒间的过度挤压将导致新裂纹的萌生，诱发新的损伤；其次，由于孔隙水的冻结温度与孔隙连通性（图 17）、孔径等密切相关4748，较小的孔径会产生较低的凝固点49，因此在冻结(a)(b)(c)50