基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应

工程科学学报，第39卷，第12期：1783-1790,2017年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.12:1783-1790,December 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.002:http://journals..ustb.edu.cn 基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应 褚夫蛟2)四，刘敦文》，陶明)，彭怀德) 1)山东理工大学资源与环境工程学院，淄博2550492)中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 区通信作者，E-mail:zchu@sina.com 摘要为研究不同含水状态岩石力学性质的变化规律，并保证仅受含水量这一单一因素的影响，以砂岩作为试验材料，制 备饱和系数分别为2.82%、52.11%、100%的干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石试样，进行静载以及8种不同冲击 能量作用下的动力学性质的研究.通过试验可知：在静载作用下，相比干燥岩石，半饱和、饱和岩石试样的应力一应变曲线随 含水量增加出现了峰值明显降低的现象，抗压强度分别降低了8.12%、19.26%.动载作用下，随应变率的增加，3种岩石强度 均呈现不同程度的线性变化，应力一应变曲线出现右移及峰值增加的现象，且干燥岩石与含水岩石在卸载阶段有明显不同的 两种趋势，特别是在卸载第二阶段.而在相同冲击能量作用下，岩石的含水量越大，其破碎程度越大 关键词砂岩：含水状态：动态响应：试样制备：应力一应变曲线：峰值应力：破坏形态 分类号TU45 Dynamic response of sandstones with different water contents based on SHPB CHU Fujiao,LIU Dun-cen2),TAO Ming?,PENG Huai-de2 1)School of Resources and Environment Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China 2)School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:zxchufj@sina.com ABSTRACT To study the changing law of rock mechanics under different water conditions and to ensure that the water content was the sole factor,sandstone was used as the experimental material.Three different kinds of rock samples were prepared with different moisture states whose average saturation coefficients were 2.82%,52.11%,100%,i.e.,dry,semi-saturated,and saturated.The mechanical properties of the rocks were dynamically tested under the action of static load and eight kinds of impact energy.The experi- mental results reveal that under static load,compared with dry rock,the stress-strain curves of half-saturated and saturated rock sam- ples show decreasing peaks with increasing water content,and their compressive strengths decrease by 8.12%and 19.26%,respec- tively.Under dynamic loading,with increases in strain rate,the strengths of the three samples show a linear change in different de- grees,the stress-strain curves shift to the right,and the peak values increase.The dry and water-bearing rocks exhibit two obviously different trends in the unloading stage,especially in the second stage of unloading.Also,under the same impact energy,as the water content of the rock increases,the degree of fragmentation also increases. KEY WORDS sandstones;water content state:dynamic response:sample preparation:stress-strain curve:peak stress:failure pattern 近年来，岩土工程如雨后春笋般浮现，涉及土木、 手段，由于爆破工程具有经济、高效、快捷的特点，可以 水利、核电、国防、矿产、文保、地下热等与国民生活息 带来巨大的经济效益和社会效益而被广泛应用.地下 息相关的工程.目前，爆破是岩土工程开挖的主要 工程开挖所采用的钻爆法对围岩造成的破坏、损伤和 收稿日期：20170104 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404303)：山东省重点研发计划资助项目(2017CXGC1604)

工程科学学报，第 39 卷，第 12 期: 1783--1790，2017 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 12: 1783--1790，December 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 12． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 SHPB 的不同含水状态砂岩动态响应 褚夫蛟1，2) ，刘敦文2) ，陶 明2) ，彭怀德2) 1) 山东理工大学资源与环境工程学院，淄博 255049 2) 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: zzchufj@ sina． com 摘 要 为研究不同含水状态岩石力学性质的变化规律，并保证仅受含水量这一单一因素的影响，以砂岩作为试验材料，制 备饱和系数分别为 2. 82% 、52. 11% 、100% 的干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石试样，进行静载以及 8 种不同冲击 能量作用下的动力学性质的研究． 通过试验可知: 在静载作用下，相比干燥岩石，半饱和、饱和岩石试样的应力--应变曲线随 含水量增加出现了峰值明显降低的现象，抗压强度分别降低了 8. 12% 、19. 26% ． 动载作用下，随应变率的增加，3 种岩石强度 均呈现不同程度的线性变化，应力--应变曲线出现右移及峰值增加的现象，且干燥岩石与含水岩石在卸载阶段有明显不同的 两种趋势，特别是在卸载第二阶段． 而在相同冲击能量作用下，岩石的含水量越大，其破碎程度越大． 关键词 砂岩; 含水状态; 动态响应; 试样制备; 应力--应变曲线; 峰值应力; 破坏形态 分类号 TU45 Dynamic response of sandstones with different water contents based on SHPB CHU Fu-jiao1，2)  ，LIU Dun-wen2) ，TAO Ming2) ，PENG Huai-de2) 1) School of Ｒesources and Environment Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China 2) School of Ｒesources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: zzchufj@ sina． com ABSTＲACT To study the changing law of rock mechanics under different water conditions and to ensure that the water content was the sole factor，sandstone was used as the experimental material． Three different kinds of rock samples were prepared with different moisture states whose average saturation coefficients were 2. 82% ，52. 11% ，100% ，i． e． ，dry，semi-saturated，and saturated． The mechanical properties of the rocks were dynamically tested under the action of static load and eight kinds of impact energy． The experi￾mental results reveal that under static load，compared with dry rock，the stress--strain curves of half-saturated and saturated rock sam￾ples show decreasing peaks with increasing water content，and their compressive strengths decrease by 8. 12% and 19. 26% ，respec￾tively． Under dynamic loading，with increases in strain rate，the strengths of the three samples show a linear change in different de￾grees，the stress--strain curves shift to the right，and the peak values increase． The dry and water-bearing rocks exhibit two obviously different trends in the unloading stage，especially in the second stage of unloading． Also，under the same impact energy，as the water content of the rock increases，the degree of fragmentation also increases． KEY WOＲDS sandstones; water content state; dynamic response; sample preparation; stress--strain curve; peak stress; failure pattern 收稿日期: 2017--01--04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51404303) ; 山东省重点研发计划资助项目( 2017CXGC1604) 近年来，岩土工程如雨后春笋般浮现，涉及土木、 水利、核电、国防、矿产、文保、地下热等与国民生活息 息相关的工程［1］． 目前，爆破是岩土工程开挖的主要 手段，由于爆破工程具有经济、高效、快捷的特点，可以 带来巨大的经济效益和社会效益而被广泛应用． 地下 工程开挖所采用的钻爆法对围岩造成的破坏、损伤和

·1784· 工程科学学报，第39卷，第12期 扰动是不可忽视的，而地下工程所经历的地质概况复 森压杆试验干燥和水饱和花岗岩的动态拉断强度，表 杂，难免受到水的影响.水改变了岩石的黏弹性质，对 明水饱和花岗岩比干燥时更难拉断.王斌等a对风 于不同含水岩体的岩石力学性质是不同的.因此在不 干和饱水状态下砂岩实施单轴冲击压缩试验，发现 同含水情况岩体进行施工，对围岩所造成的影响亦不 砂岩饱水状态动态强度与风干状态时相近.通过以 同.因此有必要对岩石在不同含水条件下的动态应力 上对有关含水岩石动力学的研究成果进行总结，发 响应进行研究.了解并掌握不同含水状态岩石的动态 现以往学者在进行岩石试样处理的时候，没有排除 响应规律对岩土工程开挖的益处是不可小觑的. 除水以外因素的影响，比如热、岩石试样所处试验环 室内试验是直观了解岩石动态响应规律的一种常 境等 规手段.Logan等以砂岩为研究对象，发现其摩擦因数 为研究不同含水条件下岩石的动力响应规律，减 在水环境下会降低回.Burshtein以石英砂屑岩、砂 小甚至避免因多种影响因素同时导致的岩石力学响应 岩为研究对象，发现它们的抗压性能很大程度受含水 不稳定的现象，除进行饱水处理外，对所有砂岩试样同 率的影响.Lajtai等以花岗岩为实验材料，发现水分 时进行相同的干燥试验.对干燥后岩石试样部分进行 的作用会使其强度特性降低.Dyke与Dobereiner可以 水处理，制备干燥、半饱和以及完全饱和的岩石试样， 石英砂屑岩为实验对象，对不同含水情况的岩石强度 对岩石试样进行动态荷载辅以静态荷载试验.采用 进行了测试总结.Hawkins与McConnell因以砂岩为研 SHPB装置分别从岩石峰值应力、应力一应变变化规律 究对象，分析其干燥和含水情况下的强度差别.汪亦 以及岩石试样的破坏形态对不同含水状态的岩石试样 显等切研究了在不同浸水时间下软岩的强度、刚度及 进行动态响应规律研究. 亚临界裂纹扩展规律，研究结果发现，当浸水时间增加 时，软岩的强度和刚度的损伤劣化越来越严重，亚临界 1 SHPB动态抗压试验原理 裂纹的扩展速率越来越快.周翠英等习对软岩进行 SHPB装置的压缩试验如图1所示-9.试验时 了水作用研究，实验结果表明浸水作用时间与岩石的 需将试样夹持在入射杆和透着杆之间.采用冲头冲击 抗剪、单轴抗压和抗拉强度性能的衰减变化是呈指数 分布的.朱珍德等对泥板岩进行了单轴抗压试验， 入射杆的方式施加动荷载，并在入射杆产生一应力脉 研究结果表明泥板岩的含水率会对其抗压强度产生影 冲σ()，应力脉冲在一维应力传播的条件下向前传 响.以上学者均从静力学方面对含水岩石进行研究， 播，波速C。=EpT（式中：E为压杆的弹性模量， 从动力学角度研究含水量对岩石力学性质的影响的学 MPap为压杆密度，kgm3),当应力波达到岩石试样 者较少.近期研究含水岩石动力学特性的主要有：袁 位置后，会分别在入射杆和透射杆中产生反射应力脉 璞等1采用分离式霍普金森压杆装置（以下简称 冲σm(t)和透射应力脉冲o,(t).应力波的传播通过 SHPB)研究了不同含水状态下干煤矿砂岩动态力学性 粘贴在入射杆和透射杆上的应变片G,、G,测得，G,可 能，并从应力一应变、能量等角度研究了砂岩含水率对 测得入射应变信号e,(t)和反射应变信号e.(t）,G,可 力学性质的影响.Rubin等n与楼沩涛的利用霍布金 测得透射应变信号s1(t). 气炮 发射腔冲头 人射杆应变片C, 岩石试样 应变片G2 透射杆 吸收杆 图1SHPB压缩试验示意图 Fig.1 Schematic diagram of compression test 由于一维应力弹性应力波具有在细长杆件中传 AE 0=c,0, (1) 播不会发生畸变的特性，在如图1所示的SHPB试验 系统中，界面X,处的入射应变波￡，()和反射应变波 e(0=-22,ea(dd山 (2) e.(t)以及X2处的透射应变波e,()可以分别由通过 粘贴在入射杆的应变片G,以及透射杆上的应变片 (3) G,测得的信号代替.由此可以通过公式(1~3)计算 0-2.0. 得到岩石试样的动态应力σ()，应变ε(t)和应变率 式中：A为入射杆的横截面积，m2:A,为岩石试样的横 e(t). 截面积，m2:l,为岩石试件的长度，m

工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 扰动是不可忽视的，而地下工程所经历的地质概况复 杂，难免受到水的影响． 水改变了岩石的黏弹性质，对 于不同含水岩体的岩石力学性质是不同的． 因此在不 同含水情况岩体进行施工，对围岩所造成的影响亦不 同． 因此有必要对岩石在不同含水条件下的动态应力 响应进行研究． 了解并掌握不同含水状态岩石的动态 响应规律对岩土工程开挖的益处是不可小觑的． 室内试验是直观了解岩石动态响应规律的一种常 规手段． Logan 等以砂岩为研究对象，发现其摩擦因数 在水环境下会降低［2］． Burshtein［3］ 以石英砂屑岩、砂 岩为研究对象，发现它们的抗压性能很大程度受含水 率的影响． Lajtai 等［4］以花岗岩为实验材料，发现水分 的作用会使其强度特性降低． Dyke 与 Dobereiner ［5］以 石英砂屑岩为实验对象，对不同含水情况的岩石强度 进行了测试总结． Hawkins 与 McConnell ［6］以砂岩为研 究对象，分析其干燥和含水情况下的强度差别． 汪亦 显等［7］研究了在不同浸水时间下软岩的强度、刚度及 亚临界裂纹扩展规律，研究结果发现，当浸水时间增加 时，软岩的强度和刚度的损伤劣化越来越严重，亚临界 裂纹的扩展速率越来越快． 周翠英等［8--9］对软岩进行 了水作用研究，实验结果表明浸水作用时间与岩石的 抗剪、单轴抗压和抗拉强度性能的衰减变化是呈指数 分布的． 朱珍德等［10］对泥板岩进行了单轴抗压试验， 研究结果表明泥板岩的含水率会对其抗压强度产生影 响． 以上学者均从静力学方面对含水岩石进行研究， 从动力学角度研究含水量对岩石力学性质的影响的学 者较少． 近期研究含水岩石动力学特性的主要有: 袁 璞等［11--13］采用分离式霍普金森压杆装置( 以下简称 SHPB) 研究了不同含水状态下干煤矿砂岩动态力学性 能，并从应力--应变、能量等角度研究了砂岩含水率对 力学性质的影响． Ｒubin 等［14］与楼沩涛［15］利用霍布金 森压杆试验干燥和水饱和花岗岩的动态拉断强度，表 明水饱和花岗岩比干燥时更难拉断． 王斌等［16］对风 干和饱水状态下砂岩实施单轴冲击压缩试验，发现 砂岩饱水状态动态强度与风干状态时相近． 通过以 上对有关含水岩石动力学的研究成果进行总结，发 现以往学者在进行岩石试样处理的时候，没有排除 除水以外因素的影响，比如热、岩石试样所处试验环 境等． 为研究不同含水条件下岩石的动力响应规律，减 小甚至避免因多种影响因素同时导致的岩石力学响应 不稳定的现象，除进行饱水处理外，对所有砂岩试样同 时进行相同的干燥试验． 对干燥后岩石试样部分进行 水处理，制备干燥、半饱和以及完全饱和的岩石试样， 对岩石试样进行动态荷载辅以静态荷载试验． 采用 SHPB 装置分别从岩石峰值应力、应力--应变变化规律 以及岩石试样的破坏形态对不同含水状态的岩石试样 进行动态响应规律研究． 1 SHPB 动态抗压试验原理 SHPB 装置的压缩试验如图 1 所示［17--19］． 试验时 需将试样夹持在入射杆和透着杆之间． 采用冲头冲击 入射杆的方式施加动荷载，并在入射杆产生一应力脉 冲 σI ( t) ，应力脉冲在一维应力传播的条件下向前传 播，波速 C0 = 槡Eρ － 1 ( 式中: E 为压杆的弹性模量， MPa; ρ 为压杆密度，kg·m － 3 ) ，当应力波达到岩石试样 位置后，会分别在入射杆和透射杆中产生反射应力脉 冲 σＲ ( t) 和透射应力脉冲 σT ( t) ． 应力波的传播通过 粘贴在入射杆和透射杆上的应变片 G1、G2测得，G1可 测得入射应变信号 εI ( t) 和反射应变信号 εＲ ( t) ，G2可 测得透射应变信号 εT ( t) ． 图 1 SHPB 压缩试验示意图 Fig． 1 Schematic diagram of compression test 由于一维应力弹性应力波具有在细长杆件中传 播不会发生畸变的特性，在如图 1 所示的 SHPB 试验 系统中，界面 X1处的入射应变波 εI ( t) 和反射应变波 εＲ ( t) 以及 X2处的透射应变波 εT ( t) 可以分别由通过 粘贴在入射杆的 应 变 片 G1 以及 透 射 杆 上 的 应 变 片 G2测得的信号代替． 由此可以通过公式( 1 ～ 3) 计算 得到岩石试样的动态应力 σ( t) ，应变 ε( t) 和应变率 ε ·( t) ． σ( t) = AE As εT ( t) ， ( 1) ε( t) = － 2 C0 ls ∫ t 0 εＲ ( t) dt， ( 2) ε ·( t) = － 2 C0 ls εＲ ( t) ． ( 3) 式中: A 为入射杆的横截面积，m2 ; As为岩石试样的横 截面积，m2 ; ls为岩石试件的长度，m． · 4871 ·

褚夫蛟等：基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应 ·1785· 度中间值所对应的岩石试样的应力一应变曲线，如图3 2试样制备及静载试验 所示。 试验所用砂岩试样取自山东临沂莒南县的采石 120 60 场，岩石为棕红色，中、细粒砂状结构，质地均匀.试样 100 40 端面平整度及端面与轴线的垂直度均满足规范要求， 试样表面用肉眼观察无节理、裂隙和缺陷 80 0 2.1岩石干燥试验 60 干燥岩石本构 为取得良好的试验结果，仅考虑含水量这一单一 ·半饱和岩石本构 40 -·一饱和岩石本构 因素，减小或消除其他因素的影响，将所有试样放入烘 干燥岩石弹性 模量 箱，在108℃的温度下烘烤24h-0后，待岩石试样冷 -80 却后取出称重，得到所有岩石试样的干重 2.2岩石饱水试验 0.0010.0020.0030.0040.0050.0000 应变 采用真空抽气饱和试件的方法对岩石试样进行饱 图3不同饱和系数岩石试样单轴抗压强度的应力一应变曲线 水试验.饱水时饱和容器内的水面高于试件上表面， Fig.3 Stress-strain curves of rock samples with different saturation 真空压力表盘度数接近一个大气压值(0.1MP),对饱 coefficients 水试样抽气时间为6h,待抽气结束后，将饱水岩石试 样放置水中30d进行养护，养护过程中保证水面高于 从图3可以看出，随着岩石试样饱和系数的增加， 岩石上表面至少2cm.对于半饱和岩石试样制备，同 曲线峰值有明显降低的现象，主要是由于岩石含水后 样将试样进行真空饱水，饱水时间为1h,待抽气结束 被水软化，其抵抗破坏的能力降低.以干燥岩石试样 后，采用保鲜膜对试样进行包裹，如图2所示，将包裹 的应力一应变曲线为例，为研究其损伤破坏规律，计算 好的试样放置在密封盒内30d进行养护. 出曲线各点的斜率，即岩石弹性模量，根据应力一应变 全程曲线可将其变形破坏分为5个阶段，O一A段曲线 为岩石内部微裂隙、孔隙逐渐闭合阶段，在此阶段内， 岩石逐渐被压密，岩石的弹性模量呈逐渐增加趋势. 到达A点后，岩石的弹性模量增加到极大值，在到达B 点之前，岩石处于弹性压缩阶段，应力一应变曲线呈直 线状态，此阶段内，岩石弹性模量基本保持不变，维持 在40GPa左右.B一C段主要为岩石的塑性变形阶段， 试样内部微裂隙开始扩展，甚至出现新的破裂.但由 于试验所选用的岩石较坚硬、质地密实，因此此阶段岩 石弹性模量变化不大，有略微减小的趋势，塑性变形较 图2试样包裹养护 小.进入C-D段后，岩石内部微破裂的发展出现了质 Fig.2 Maintenance of sample package 的变化，由于破裂的出现，岩石内部容易出现应力集中 的现象，随着荷载的不断增加，裂隙也在不断发展，在 试验前对所有岩石试样进行称重，通过下式计算 某些薄弱的部位出现了破坏现象.此时岩石在受压的 试样的含水状态 情况下开始扩容，岩石弹性模量也在逐渐减小，到达D m。-m。 0= ×100%, (4) 点时，岩石的承载力达到最大.此后随着压缩的继续 m。 进行岩石内部结构会完全破坏，岩石承载力下降，但由 K-” (5) 于压缩仍在继续，岩石的应变会迅速增大，在此阶段， 04 岩石裂隙会继续发展直至成为宏观断裂面，继而伴随 式中：m.为含水岩石试样质量，m,为干燥岩石质量， 着断裂面出现块体滑移造成岩石芯样破坏，但岩石应 kg;仙为岩石含水率，①为岩石饱和状态下的含水率； 力不会降到零，说明岩石在破坏后仍具有一定的承 K为岩石饱和系数，用来表征岩石饱和状态 载力. 2.3岩石静载试验 通过以上试验，得到本次试验不同含水状态岩石 静载试验所用砂岩试样尺寸为50mm×100mm, 试样的主要物理力学参数的平均值，见表1. 采用SHT4206微机控制电液伺服试验机对岩石试样 从表中可以看出，含水岩石试样的抗压强度明显 进行加载，加载速度为50N·s.整理每组试验抗压强 低于干燥岩石.相比干燥岩石试样，半饱和、饱和岩石

褚夫蛟等: 基于 SHPB 的不同含水状态砂岩动态响应 2 试样制备及静载试验 试验所用砂岩试样取自山东临沂莒南县的采石 场，岩石为棕红色，中、细粒砂状结构，质地均匀． 试样 端面平整度及端面与轴线的垂直度均满足规范要求， 试样表面用肉眼观察无节理、裂隙和缺陷． 2. 1 岩石干燥试验 为取得良好的试验结果，仅考虑含水量这一单一 因素，减小或消除其他因素的影响，将所有试样放入烘 箱，在 108 ℃的温度下烘烤 24 h［20--21］后，待岩石试样冷 却后取出称重，得到所有岩石试样的干重． 2. 2 岩石饱水试验 采用真空抽气饱和试件的方法对岩石试样进行饱 水试验． 饱水时饱和容器内的水面高于试件上表面， 真空压力表盘度数接近一个大气压值( 0. 1 MPa) ，对饱 水试样抽气时间为 6 h，待抽气结束后，将饱水岩石试 样放置水中 30 d 进行养护，养护过程中保证水面高于 岩石上表面至少 2 cm． 对于半饱和岩石试样制备，同 样将试样进行真空饱水，饱水时间为 1 h，待抽气结束 后，采用保鲜膜对试样进行包裹，如图 2 所示，将包裹 好的试样放置在密封盒内 30 d 进行养护． 图 2 试样包裹养护 Fig． 2 Maintenance of sample package 试验前对所有岩石试样进行称重，通过下式计算 试样的含水状态． ω = mw － ms ms × 100% ， ( 4) Kω = ω ωsa ． ( 5) 式中: mw 为含水岩石试样质量，ms 为干燥岩石质量， kg; ω 为岩石含水率，ωsa为岩石饱和状态下的含水率; Kω为岩石饱和系数，用来表征岩石饱和状态． 2. 3 岩石静载试验 静载试验所用砂岩试样尺寸为 50 mm × 100 mm， 采用 SHT4206 微机控制电液伺服试验机对岩石试样 进行加载，加载速度为50 N·s － 1 ． 整理每组试验抗压强 度中间值所对应的岩石试样的应力--应变曲线，如图 3 所示． 图 3 不同饱和系数岩石试样单轴抗压强度的应力--应变曲线 Fig． 3 Stress--strain curves of rock samples with different saturation coefficients 从图 3 可以看出，随着岩石试样饱和系数的增加， 曲线峰值有明显降低的现象，主要是由于岩石含水后 被水软化，其抵抗破坏的能力降低． 以干燥岩石试样 的应力--应变曲线为例，为研究其损伤破坏规律，计算 出曲线各点的斜率，即岩石弹性模量，根据应力--应变 全程曲线可将其变形破坏分为 5 个阶段，O--A 段曲线 为岩石内部微裂隙、孔隙逐渐闭合阶段，在此阶段内， 岩石逐渐被压密，岩石的弹性模量呈逐渐增加趋势． 到达 A 点后，岩石的弹性模量增加到极大值，在到达 B 点之前，岩石处于弹性压缩阶段，应力--应变曲线呈直 线状态，此阶段内，岩石弹性模量基本保持不变，维持 在 40 GPa 左右． B--C 段主要为岩石的塑性变形阶段， 试样内部微裂隙开始扩展，甚至出现新的破裂． 但由 于试验所选用的岩石较坚硬、质地密实，因此此阶段岩 石弹性模量变化不大，有略微减小的趋势，塑性变形较 小． 进入 C--D 段后，岩石内部微破裂的发展出现了质 的变化，由于破裂的出现，岩石内部容易出现应力集中 的现象，随着荷载的不断增加，裂隙也在不断发展，在 某些薄弱的部位出现了破坏现象． 此时岩石在受压的 情况下开始扩容，岩石弹性模量也在逐渐减小，到达 D 点时，岩石的承载力达到最大． 此后随着压缩的继续 进行岩石内部结构会完全破坏，岩石承载力下降，但由 于压缩仍在继续，岩石的应变会迅速增大，在此阶段， 岩石裂隙会继续发展直至成为宏观断裂面，继而伴随 着断裂面出现块体滑移造成岩石芯样破坏，但岩石应 力不会降到零，说明岩石在破坏后仍具有一定的承 载力． 通过以上试验，得到本次试验不同含水状态岩石 试样的主要物理力学参数的平均值，见表 1． 从表中可以看出，含水岩石试样的抗压强度明显 低于干燥岩石． 相比干燥岩石试样，半饱和、饱和岩石 · 5871 ·

·1786· 工程科学学报，第39卷，第12期 表1岩石物理力学参数 的岩石试样，采取3次试验取中间值的方式.动载试 Table 1 Physical and mechanical parameters 验所用砂岩试样尺寸为b50mm×50mm,试样编号规 岩石密度/ 静态抗压强度， 岩石类型 则为： u/% K1% (103kg*m3) e/MPa 干燥 0.58 2.82 2.42 96.16 1-8代表不同的冲击能量等级 数值越高表示冲击能量越大 半饱和 10.78 52.11 2.45 88.35 g干燥 饱和 20.69 100.00 2.48 77.64 -bb:半饱和 b饱和 试样的抗压强度分别低了8.12%、19.26%，而饱和岩 3.1岩石强度分析 石试样又比半饱和岩石试样的抗压强度低了 整理所有岩石试样的动态峰值应力，以及岩石动 12.12%.由此可见，岩石的含水量越大，其抗压强度 态峰值应力与静态强度的比值记为动态强度增长因 降低越明显 子，即 3SHPB试验及结果分析 (6) 试验所用SHPB系统杆件直径50mm,入射杆长 式中：K为动态强度增长因子：σ。为岩石峰值应力，若 2.00m,透射杆长1.50m,材质为40Cr合金钢，其密度 岩石破坏则为动态抗压强度，MPa. 为7795kgm3,弹性波速为5410m·s.冲头为可以 从表2中可以看出，随着炮膛气压的增加，岩石各 消除PC振荡的“纺锤型”，能实现稳定的半正弦波加 项参数均有不同程度的增加：不同的是，在同一气压的 载，具有与杆件相同的材质，冲头最大直径为50mm. 冲击作用下，随着含水量的增加，岩石应变率在增加 采用SHPB装置对岩石试样进行动态加载，为得 岩石峰值应力逐渐降低.拟合表2中岩石峰值应力、 到不同加载能量情况下岩石的力学特性，采用调节炮 动态强度增长因子与平均应变率的关系如图4、图5 膛气缸气压的方式改变冲击入射能.试验以8种不同 所示.从图中可以看出，随着岩石含水量的增加，不同 入射能对各饱和系数的岩石试样分别进行冲击.得到 关系式曲线的斜率在逐渐减小，曲线截距增大.由此 岩石在损伤和破坏两种状态下的动态力学响应规律. 说明水对岩石进行了软化，减弱了岩石抵抗变形的能 为减小曲线的波动，每种入射能对应的不同饱和系数 力，降低了岩石的强度 表2岩石动态试验结果 Table 2 Dynamic test results 冲击炮膛气压， 干燥 半饱和 饱和 模式 P/MPa 编号 8/s-1 /MPa Ke 编号/s1g.IPa K。 编号E/s10eMPa Ke 0.35 8】 12.65 101L.03 1.05 bh-120.45 96.94 1.10 b-1 25.30 89.67 1.15 损伤 0.40 g-2 18.28 126.581.32bb-232.14 111.361.26b-2 36.40 114.55 1.48 冲击 0.45 83 21.67 152.85 1.59 bb-3 36.57 142.72 1.62 b-3 38.95 126.49 1.63 0.50 g-4 23.17 168.131.75bb436.76 143.261.62 b-4 45.63 130.85 1.69 0.55 85 27.86172.11 1.79bh-5 44.08 155.771.76 b558.86 137.881.78 破坏 0.60 g-6 29.93 194.822.03 bb-6 47.90 158.49 1.79 b-6 59.83 139.91 1.80 冲击 0.65 87 35.57 208.39 2.17 bb-751.58 163.79 1.85 b-7 62.28 141.66 1.82 0.70 g-8 37.68 212.85 2.21 bb-8 52.07 166.77 1.89 b-8 65.51143.40 1.85 3.2应力一应变曲线分析 从图9中可以看出，两种曲线均有应力上升和应 整理所有岩石试样的应力一应变曲线，如图6~8 力下降两个阶段四，定义应力上升阶段为加载阶段，即 所示.从图中可以看出，损伤冲击和破坏冲击所得到 OC段，而应力下降阶段为卸载阶段，即CE段，对于破 的应力一应变曲线形状一致，并且随着冲击荷载的增 坏冲击的岩石，此阶段亦为破坏后阶段.不同冲击荷 加，岩石应力一应变曲线有右移的趋势，而干燥岩石试 载岩石应力-应变曲线的OA段几乎一致，冲击荷载越 样的应力一应变曲线变化规律和含水岩体的有所不 大，BC段越长. 同.单独提取两种典型的应力一应变曲线，如图9 图9(a)所示曲线中，OA段为压密段，AB段弹性 所示. 阶段.进入BC段后，是岩石的塑性变形阶段.CD段

工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 表 1 岩石物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters 岩石类型 ω/% Kω /% 岩石密度/ ( 103 kg·m3 ) 静态抗压强度， σc /MPa 干燥 0. 58 2. 82 2. 42 96. 16 半饱和 10. 78 52. 11 2. 45 88. 35 饱和 20. 69 100. 00 2. 48 77. 64 试样的抗压强度分别低了 8. 12% 、19. 26% ，而饱和岩 石试 样 又 比 半 饱 和 岩 石 试 样 的 抗 压 强 度 低 了 12. 12% ． 由此可见，岩石的含水量越大，其抗压强度 降低越明显． 3 SHPB 试验及结果分析 试验所用 SHPB 系统杆件直径 50 mm，入射杆长 2. 00 m，透射杆长 1. 50 m，材质为 40Cr 合金钢，其密度 为 7795 kg·m － 3，弹性波速为 5410 m·s － 1 ． 冲头为可以 消除 P--C 振荡的“纺锤型”，能实现稳定的半正弦波加 载，具有与杆件相同的材质，冲头最大直径为 50 mm． 采用 SHPB 装置对岩石试样进行动态加载，为得 到不同加载能量情况下岩石的力学特性，采用调节炮 膛气缸气压的方式改变冲击入射能． 试验以 8 种不同 入射能对各饱和系数的岩石试样分别进行冲击． 得到 岩石在损伤和破坏两种状态下的动态力学响应规律． 为减小曲线的波动，每种入射能对应的不同饱和系数 的岩石试样，采取 3 次试验取中间值的方式． 动载试 验所用砂岩试样尺寸为 50 mm × 50 mm，试样编号规 则为: 3. 1 岩石强度分析 整理所有岩石试样的动态峰值应力，以及岩石动 态峰值应力与静态强度的比值记为动态强度增长因 子，即 Kc = σcs σc ． ( 6) 式中: Kc为动态强度增长因子; σcs为岩石峰值应力，若 岩石破坏则为动态抗压强度，MPa． 从表 2 中可以看出，随着炮膛气压的增加，岩石各 项参数均有不同程度的增加; 不同的是，在同一气压的 冲击作用下，随着含水量的增加，岩石应变率在增加， 岩石峰值应力逐渐降低． 拟合表 2 中岩石峰值应力、 动态强度增长因子与平均应变率的关系如图 4、图 5 所示． 从图中可以看出，随着岩石含水量的增加，不同 关系式曲线的斜率在逐渐减小，曲线截距增大． 由此 说明水对岩石进行了软化，减弱了岩石抵抗变形的能 力，降低了岩石的强度． 表 2 岩石动态试验结果 Table 2 Dynamic test results 冲击 模式 炮膛气压， P /MPa 干燥 半饱和 饱和 编号 ε · / s － 1 σcs /MPa Kc 编号 ε · / s － 1 σcs /MPa Kc 编号 ε · / s － 1 σcs /MPa Kc 0. 35 g--1 12. 65 101. 03 1. 05 bb--1 20. 45 96. 94 1. 10 b--1 25. 30 89. 67 1. 15 损伤 0. 40 g--2 18. 28 126. 58 1. 32 bb--2 32. 14 111. 36 1. 26 b--2 36. 40 114. 55 1. 48 冲击 0. 45 g--3 21. 67 152. 85 1. 59 bb--3 36. 57 142. 72 1. 62 b--3 38. 95 126. 49 1. 63 0. 50 g--4 23. 17 168. 13 1. 75 bb--4 36. 76 143. 26 1. 62 b--4 45. 63 130. 85 1. 69 0. 55 g--5 27. 86 172. 11 1. 79 bb--5 44. 08 155. 77 1. 76 b--5 58. 86 137. 88 1. 78 破坏 0. 60 g--6 29. 93 194. 82 2. 03 bb--6 47. 90 158. 49 1. 79 b--6 59. 83 139. 91 1. 80 冲击 0. 65 g--7 35. 57 208. 39 2. 17 bb--7 51. 58 163. 79 1. 85 b--7 62. 28 141. 66 1. 82 0. 70 g--8 37. 68 212. 85 2. 21 bb--8 52. 07 166. 77 1. 89 b--8 65. 51 143. 40 1. 85 3. 2 应力--应变曲线分析 整理所有岩石试样的应力--应变曲线，如图 6 ～ 8 所示． 从图中可以看出，损伤冲击和破坏冲击所得到 的应力--应变曲线形状一致，并且随着冲击荷载的增 加，岩石应力--应变曲线有右移的趋势，而干燥岩石试 样的应力--应变曲线变化规律和含水岩体的有所不 同． 单独提取两种典型的应力--应 变 曲 线，如 图 9 所示． 从图 9 中可以看出，两种曲线均有应力上升和应 力下降两个阶段［1］，定义应力上升阶段为加载阶段，即 OC 段，而应力下降阶段为卸载阶段，即 CE 段，对于破 坏冲击的岩石，此阶段亦为破坏后阶段． 不同冲击荷 载岩石应力--应变曲线的 OA 段几乎一致，冲击荷载越 大，BC 段越长． 图 9( a) 所示曲线中，OA 段为压密段，AB 段弹性 阶段． 进 入BC段 后，是 岩 石 的 塑 性 变 形 阶 段． CD段 · 6871 ·

褚夫蛟等：基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应 ·1787· 250 24 0.-450e+50.73 2.2 K-0.047+0.53 200 0=2.25+52.13 20 K=0.025+0.59 150 4a=117+70.77 K=0.015E+0.91 ■干燥 4半饱和 1.4 ■干燥 ◆饱和 1.2 4半饱和 袍和 10 203040506070 1. 0 20 304050 6070 平均应变率。 平均应变率s 图4峰值应力与平均应变率的关系 图5动态强度增长因子与平均应变率的关系 Fig.4 Relationship between peak stress and average strain rate Fig.5 Relationship between dynamic strength growth factor and av- strain rate 180 250 a)） ( 160 140 200 1 1 一gl 120 一·-85 1 4g-2 一g-6 150 -g-7 -=g4 —··g-8 100 1 0 0.002 0.004 0.006 0.005 0.010 应变 应变 图6干燥岩石试样应力一应变曲线.(a)损伤冲击：(b)破坏冲击 Fig.6 Stress-strain curves of dry samples:(a)damage shock (b) destructive shock 160r 180T间 140 160 120 140 120 100 一bb-I -·一bb5 4。bb-2 80 —bhb-6 --=--bb-3 ===bh-4 80 二地 60 40 20 0.005 0.010 0.005 0.010 应变 应变 图7半饱和岩石试样应力-应变曲线.(a)损伤冲击：(b)破坏冲击 Fig.7 Stress-strain curves of half-saturated samples:(a)damage shock (b)destructive shock 处于第一卸载阶段，而岩石的应变没有减小，此阶段岩 部损伤在扩大.对于破坏冲击情况下干燥岩石的应 石已经发生了不可逆的塑性变形.但从图9可以看 力一应变曲线在C点已经发生破坏，CE段应力下降， 出，各曲线CD段斜率有所不同，斜率的绝对值较大的 此阶段岩石在应力作用下仍有部分应变产生 岩石试样，此时应变较小，说明本身损伤较轻，有较强 图9(b)所示曲线中，加载阶段OC段同图9(a)曲 的抵抗变形的能力，而斜率绝对值较大的试样，说明内 线类似，不同的是弹性阶段AB段较短，由于水的软化 部损伤较大.DE段为第二卸载阶段，此阶段岩石应力 作用减小了岩石的弹性变形，导致岩石塑性阶段较长 持续下降，直至降为0，岩石的应变持续增加，说明内 CD段为第一卸载阶段，D点为岩石应变的峰值点，在

褚夫蛟等: 基于 SHPB 的不同含水状态砂岩动态响应 图 4 峰值应力与平均应变率的关系 Fig． 4 Ｒelationship between peak stress and average strain rate 图 5 动态强度增长因子与平均应变率的关系 Fig． 5 Ｒelationship between dynamic strength growth factor and av￾erage strain rate 图 6 干燥岩石试样应力--应变曲线． ( a) 损伤冲击; ( b) 破坏冲击 Fig． 6 Stress--strain curves of dry samples: ( a) damage shock ( b) destructive shock 图 7 半饱和岩石试样应力--应变曲线． ( a) 损伤冲击; ( b) 破坏冲击 Fig． 7 Stress--strain curves of half-saturated samples: ( a) damage shock ( b) destructive shock 处于第一卸载阶段，而岩石的应变没有减小，此阶段岩 石已经发生了不可逆的塑性变形． 但从图 9 可以看 出，各曲线 CD 段斜率有所不同，斜率的绝对值较大的 岩石试样，此时应变较小，说明本身损伤较轻，有较强 的抵抗变形的能力，而斜率绝对值较大的试样，说明内 部损伤较大． DE 段为第二卸载阶段，此阶段岩石应力 持续下降，直至降为 0，岩石的应变持续增加，说明内 部损伤在扩大． 对于破坏冲击情况下干燥岩石的应 力--应变曲线在 C 点已经发生破坏，CE 段应力下降， 此阶段岩石在应力作用下仍有部分应变产生． 图 9( b) 所示曲线中，加载阶段 OC 段同图 9( a) 曲 线类似，不同的是弹性阶段 AB 段较短，由于水的软化 作用减小了岩石的弹性变形，导致岩石塑性阶段较长． CD 段为第一卸载阶段，D 点为岩石应变的峰值点，在 · 7871 ·