工程科学学报，第41卷，第10期：1249-1257,2019年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.10:1249-1257,October 2019 D0I:10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.14.002:http:/journals.ustb.edu.cn 高应变率下红砂岩“冻伤效应” 杨 阳12)，杨仁树)四 1)昆明理工大学国土资源与工程学院，昆明6500932)云南农业大学水利学院，昆明650201 3)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yrshu(@cumtb..edu.cm 摘要对低温冻结红砂岩进行动态冲击实验，研究高应变率下红砂岩动态力学特性的温度效应，运用损伤理论和能量理 论，分析不同负温对红砂岩强度、损伤变量及能量耗散的影响，结合断口形貌分析，探究红砂岩在较低负温下动态力学强度出 现劣化的原因.研究表明：较低的负温(-30℃后)会使红砂岩出现“冻伤”，导致高应变率下岩石动态力学强度的急剧降低， 宏观上则容易出现动力扰动下的瞬时工程灾变.根据断口形貌分析，较低的负温会导致红砂岩内部组成物质间界面处生成大 量裂纹，这些裂纹尖端塑性变形能力差，在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏，而胶结物由于组成矿物成分 复杂更易受负温影响，因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏，进而引起红砂岩整体的破裂. 关键词红砂岩；岩石动力学；耗散能；断口形貌 分类号TU458:TD315 "Frostbite effect"of red sandstone under high strain rates YANG Yang'2),YANG Ren-shu 1)Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China 2)College of Water Conservancy,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China 3)School of Civil and Recourses Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yrshu@cumtb.edu.cn ABSTRACT Under the action of negative temperature,the static strength of a rock increases;however,the rock will tend to be brit- tle,failure strain will decrease,and the rock will also bear the action of internal ice heave force,which leads to complex dynamic be- havior of rocks under high strain rate loading.In addition,the geotechnical structures in cold regions are prone to sudden engineering disasters under dynamic disturbance.In this study,a dynamic impact experiment of low-temperature frozen red sandstone was carried out to investigate the temperature effect on the dynamic mechanical properties of red sandstone under high strain rate.Based on the damage theory and energy theory,the effects of different negative temperatures on the strength,damage variables,and energy dissipa- tion of red sandstone were analyzed,and the reasons for the dynamic mechanical strength deterioration of red sandstone at lower nega- tive temperatures were explored using fracture morphology analysis.Research shows that the low negative temperature (after -30C) can cause a"frostbite"red sandstone,resulting in a sharp decrease in the dynamic mechanical strength of rocks under high strain rate, and transient engineering disasters can easily occur under dynamic disturbance.According to the fracture morphology analysis,the low negative temperature will cause a large number of cracks to be generated at the interface between the components in the red sandstone. The plastic deformation ability of the crack tip is poor,and the crack can easily lose stability and expand under high strain rates,resul- ting in the low-stress brittle failure.However,due to the complex mineral composition of the cementitious materials,they are more sus- ceptible to negative temperature.Therefore,under the double action of dynamic load and negative temperature,the damage usually oc- 收稿日期：2019-01-14 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600903):国家自然科学基金资助项目(51564027)：云南农业大学自然科学青年科研基金资 助项目(2016ZR05);云南省应用基础研究青年项目资助项目(2018FD025)
工程科学学报,第 41 卷,第 10 期:1249鄄鄄1257,2019 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 10: 1249鄄鄄1257, October 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 01. 14. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 高应变率下红砂岩“冻伤效应冶 杨 阳1,2) , 杨仁树3) 苣 1) 昆明理工大学国土资源与工程学院, 昆明 650093 2) 云南农业大学水利学院, 昆明 650201 3) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 苣通信作者,E鄄mail: yrshu@ cumtb. edu. cn 摘 要 对低温冻结红砂岩进行动态冲击实验,研究高应变率下红砂岩动态力学特性的温度效应,运用损伤理论和能量理 论,分析不同负温对红砂岩强度、损伤变量及能量耗散的影响,结合断口形貌分析,探究红砂岩在较低负温下动态力学强度出 现劣化的原因. 研究表明:较低的负温( - 30 益后)会使红砂岩出现“冻伤冶,导致高应变率下岩石动态力学强度的急剧降低, 宏观上则容易出现动力扰动下的瞬时工程灾变. 根据断口形貌分析,较低的负温会导致红砂岩内部组成物质间界面处生成大 量裂纹,这些裂纹尖端塑性变形能力差,在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏,而胶结物由于组成矿物成分 复杂更易受负温影响,因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏,进而引起红砂岩整体的破裂. 关键词 红砂岩; 岩石动力学; 耗散能; 断口形貌 分类号 TU458; TD315 收稿日期: 2019鄄鄄01鄄鄄14 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600903);国家自然科学基金资助项目(51564027);云南农业大学自然科学青年科研基金资 助项目(2016ZR05);云南省应用基础研究青年项目资助项目(2018FD025) “Frostbite effect冶 of red sandstone under high strain rates YANG Yang 1,2) , YANG Ren鄄shu 3) 苣 1) Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2) College of Water Conservancy, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China 3) School of Civil and Recourses Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: yrshu@ cumtb. edu. cn ABSTRACT Under the action of negative temperature, the static strength of a rock increases; however, the rock will tend to be brit鄄 tle, failure strain will decrease, and the rock will also bear the action of internal ice heave force, which leads to complex dynamic be鄄 havior of rocks under high strain rate loading. In addition, the geotechnical structures in cold regions are prone to sudden engineering disasters under dynamic disturbance. In this study, a dynamic impact experiment of low鄄temperature frozen red sandstone was carried out to investigate the temperature effect on the dynamic mechanical properties of red sandstone under high strain rate. Based on the damage theory and energy theory, the effects of different negative temperatures on the strength, damage variables, and energy dissipa鄄 tion of red sandstone were analyzed, and the reasons for the dynamic mechanical strength deterioration of red sandstone at lower nega鄄 tive temperatures were explored using fracture morphology analysis. Research shows that the low negative temperature (after - 30 益 ) can cause a “frostbite冶 red sandstone, resulting in a sharp decrease in the dynamic mechanical strength of rocks under high strain rate, and transient engineering disasters can easily occur under dynamic disturbance. According to the fracture morphology analysis, the low negative temperature will cause a large number of cracks to be generated at the interface between the components in the red sandstone. The plastic deformation ability of the crack tip is poor, and the crack can easily lose stability and expand under high strain rates, resul鄄 ting in the low鄄stress brittle failure. However, due to the complex mineral composition of the cementitious materials, they are more sus鄄 ceptible to negative temperature. Therefore, under the double action of dynamic load and negative temperature, the damage usually oc鄄
.1250· 工程科学学报.第41卷，第10期 curs first at the cementitious materials and then results in the fracture of the whole red sandstone KEY WORDS red sandstone;rock dynamics;dissipation energy;fracture morphology 岩石在低温下的力学响应与常温下有着较为明 显的区别)，尤其是负温情况下，随着负温的降低 岩石单轴抗压、抗拉强度、弹性模量等都有着较为明 显的增加3]，内摩擦角、粘聚力等也会随温度的降 低而增大[6-)，整体静力学性能有所增强；但负温加 载同时会使岩石更趋向于脆性，破坏应变减小，岩石 内部还要承受水冰相变带来的巨大冰胀力，这也导 致寒区岩土工程在动力作用下更容易发生突发性的 工程灾变，因此揭示和准确掌握负温下岩石力学特 图1部分制备好的岩石试件 性尤其是动力学特性就成为解决寒区矿产资源开发 Fig.1 Part of rock specimens prepared 和岩土工程建设的关键.然而相较于负温岩石静力 模拟低温冻结岩石在工程建设或服役期间受到的动 学研究领域的累累硕果，动力学研究相对匮乏，少许 力扰动，如冻结立井的机械或爆破开挖，寒区岩土工 的研究还将温度局限于-20℃以内，不足以全面反 程的振动荷载，液化天然气和石油气储层的冲击荷 映负温变化对岩石动力学特性的影响，更无法探究 载和地震荷载等，上述动荷载对应的应变率多在 寒区岩土工程动力致灾机理.本文基于上述研究背 10'~103,属于中高应变率，可通过SHPB实验系统 景，利用霍普金森压杆(SHPB)实验系统对红砂岩 完成其动态力学性能的测试 进行负温冲击试验，研究低温冻结红砂岩在冲击作 用下的动态力学性能，试验温度变化范围大(25~ -40℃)，能较为全面的描述负温对岩石动力学行 为的影响，结合扫描电子显微镜，通过断口形貌分析 准确表征冻结岩石的微观破裂特征，并在此基础上 研究负温、水冰相变等对岩石动态力学强度以及变 形特性的影响. 1低温冻结动态冲击试验 图2蛋普金森试验系统(SHPB) 1.1试件制备及相应参数 Fig.2 SHPB experimental system 红砂岩取自内蒙古伊金霍洛旗红庆河煤矿，按 岩石动力学学会推荐试验标准制成中75mm×38mm 低温冻结岩石试件的制备在高低温试验机中完 圆柱形试件（见图1），保证试件端面和轴向精确度 成，在降至指定温度后还需在低温仓中稳定至少 满足试验要求.对制备好的试件进行饱水或干燥处 24h以保证试件内外温度一致.由于是高应变率下 理并测得其基本物理参数（见表1），为下一步的冻 的SHPB动态冲击试验，试验气压恒设置为 结处理和对比组试验做准备. 0.72MPa,相同的冲击气压保证红砂岩的平均应变 率为101s1,试件按冻结温度分为7组（每组至少 3个试件)，分别是25、-5、-10、-15、-20、-30 表1红砂岩基本物理参数 Table 1 Basic physical parameters of red sandstone 和-40℃组，实验时需将试件快速转移至SHPB 实验装置中，从转移到冲击实验完成整个过程不 纵波速度/(ms1) 干密度/ 饱和密度/ 饱水率/ 干燥 饱水 (kg'm-3) (kg'm-3) % 超过30s,由于岩石导热率差、实验完成所需时间 短，可认为整个实验过程岩石试件整体温度不受 2780 3651 2292 2371 3.46 外界室温(25℃)的影响.在饱水温度效应试验的 1.2试验方案 基础上还设置有干燥对比组试验，通过对比，分析 本次研究的核心和基础是霍普金森(SHPB)动 水的存在及水冰相变现象对岩石在高应变率下力 态冲击实验，即通过SHPB压杆实验系统（见图2） 学性能的影响
工程科学学报,第 41 卷,第 10 期 curs first at the cementitious materials and then results in the fracture of the whole red sandstone. KEY WORDS red sandstone; rock dynamics; dissipation energy; fracture morphology 岩石在低温下的力学响应与常温下有着较为明 显的区别[1鄄鄄2] ,尤其是负温情况下,随着负温的降低 岩石单轴抗压、抗拉强度、弹性模量等都有着较为明 显的增加[3鄄鄄5] ,内摩擦角、粘聚力等也会随温度的降 低而增大[6鄄鄄10] ,整体静力学性能有所增强;但负温加 载同时会使岩石更趋向于脆性,破坏应变减小,岩石 内部还要承受水冰相变带来的巨大冰胀力,这也导 致寒区岩土工程在动力作用下更容易发生突发性的 工程灾变,因此揭示和准确掌握负温下岩石力学特 性尤其是动力学特性就成为解决寒区矿产资源开发 和岩土工程建设的关键. 然而相较于负温岩石静力 学研究领域的累累硕果,动力学研究相对匮乏,少许 的研究还将温度局限于 - 20 益 以内,不足以全面反 映负温变化对岩石动力学特性的影响,更无法探究 寒区岩土工程动力致灾机理. 本文基于上述研究背 景,利用霍普金森压杆( SHPB) 实验系统对红砂岩 进行负温冲击试验,研究低温冻结红砂岩在冲击作 用下的动态力学性能,试验温度变化范围大(25 ~ - 40 益 ),能较为全面的描述负温对岩石动力学行 为的影响,结合扫描电子显微镜,通过断口形貌分析 准确表征冻结岩石的微观破裂特征,并在此基础上 研究负温、水冰相变等对岩石动态力学强度以及变 形特性的影响. 1 低温冻结动态冲击试验 1郾 1 试件制备及相应参数 红砂岩取自内蒙古伊金霍洛旗红庆河煤矿,按 岩石动力学学会推荐试验标准制成 准75 mm 伊 38 mm 圆柱形试件(见图 1),保证试件端面和轴向精确度 满足试验要求. 对制备好的试件进行饱水或干燥处 理并测得其基本物理参数(见表 1),为下一步的冻 结处理和对比组试验做准备. 表 1 红砂岩基本物理参数 Table 1 Basic physical parameters of red sandstone 纵波速度/ (m·s - 1 ) 干燥 饱水 干密度/ (kg·m - 3 ) 饱和密度/ (kg·m - 3 ) 饱水率/ % 2780 3651 2292 2371 3郾 46 1郾 2 试验方案 本次研究的核心和基础是霍普金森( SHPB)动 态冲击实验,即通过 SHPB 压杆实验系统(见图 2) 图 1 部分制备好的岩石试件 Fig. 1 Part of rock specimens prepared 模拟低温冻结岩石在工程建设或服役期间受到的动 力扰动,如冻结立井的机械或爆破开挖,寒区岩土工 程的振动荷载,液化天然气和石油气储层的冲击荷 载和地震荷载等,上述动荷载对应的应变率多在 10 1 ~ 10 3 ,属于中高应变率,可通过 SHPB 实验系统 完成其动态力学性能的测试. 图 2 霍普金森试验系统(SHPB) Fig. 2 SHPB experimental system 低温冻结岩石试件的制备在高低温试验机中完 成,在降至指定温度后还需在低温仓中稳定至少 24 h 以保证试件内外温度一致. 由于是高应变率下 的 SHPB 动 态 冲 击 试 验, 试 验 气 压 恒 设 置 为 0郾 72 MPa,相同的冲击气压保证红砂岩的平均应变 率为 101 s - 1 ,试件按冻结温度分为 7 组(每组至少 3 个试件) ,分别是 25、 - 5、 - 10、 - 15、 - 20、 - 30 和 - 40 益 组,实验时需将试件快速转移至 SHPB 实验装置中,从转移到冲击实验完成整个过程不 超过 30 s,由于岩石导热率差、实验完成所需时间 短,可认为整个实验过程岩石试件整体温度不受 外界室温(25 益 )的影响. 在饱水温度效应试验的 基础上还设置有干燥对比组试验,通过对比,分析 水的存在及水冰相变现象对岩石在高应变率下力 学性能的影响. ·1250·
杨阳等：高应变率下红砂岩“冻伤效应” ·1251· 段斜率即初始弹性模量是有增大的趋势，这一系列 2高应变率下红砂岩力学特性温度效应 变化说明从常温到低温，岩石脆性增强，韧性进一步 2.1应力-应变曲线分析 降低，动态强度虽然在增加(98.51增加至122.12 选取各组特征温度下振荡和离散性较小的典型 MPa,增幅达23.97%)，但变形过程中的塑性应变值 曲线进行应力应变特征分析（见图3）.显然红砂岩 在缩小（由25℃的0.0164降至-30℃的0.0145，减 在不同温度下的应力-应变曲线有着明显的差别， 小13.1%)：但在-40℃时曲线出现了迥异的突变， 其中最为突出的是-30℃，此时曲线峰值应力最 峰值强度相较于-30℃迅速下降，破坏应变显著增 大，破坏时应变最小，整条曲线走向短而轮廓高耸， 加，且在达到破坏应变前出现一段应变平台，平台段 说明此温度条件下红砂岩丧失了韧性更趋于弹脆 曲线近于水平，这表明岩石在丧失承载能力前有裂 性，在冲击力作用下直接由弹性变形转变为脆性破 纹的大量发育和快速扩展.与其他温度段曲线相 坏：温度在25~-30℃变化时，曲线呈现出规律性 比，-40℃应力-应变曲线具有更加明显的裂纹压 变化，具体体现在几个力学特性上，如峰值强度随着 密阶段，稳定的弹性变形阶段，和较长的裂纹快速扩 温度的降低逐渐增大，破坏应变逐渐变小，曲线初始 展阶段 140 (a) 180r6 120/ 160 -21 -10C 140 -20℃ 30℃ 15℃ 100 -30℃ 120 80 259℃ 100 60 80 40 20 20 10 1520253035 0 152025 30 应变./103 应变.e/10-3 图3冲击荷载下冻结红砂岩应力-应变曲线.()饱水红砂岩；(b)干燥红砂岩 Fig.3 Stress-strain curve of frozen red sandstone under impact load:(a)saturated red sandstone;(b)dry red sandstone 上述应力应变曲线特征分析表明温度降到-30 裂形成柱状劈裂结构和片状层裂结构，破裂角度在 ℃后红砂岩出现“冻伤”，即红砂岩动态力学性能出 90°左右，属于典型的张拉致裂 现劣化，究其原因是高应变率加载下负温岩石内部 (3)-10~-20℃，岩石在负温下趋于收缩， 产生了大量微裂纹，这些微裂纹在低应变率下或者 抵抗径向扩张变形能力增强，但由于负温的进一步 静态、准静态的试验条件下对岩石强度性能影响很 降低，岩石抵抗径向收缩变形能力继续走低，在反向 小，但高应变率会放大其作用，导致岩石力学性能出 拉伸波作用下（引起岩石试件径向回弹），试件层裂 现劣化、动态力学强度急剧降低 破坏，形成大量小体积片状碎块，此时张拉作用仍居 2.2变形破坏特征与动态力学特性 于主导地位 饱水红砂岩在不同冻结温度下的冲击破坏形态 (4)-30~-40℃，岩石抵抗张拉变形能力进 如图4所示. 一步降低，而更低的负温还会导致岩石内部大量微 (1)25℃，压缩应力波作用下试件受到强烈的 裂隙的萌生和交汇，两者共同作用下岩石试件破坏， 轴向压缩，外层岩石径向扩张，产生轴向裂隙，岩石 形成大量片状层裂结构和锥形体结构，此时的锥形 试件容易破裂形成大体积的张拉劈裂柱状体：待应 体结构主要是由裂纹密集发展和交汇分割而成. 力波通过后，储存的部分弹性变形能释放，岩石质点 饱水红砂岩不同温度下的破坏特征显示冲击作 产生反向的径向位移，容易生成环向裂隙，轴向裂隙 用下，岩石受张拉作用部分容易先开裂，当内部裂隙 和环向裂隙交汇处则形成大量小体积锥形体.如图 较少时，这些裂隙会汇集贯穿形成主破裂面（如图4 4(a)所示. (a)和(b)中面积较大的矩形破裂面)，当内部裂隙 (2)-5℃，负温条件下岩石脆性增强，抵抗变 较多时大量裂纹会沿着多个方向汇集，在宏观层面 形能力降低，压缩应力波作用下试件容易沿轴向破 形成数量众多的剪切破裂面，这些剪切破裂面会将
杨 阳等: 高应变率下红砂岩“冻伤效应冶 2 高应变率下红砂岩力学特性温度效应 2郾 1 应力鄄鄄应变曲线分析 选取各组特征温度下振荡和离散性较小的典型 曲线进行应力应变特征分析(见图 3). 显然红砂岩 在不同温度下的应力鄄鄄 应变曲线有着明显的差别, 其中最为突出的是 - 30 益 ,此时曲线峰值应力最 大,破坏时应变最小,整条曲线走向短而轮廓高耸, 说明此温度条件下红砂岩丧失了韧性更趋于弹脆 性,在冲击力作用下直接由弹性变形转变为脆性破 坏;温度在 25 ~ - 30 益 变化时,曲线呈现出规律性 变化,具体体现在几个力学特性上,如峰值强度随着 温度的降低逐渐增大,破坏应变逐渐变小,曲线初始 段斜率即初始弹性模量是有增大的趋势,这一系列 变化说明从常温到低温,岩石脆性增强,韧性进一步 降低,动态强度虽然在增加(98郾 51 增加至 122郾 12 MPa,增幅达23郾 97% ),但变形过程中的塑性应变值 在缩小(由25 益的0郾 0164 降至 - 30 益的0郾 0145,减 小 13郾 1% );但在 - 40 益时曲线出现了迥异的突变, 峰值强度相较于 - 30 益 迅速下降,破坏应变显著增 加,且在达到破坏应变前出现一段应变平台,平台段 曲线近于水平,这表明岩石在丧失承载能力前有裂 纹的大量发育和快速扩展. 与其他温度段曲线相 比, - 40 益 应力鄄鄄 应变曲线具有更加明显的裂纹压 密阶段,稳定的弹性变形阶段,和较长的裂纹快速扩 展阶段. 图 3 冲击荷载下冻结红砂岩应力鄄鄄应变曲线 郾 (a)饱水红砂岩;(b)干燥红砂岩 Fig. 3 Stress鄄鄄strain curve of frozen red sandstone under impact load: (a) saturated red sandstone; (b) dry red sandstone 上述应力应变曲线特征分析表明温度降到 - 30 益后红砂岩出现“冻伤冶,即红砂岩动态力学性能出 现劣化,究其原因是高应变率加载下负温岩石内部 产生了大量微裂纹,这些微裂纹在低应变率下或者 静态、准静态的试验条件下对岩石强度性能影响很 小,但高应变率会放大其作用,导致岩石力学性能出 现劣化、动态力学强度急剧降低. 2郾 2 变形破坏特征与动态力学特性 饱水红砂岩在不同冻结温度下的冲击破坏形态 如图 4 所示. (1) 25 益 ,压缩应力波作用下试件受到强烈的 轴向压缩,外层岩石径向扩张,产生轴向裂隙,岩石 试件容易破裂形成大体积的张拉劈裂柱状体;待应 力波通过后,储存的部分弹性变形能释放,岩石质点 产生反向的径向位移,容易生成环向裂隙,轴向裂隙 和环向裂隙交汇处则形成大量小体积锥形体. 如图 4(a)所示. (2) - 5 益 ,负温条件下岩石脆性增强,抵抗变 形能力降低,压缩应力波作用下试件容易沿轴向破 裂形成柱状劈裂结构和片状层裂结构,破裂角度在 90毅左右,属于典型的张拉致裂. (3) - 10 ~ - 20 益 ,岩石在负温下趋于收缩, 抵抗径向扩张变形能力增强,但由于负温的进一步 降低,岩石抵抗径向收缩变形能力继续走低,在反向 拉伸波作用下(引起岩石试件径向回弹),试件层裂 破坏,形成大量小体积片状碎块,此时张拉作用仍居 于主导地位. (4) - 30 ~ - 40 益 ,岩石抵抗张拉变形能力进 一步降低,而更低的负温还会导致岩石内部大量微 裂隙的萌生和交汇,两者共同作用下岩石试件破坏, 形成大量片状层裂结构和锥形体结构,此时的锥形 体结构主要是由裂纹密集发展和交汇分割而成. 饱水红砂岩不同温度下的破坏特征显示冲击作 用下,岩石受张拉作用部分容易先开裂,当内部裂隙 较少时,这些裂隙会汇集贯穿形成主破裂面(如图 4 (a)和(b)中面积较大的矩形破裂面),当内部裂隙 较多时大量裂纹会沿着多个方向汇集,在宏观层面 形成数量众多的剪切破裂面,这些剪切破裂面会将 ·1251·
.1252· 工程科学学报.第41卷，第10期 (a b (c) d 图4不同冻结温度下饱水红砂岩冲击破环形态图.(a)25℃：(b)-5℃：(c)-10℃：(d)-20℃：(e)-30℃；(f)-40℃ Fig.4 mpact failure pattem of red sandstone at different freezing temperatures:(a)25℃；(b)-5℃；(c）-l0℃；(d)-20℃；(e）-30℃； (f)-40℃ 破碎体分割成大量的锥形体.而随着负温的持续降 5 低，岩石会趋于收缩，相当于给岩石试件施加了预压 120 应力，岩石试件也因此具备了一定抵抗径向扩张变 115 ● 形的能力，但其对径向收缩变形依然很敏感（并随 1 负温的降低敏感度加剧)，因此反向拉伸应力波作 10 用下层裂破碎体数量一直在增加（如图4(e)和 (f)). 95 对测得的试验数据进行处理获得饱水红砂岩在 9 不同温度下的动态抗压强度和破坏应变，并将其绘 85 -50-40-30-20-100102030 制成相应特征参量随低温变化曲线，见图5和图6. 温度，T℃ 低温岩石静力学试验-川表明负温条件下岩 图5不同冻结温度下饱水红砂岩动态抗压强度变化曲线 石单轴和三轴抗压强度随温度的降低而增大.但在 Fig.5 Curve of dynamic compressive strength of saturated red sand- 高应变率下笔者发现较低的负温会使岩石产生“冻 stone at different freezing temperatures 伤”，即岩石内部由于固态冰、矿物等介质在负温下 砂岩在-10、-15、-20和-30℃的动态抗压强度 收缩速度和程度的不同造成大量微裂隙、介质空隙 较-5℃分别提升14.87%、16.87%、22.84%、 的出现，这些次生缺陷在高应变率下对岩石的劣化 23.97%,这说明此区段的负温尚不足以使不同介质 作用会被凸显，造成岩石动态抗压强度的降低，这有 之间生成大量次生缺陷，反倒是岩石遇冷收缩，介质 别于静态和准静态试验所获得的结果.通过图5可 之间接触嵌合的更紧密，岩石整体承载能力增强. 以看出，本系列试验中饱水红砂岩在-30~-40℃ 红砂岩破坏应变的变化趋势反映出随着温度的 区段内，动态抗压强度由122降至86MPa,降低了约 降低(25~-10℃)，岩石的脆性在逐渐增强，容易 41.68%,岩石动态性能被极大的劣化.在-5~ 直接由弹性变形转变为脆性破坏，因此破坏时应变 -30℃区段内岩石动态抗压强度变化趋势与静态 数值是逐渐走低的，但随着温度的进一步降低，岩石 准静态试验保持一致，均随温度的降低而增大，如红 中开始出现负温造成的次生缺陷，这些缺陷在冲击
工程科学学报,第 41 卷,第 10 期 图 4 不同冻结温度下饱水红砂岩冲击破坏形态图 郾 (a) 25 益 ; (b) - 5 益 ; (c) - 10 益 ; (d) - 20 益 ; (e) - 30 益 ; (f) - 40 益 Fig. 4 Impact failure pattern of red sandstone at different freezing temperatures: (a) 25 益 ; (b) - 5 益 ; (c) - 10 益 ; (d) - 20 益 ; (e) - 30 益 ; (f) - 40 益 破碎体分割成大量的锥形体. 而随着负温的持续降 低,岩石会趋于收缩,相当于给岩石试件施加了预压 应力,岩石试件也因此具备了一定抵抗径向扩张变 形的能力,但其对径向收缩变形依然很敏感(并随 负温的降低敏感度加剧),因此反向拉伸应力波作 用下层裂破碎体数量一直在增加( 如图 4 ( e) 和 (f)). 对测得的试验数据进行处理获得饱水红砂岩在 不同温度下的动态抗压强度和破坏应变,并将其绘 制成相应特征参量随低温变化曲线,见图 5 和图 6. 低温岩石静力学试验[11鄄鄄17] 表明负温条件下岩 石单轴和三轴抗压强度随温度的降低而增大. 但在 高应变率下笔者发现较低的负温会使岩石产生“冻 伤冶,即岩石内部由于固态冰、矿物等介质在负温下 收缩速度和程度的不同造成大量微裂隙、介质空隙 的出现,这些次生缺陷在高应变率下对岩石的劣化 作用会被凸显,造成岩石动态抗压强度的降低,这有 别于静态和准静态试验所获得的结果. 通过图 5 可 以看出,本系列试验中饱水红砂岩在 - 30 ~ - 40 益 区段内,动态抗压强度由 122 降至 86 MPa,降低了约 41郾 68% ,岩石动态性能被极大的劣化. 在 - 5 ~ - 30 益区段内岩石动态抗压强度变化趋势与静态 准静态试验保持一致,均随温度的降低而增大,如红 图 5 不同冻结温度下饱水红砂岩动态抗压强度变化曲线 Fig. 5 Curve of dynamic compressive strength of saturated red sand鄄 stone at different freezing temperatures 砂岩在 - 10、 - 15、 - 20 和 - 30 益 的动态抗压强度 较 - 5 益 分 别 提 升 14郾 87% 、 16郾 87% 、 22郾 84% 、 23郾 97% ,这说明此区段的负温尚不足以使不同介质 之间生成大量次生缺陷,反倒是岩石遇冷收缩,介质 之间接触嵌合的更紧密,岩石整体承载能力增强. 红砂岩破坏应变的变化趋势反映出随着温度的 降低(25 ~ - 10 益 ),岩石的脆性在逐渐增强,容易 直接由弹性变形转变为脆性破坏,因此破坏时应变 数值是逐渐走低的,但随着温度的进一步降低,岩石 中开始出现负温造成的次生缺陷,这些缺陷在冲击 ·1252·
杨阳等：高应变率下红砂岩“冻伤效应” ·1253· 260 。W数据平均值 240 。W数据平均值 16 一W拟合曲线 20 W拟合曲线 0me.圣馆 15 14 13/ 名 125040-30-20-100102030 -40-30-20-100102030 温度.T℃ 温度，T℃ 图6不同冻结温度下饱水红砂岩破坏应变变化曲线 图7不同冻结温度下透射能和耗散能变化曲线 Fig.6 Failure strain change curve of saturated red sandstone at dif. Fig.7 Transmission and dissipation energy curves at different freez- ferent freezing temperatures ing temperatures 荷载作用下会进一步发育和扩展，导致岩石破坏应 岩石内部微结构在较低负温下出现的异变，比如本 变数值有所增加，因此整个破坏应变的变形曲线有 文中提到的岩石“冻伤” 了峰值和波谷，且峰值出现在两个端点处 耗散能W除了可以反映岩石的破碎程度外，在 通过红砂岩在负温下的变形破坏特征、动态力 相同的冲击荷载下其大小变化还可以反映岩石在高 学特性分析可知，-5℃岩石遇冷收缩内部大量微 应变率下的性能变化情况.25~-5℃，耗散能急剧 裂隙闭合，内部缺陷及微裂隙数量减少，动态力学强 降低，说明岩石在经历水冰相变后，整体动态力学性 度有所增加，在冲击作用下往往只形成数条贯穿岩 能有大幅提升，抗冲击能力增强，破碎后的块体也以 石的破裂面：当温度降低(-5~-30℃)，岩石整体 大块为主：-5~-20℃，耗散能开始逐渐增加，这 继续收缩，矿物颗粒及固态冰之间嵌合的更为紧密， 说明岩石脆性增强，抵抗变形能力降低，破坏面增 岩石动态力学强度得到大幅度提高，此时负温相当 多，其破坏过程需要消耗更多能量：-20~-40℃， 于给岩石施加了预压应力，使岩石能够抵抗张拉应 “冻伤”效应在高应变率下开始体现，岩石动态力学 力的同时提高了整体承载能力，其破裂面也逐渐呈 性能开始劣化，承载能力和抵抗变形能力双双降低， 现剪切破坏的特点；-30℃后更低的温度导致岩石 耗散能继续增大，岩石破碎体以小体积锥形结构和 出现“冻伤”，内部出现大量微裂隙、介质空隙等次 层裂结构为主.相应变化规律如图7所示，对负温 生缺陷，这些次生缺陷使岩石性能劣化，在高应变率 下耗散能与温度变化规律进行拟合得式(2) 下迅速丧失承载能力，动态力学强度降低，宏观层面 W=-0.03331Tr-3.07669T+98.27723 这些微裂隙会汇集成大量剪切裂纹，使岩石呈现剪 (R2=0.94991) (2) 切破坏解体，形成大量锥形体破裂碎块 图8为冲击作用下比能量吸收值SEA随温度 2.3能量传递与耗散特性 变化情况，其数值大小可展现岩石整体裂隙生成情 在高应变率下负温红砂岩动态冲击试验的基础 况和扩展情况，其数值越小裂隙越难生成和扩展，数 上，基于SHPB系统能量分析1]获得每个试件在 值大则相反 SHPB系统中的入射能W,、反射能W.和透射能WT, 将图8中比能量吸收值在温度范围内的变化进 并利用式(1)求得相应的耗散能W· 行数学公式的拟合得到式(3)： WL=WI-(WR +WT) (1) 0.89,T=25℃ 通过SHPB动态冲击试验获得的数据和式(1) SEA= -2.10864e-4r-0.01903T+0.58987 绘制图7和图8曲线. (R2=0.96812),-5℃≤T≤-40℃ 图7为透射能W和耗散能W数值随温度变化 (3) 曲线，在入射能近乎相同和固定的情况下，透射能 2.4负温对冲击作用下损伤变量的影响 W,和反射能W。变化规律刚好相反，反射的能量多 通过耗散能密度w:和总吸收能密度山的比值 透射的能量就少，反射的能量少透射的能量就多，反 来定义损伤变量d,公式如下： 射能W。和透射能W就是一体的两面，均可以反映 岩石整体的波阻抗变化，同时可以据此推断和佐证 (4)
杨 阳等: 高应变率下红砂岩“冻伤效应冶 图 6 不同冻结温度下饱水红砂岩破坏应变变化曲线 Fig. 6 Failure strain change curve of saturated red sandstone at dif鄄 ferent freezing temperatures 荷载作用下会进一步发育和扩展,导致岩石破坏应 变数值有所增加,因此整个破坏应变的变形曲线有 了峰值和波谷,且峰值出现在两个端点处. 通过红砂岩在负温下的变形破坏特征、动态力 学特性分析可知, - 5 益 岩石遇冷收缩内部大量微 裂隙闭合,内部缺陷及微裂隙数量减少,动态力学强 度有所增加,在冲击作用下往往只形成数条贯穿岩 石的破裂面;当温度降低( - 5 ~ - 30 益 ),岩石整体 继续收缩,矿物颗粒及固态冰之间嵌合的更为紧密, 岩石动态力学强度得到大幅度提高,此时负温相当 于给岩石施加了预压应力,使岩石能够抵抗张拉应 力的同时提高了整体承载能力,其破裂面也逐渐呈 现剪切破坏的特点; - 30 益 后更低的温度导致岩石 出现“冻伤冶,内部出现大量微裂隙、介质空隙等次 生缺陷,这些次生缺陷使岩石性能劣化,在高应变率 下迅速丧失承载能力,动态力学强度降低,宏观层面 这些微裂隙会汇集成大量剪切裂纹,使岩石呈现剪 切破坏解体,形成大量锥形体破裂碎块. 2郾 3 能量传递与耗散特性 在高应变率下负温红砂岩动态冲击试验的基础 上,基于 SHPB 系统能量分析[18] 获得每个试件在 SHPB 系统中的入射能 WI、反射能 WR和透射能 WT , 并利用式(1)求得相应的耗散能 WL . WL = WI - (WR + WT ) (1) 通过 SHPB 动态冲击试验获得的数据和式(1) 绘制图 7 和图 8 曲线. 图 7 为透射能 WT和耗散能 WL数值随温度变化 曲线,在入射能近乎相同和固定的情况下,透射能 WT和反射能 WR变化规律刚好相反,反射的能量多 透射的能量就少,反射的能量少透射的能量就多,反 射能 WR和透射能 WT就是一体的两面,均可以反映 岩石整体的波阻抗变化,同时可以据此推断和佐证 图 7 不同冻结温度下透射能和耗散能变化曲线 Fig. 7 Transmission and dissipation energy curves at different freez鄄 ing temperatures 岩石内部微结构在较低负温下出现的异变,比如本 文中提到的岩石“冻伤冶. 耗散能 WL除了可以反映岩石的破碎程度外,在 相同的冲击荷载下其大小变化还可以反映岩石在高 应变率下的性能变化情况. 25 ~ - 5 益 ,耗散能急剧 降低,说明岩石在经历水冰相变后,整体动态力学性 能有大幅提升,抗冲击能力增强,破碎后的块体也以 大块为主; - 5 ~ - 20 益 ,耗散能开始逐渐增加,这 说明岩石脆性增强,抵抗变形能力降低,破坏面增 多,其破坏过程需要消耗更多能量; - 20 ~ - 40 益 , “冻伤冶效应在高应变率下开始体现,岩石动态力学 性能开始劣化,承载能力和抵抗变形能力双双降低, 耗散能继续增大,岩石破碎体以小体积锥形结构和 层裂结构为主. 相应变化规律如图 7 所示,对负温 下耗散能与温度变化规律进行拟合得式(2). WL = - 0郾 03331T 2 - 3郾 07669T + 98郾 27723 (R 2 = 0郾 94991) (2) 图 8 为冲击作用下比能量吸收值 SEA 随温度 变化情况,其数值大小可展现岩石整体裂隙生成情 况和扩展情况,其数值越小裂隙越难生成和扩展,数 值大则相反. 将图 8 中比能量吸收值在温度范围内的变化进 行数学公式的拟合得到式(3): SEA = 0郾 89,T = 25 益 - 2郾 10864e - 4 T 2 - 0郾 01903T + 0郾 58987 (R 2 = 0郾 96812), - 5 益臆T臆 ì î í ïï ïï - 40 益 (3) 2郾 4 负温对冲击作用下损伤变量的影响 通过耗散能密度 wd和总吸收能密度 u 的比值 来定义损伤变量 d,公式如下: d = wd u (4) ·1253·