聞 名， 許金余,2， 王 鵬， 劉 石， 方新宇， 劉少赫

(1. 空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系，西安 710038； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072)

水分與凍融環(huán)境下巖石動態(tài)拉伸試驗(yàn)及細(xì)觀分析

聞 名1， 許金余1,2， 王 鵬1， 劉 石1， 方新宇1， 劉少赫1

(1. 空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系，西安 710038； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072)

利用直徑為100 mm的分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置與電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行不同含水率及凍融環(huán)境下砂巖試件的動靜態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)，而后對試件破壞斷口進(jìn)行電鏡掃描觀察(SEM)，立足于細(xì)觀尺度分析斷口形貌特征，并對斷口裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化處理。試驗(yàn)結(jié)果表明：飽水、凍融循環(huán)處理均會削弱巖樣的靜動態(tài)拉伸強(qiáng)度，其中動態(tài)拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)；基于動態(tài)拉伸強(qiáng)度定義軟化系數(shù)與抗凍系數(shù)，該軟化系數(shù)隨應(yīng)變率的增長近似指數(shù)下降，而抗凍系數(shù)隨應(yīng)變率的增長近似指數(shù)上升；紅砂巖破壞斷口細(xì)觀形貌特征主要有3類，分別對應(yīng)不同的宏觀力學(xué)性質(zhì)。以裂隙網(wǎng)絡(luò)的面積作為損傷變量，探究動態(tài)劈拉破壞中的水-應(yīng)變率效應(yīng)、凍融-應(yīng)變率效應(yīng)對巖石內(nèi)部損傷擴(kuò)展的影響，并基于此分析了不同狀態(tài)下紅砂巖的動態(tài)劈裂破壞機(jī)理，對寒區(qū)巖體工程的建設(shè)、后期維護(hù)具有一定指導(dǎo)意義。

巖石力學(xué)；水巖相互作用；凍融；拉伸特性；細(xì)觀結(jié)構(gòu)；損傷量化

巖石的風(fēng)化即在多種因素作用下，巖體出現(xiàn)破碎、疏松及礦物成分次生變化的現(xiàn)象，而水分及凍融循環(huán)是引起巖石風(fēng)化的主要原因。如在寒區(qū)，夏季的高溫多雨、冬季的低溫嚴(yán)寒，會使巖體工程承受水分及凍融循環(huán)作用的雙重影響[1]。與此同時，巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在受載時常發(fā)生拉伸破壞。因此，探索巖石材料在不同含水率及凍融環(huán)境下的拉伸力學(xué)性能與破壞機(jī)理對巖體工程的建設(shè)、后期維護(hù)具有重大意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者以此為背景進(jìn)行了大量研究。在凍融條件下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及損傷機(jī)理方面，張慧梅等[2]開展了砂巖、頁巖在各種狀態(tài)下的巴西圓盤試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了巖性、水分及凍融循環(huán)作用對巖石抗拉力學(xué)特性的影響；Nicholson等[3]對10種沉積巖進(jìn)行凍融循環(huán)破壞試驗(yàn)，通過分析原生裂隙對巖石凍融破壞的影響，提出了4種凍融破壞模式；李杰林等[4]就凍融循環(huán)作用下巖石中孔隙的發(fā)育和擴(kuò)展特性，研究了同一塊巖樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，為巖石凍融損傷機(jī)制研究提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在不同含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響方面，尤明慶等[5]對4種巖石的完整圓盤及不同內(nèi)徑圓環(huán)進(jìn)行干燥和飽水狀態(tài)下的巴西劈裂試驗(yàn)，分析了飽水造成巖石拉伸強(qiáng)度降低的主要原因及巴西劈裂強(qiáng)度隨圓環(huán)內(nèi)徑變化的規(guī)律；朱珍德等[6]對大理巖斷裂斷口進(jìn)行微觀電鏡掃描，通過微觀數(shù)字圖像試驗(yàn)，研究得出高水壓高圍壓作用下巖石破裂產(chǎn)生的微觀損傷力學(xué)機(jī)理。

先前的研究重點(diǎn)多在巖石試件的靜態(tài)性能[7]，而絕大多數(shù)巖體工程在其施工維護(hù)使用周期內(nèi)，均會承受諸如開挖擾動、工程爆破、地震等動力荷載的沖擊作用[8]。此外，微觀結(jié)構(gòu)作為一個重要的分析層面對揭示巖石破壞的微觀機(jī)理具有重要作用，而當(dāng)前有關(guān)巖石劈裂拉伸破壞的微觀研究多為定性觀測，定量研究較少。

本文對處于不同含水率及凍融環(huán)境下的砂巖試件進(jìn)行靜動態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)，研究得出不同狀態(tài)下紅砂巖試件的靜動態(tài)劈裂抗拉性能，基于動態(tài)拉伸強(qiáng)度定義軟化系數(shù)與抗凍系數(shù)，以分析巖樣耐水性、抗凍性隨應(yīng)變率的變化規(guī)律。立足于細(xì)觀尺度，借助SEM掃描電鏡研究得出紅砂巖劈裂拉伸斷面的3種典型形貌，并對斷口裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化處理，以裂隙面積作為損傷變量，探究動態(tài)劈拉破壞中的水-應(yīng)變率效應(yīng)、凍融-應(yīng)變率效應(yīng)對巖石內(nèi)部損傷擴(kuò)展的影響，并基于此分析了不同狀態(tài)下紅砂巖的動態(tài)劈裂破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖樣

試驗(yàn)用紅砂巖取自云貴地區(qū)橫斷山脈某地下國防工程，呈紅褐色。經(jīng)國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)測中心檢測鑒定，其主要成分見表1。

表1 砂巖的礦物組成Tab.1 Components of sandstone

SHPB動態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)采用直徑為96 mm，高度為30 mm，中心角為20°的平臺巴西圓盤試件[9]，靜態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用Φ50 mm×25 mm的圓柱體試件。為減少巖石非均質(zhì)特性對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，選用密度偏差在5%內(nèi)的試件進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)將巖樣分為干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)、飽水狀態(tài)、凍融狀態(tài)4組，每組有12個用于動態(tài)試驗(yàn)的平臺巴西圓盤試件，3個用于靜態(tài)試驗(yàn)的圓柱試件。

1.2 試驗(yàn)原理與設(shè)備

為使試驗(yàn)簡單易行并避免出現(xiàn)不合理的破壞模式，Wang等[10]在圓盤加上兩個互相平行的加載面，試樣變成平臺巴西圓盤，并按照A.A.Griffith的強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行分析，得到中心角為20°的平臺巴西圓盤試樣的拉伸強(qiáng)度計(jì)算式

(1)

試驗(yàn)采用直徑為100 mm的分離式SHPB裝置，該裝置主要由主體設(shè)備、能源系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三大部分組成。為解決彌散效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果造成的不利影響，采用厚度為1 mm的T2紫銅作為波形整形器，將原來陡峭上升的脈沖方形波修正成上升過程較為平緩的波形，增加了入射波上升時間，減少了入射波的高頻振蕩，保證了試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。

1.3 飽水及凍融試驗(yàn)方案

(1) 將巖樣置于干燥箱內(nèi)，恒溫干燥24 h，冷卻至室溫，稱量質(zhì)量；再次干燥24 h，冷卻至室溫，稱量質(zhì)量，當(dāng)兩次稱量只差低于第二次稱量的0.1%時，結(jié)束干燥，得到干燥試件。而后使用沸煮法對飽水組與凍融組巖石試件進(jìn)行飽和。制備流程符合《DLT-5368—2007水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》要求。

(2) 采用快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)，將飽水后的巖樣放入全自動凍融試驗(yàn)箱中，設(shè)置溫度為-20°，凍結(jié)4 h后，在+20°的水中融解4 h，如此反復(fù)10個周期。

(3) 采用SHPB裝置與電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對各組試件進(jìn)行靜動態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)。

(4) 借助掃描電鏡進(jìn)行紅砂巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)SEM試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜拉強(qiáng)度與物理參數(shù)變化

表2為試驗(yàn)用巖樣在各狀態(tài)下的物理參數(shù)與靜態(tài)抗拉強(qiáng)度。不難看出，巖樣的干燥強(qiáng)化作用顯著，飽水及凍融循環(huán)均會造成強(qiáng)度損失，其中凍融循環(huán)造成的靜拉強(qiáng)度衰減最為劇烈。

表2 砂巖試樣靜態(tài)劈拉破壞強(qiáng)度與物理性質(zhì)Tab.2 Physical and mechanical parameters of sandstone

巖樣的密度隨含水率的增加而增加，而在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，密度有所下降。這主要是因?yàn)閹r樣表面局部顆粒剝落，造成質(zhì)量損失，且當(dāng)孔隙脆性介質(zhì)凍結(jié)時，其孔隙內(nèi)的水結(jié)成冰，產(chǎn)成約9%的體積膨脹，進(jìn)而使巖樣體積變大，密度減小。

巖樣的開型孔隙率在凍融前后增加2.52%，總孔隙率增加2.04%。由此說明，凍融循環(huán)作用使巖樣內(nèi)部顆粒間的孔隙變大，裂紋萌生擴(kuò)展，大量閉合孔隙相互連通，開型孔隙所占比例大幅提高，巖樣內(nèi)部更加疏松。

超聲波作為一種載體，在經(jīng)過材料時，會攜帶大量信息[11]。它可以反應(yīng)巖樣內(nèi)部性質(zhì)變化與損傷擴(kuò)展，對于同種巖石材料，內(nèi)部致密程度越高，其縱波傳播波速越快。相對于自然狀態(tài)巖樣，干燥巖樣縱波波速與之相差甚微，飽水巖樣波速增加12.1%，凍融循環(huán)10次后，巖樣波速降低16.1%。這主要是因?yàn)椴ㄔ谒械膫鞑ニ俣冗h(yuǎn)大于空氣，飽水巖樣中的孔隙被水分充滿，從而提高了波速；凍融循環(huán)作用增加了巖石內(nèi)部疏松度，破壞了顆粒間的連接，同時巖樣部分水分散失，內(nèi)部存有少量氣體，使波速受到損失。

2.2 動態(tài)拉伸應(yīng)力時程曲線

圖1為SHPB試驗(yàn)中各組巖樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力時程曲線。從圖1可以看出，不同狀態(tài)下巖樣的動態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的提高而增加，且達(dá)到峰值應(yīng)力的時間減??；其中干燥巖樣動態(tài)拉伸應(yīng)力最大，達(dá)到峰值應(yīng)力耗時最長，飽水巖樣次之，凍融循環(huán)作用后巖樣的動態(tài)拉伸應(yīng)力損失最大，達(dá)到峰值應(yīng)力與最終破壞的耗時最少。

這主要是因?yàn)?，紅砂巖試件具有水敏性，水分與砂巖內(nèi)部的親水礦物顆粒、膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，降低了顆粒間的黏結(jié)力與摩擦力，從而造成拉伸應(yīng)力損失。凍融循環(huán)作用下，當(dāng)孔隙脆性介質(zhì)凍結(jié)時，孔隙內(nèi)水冰相變將使試件膨脹，產(chǎn)生張應(yīng)力，礦物顆粒收縮不一產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成微孔隙損傷，當(dāng)孔隙冰融解時，張拉應(yīng)力釋放，水分在試件內(nèi)部遷移，進(jìn)而加劇了這種損傷。同時，微裂紋的萌生擴(kuò)展，增加了水-巖作用面，使巖樣的拉伸應(yīng)力相對于飽水巖樣進(jìn)一步衰減。

圖2為砂巖試件動態(tài)拉伸試驗(yàn)中的典型破壞形態(tài)。由圖2可以看出，巖樣的拉伸破壞形態(tài)較為相似，貫穿的主裂紋具有極強(qiáng)的方向性，連接兩加載平面，將受拉破壞的砂巖試件分成兩部分，滿足巴西圓盤劈裂拉伸試驗(yàn)的有效性。

2.3 動態(tài)拉伸軟化系數(shù)與凍融系數(shù)

圖3是不同狀態(tài)下紅砂巖動態(tài)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系曲線。將峰值應(yīng)力與應(yīng)變率進(jìn)行擬合，得到線性關(guān)系表達(dá)式為

(a)干燥巖樣

(b)飽水巖樣

(c)凍融巖樣圖1 應(yīng)力時程曲線Fig.1 Stress-time curve of sandstone

(a)干燥巖樣

(b)飽水巖樣

(c)凍融巖樣圖2 巖樣動拉試驗(yàn)中典型破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of sandstone in dynamic split tension test

σD=-3.71+0.64ε(R2=0.943，干燥狀態(tài))

(2)

σS=-0.16+0.24ε(R2=0.952，飽水狀態(tài))

(3)

σF=-2.28+0.28ε(R2=0.946，凍融狀態(tài))

(4)

式中：σD為干燥狀態(tài)下動態(tài)劈裂強(qiáng)度；σS為飽水狀態(tài)下動態(tài)劈裂強(qiáng)度；σF為凍融狀態(tài)下動態(tài)劈裂強(qiáng)度；為應(yīng)變率。

圖3 動態(tài)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.3 Variation of dynamic split tensionstrength with strain rate

軟化系數(shù)與抗凍系數(shù)是表征巖石材料耐水性能、抗凍性能的重要參數(shù)，由單軸抗壓強(qiáng)度定義，然而其卻不能準(zhǔn)確反映巖石材料在承受動態(tài)拉伸荷載時的性能，并且?guī)r石作為一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，常常發(fā)生拉伸破壞。

為進(jìn)一步探究紅砂巖水-應(yīng)變率效應(yīng)，準(zhǔn)確分析含水率對巖石性能的影響，基于動態(tài)拉伸強(qiáng)度定義軟化系數(shù)，以表征巖石在吸水前后，承受動態(tài)荷載時抗拉強(qiáng)度的變化，表達(dá)式為

(5)

取應(yīng)變率范圍10 s-1～30 s-1，步長0.2 s-1，共100個數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式(5)，得到軟化系數(shù)散點(diǎn)圖，并進(jìn)行擬合，如圖4所示。由圖4可以看出，動態(tài)拉伸軟化系數(shù)隨應(yīng)變率的增長呈指數(shù)關(guān)系下降，取值范圍在0～1。軟化系數(shù)值越大，表明材料在產(chǎn)生一定應(yīng)變率的情況下的耐水性越好。擬合關(guān)系式為

Kt=0.45+2.50 e-0.2x(R2=0.996)

(6)

為準(zhǔn)確反映巖石在凍融循環(huán)作用下抵抗動態(tài)拉伸荷載的能力，基于動態(tài)拉伸強(qiáng)度定義抗凍系數(shù)，以表征巖石在凍融前后，承受動態(tài)荷載時抗拉強(qiáng)度的變化，表達(dá)式為

(7)

同理，取應(yīng)變率范圍10 s-1-30 s-1，步長0.2 s-1，共100個數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式(7)，得到軟化系數(shù)散點(diǎn)圖，并進(jìn)行擬合，如圖5所示。由圖5可以看出，動態(tài)拉伸抗凍系數(shù)與軟化系數(shù)不同，隨應(yīng)變率的增長呈指數(shù)關(guān)系上升，取值范圍在0～1?？箖鱿禂?shù)值越大，表明材料在產(chǎn)生一定應(yīng)變率的情況下，抵抗凍融破壞的能力越強(qiáng)。擬合關(guān)系式為

Pt= 0.95-2.28e-0.12x(R2=0.999)

(8)

圖4 動態(tài)軟化系數(shù)隨應(yīng)變率的變化Fig.4 Variation of dynamic softening coefficient with strain rate

圖5 動態(tài)抗凍系數(shù)隨應(yīng)變率的變化Fig.5 Variation of dynamic coefficientof frost resistivity with strain rate

3 細(xì)觀分析

3.1 巖樣破壞斷口細(xì)觀形貌

巖石在不同環(huán)境因素下表現(xiàn)出的眾多力學(xué)性質(zhì)與工程特性，與其內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的形貌密切相關(guān)。為深入分析紅砂巖在不同狀態(tài)下的拉伸破壞機(jī)理，對紅砂巖試件斷口進(jìn)行SEM電鏡掃描試驗(yàn)。

圖6為巖樣靜態(tài)破壞斷口的掃描電鏡照片?？梢钥闯觯t砂巖試件斷口形貌特征發(fā)生了顯著變化，干燥與自然狀態(tài)下，膠結(jié)物質(zhì)緊緊圍繞在顆粒周圍，整齊致密，裂隙為閉合狀態(tài)；飽水狀態(tài)下，顆粒排列松散，有脫離膠結(jié)物質(zhì)的趨勢，裂隙擴(kuò)展，相互連通；凍融作用后，損傷進(jìn)一步加劇，部分礦物顆粒脫出膠結(jié)物質(zhì)的連接，相互錯動，裂隙大幅擴(kuò)展，且多為連通孔隙。

紅砂巖的細(xì)觀破壞形態(tài)主要分為3類。第一類為穿顆粒斷裂，即斷口的礦物顆粒遭到破壞，多在干燥狀態(tài)下出現(xiàn)，此時巖樣整體性好，裂隙閉合度高，宏觀狀態(tài)下的物理力學(xué)性質(zhì)良好；第二類為穿顆粒與沿顆粒的耦合斷裂，即破壞同時發(fā)生在顆粒及其周圍，多在飽水狀態(tài)下出現(xiàn)，此時巖樣受溶蝕作用與水解作用影響，水軟現(xiàn)象明顯，宏觀物理力學(xué)性質(zhì)有一定損失；第三類為沿顆粒斷裂，多在凍融狀態(tài)下出現(xiàn)，巖樣經(jīng)歷反復(fù)的凍脹融縮后，細(xì)觀結(jié)構(gòu)疏松多孔，局部損傷連成裂縫，力學(xué)性能嚴(yán)重衰減，外觀形貌也出現(xiàn)顯著變化。

圖6 巖樣斷口細(xì)觀形貌Fig.6 Micro-structure of sandstone fracture

3.2 斷口細(xì)觀形貌量化分析

定量分析巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，研究其與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，可為進(jìn)一步了解巖石的破壞機(jī)理提供依據(jù)。Image-Pro Plus(IPP)是功能強(qiáng)大的圖像采集、處理、增強(qiáng)和分析軟件，具有異常豐富的測量和定制功能，而其在巖石材料細(xì)觀分析領(lǐng)域還鮮有運(yùn)用。本次試驗(yàn)借助IPP軟件，對SEM圖片進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)整圖片像素值，去除偽影等雜質(zhì)點(diǎn)，得到細(xì)觀結(jié)構(gòu)的裂隙網(wǎng)絡(luò)，圖7為典型的裂隙網(wǎng)絡(luò)圖。而后對試件破壞斷口的裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化處理，得到孔隙裂紋的相關(guān)數(shù)量信息見表3。

圖7 巖樣斷口裂隙網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Fracture network of sandstone

大量研究結(jié)果表明，超聲波波速變化可作為巖石內(nèi)部損傷情況的評定指標(biāo)，然而其卻不能用于分析巖石受荷后的損傷變化。為研究巖石在水-應(yīng)變率、凍融-應(yīng)變率耦合作用下的內(nèi)部損傷情況，依據(jù)拉波諾夫的方法，采用斷口裂隙面積來定義損傷變量D[12]。

表3 不同應(yīng)變率下的裂隙面積均值Tab.3 Relationship of the mean of microcracksarea and strain rate

(9)

設(shè)干燥狀態(tài)下紅砂巖為處理前巖樣，裂隙網(wǎng)絡(luò)面積Ab=558 μm2，又經(jīng)計(jì)算取A0=326 496 μm2。對于飽水狀態(tài)巖樣，靜態(tài)破壞時裂隙面積Al=1 037 μm2，由式(6)可得DS=14.7×10-4；同理，計(jì)算得到凍融損傷Df=14.8×10-4。由表3不難發(fā)現(xiàn)，與靜載相比，隨著應(yīng)變率的增加，裂隙面積均值呈上升趨勢，巖樣內(nèi)損傷擴(kuò)展。為此引入應(yīng)變率放大系數(shù)Kb，表征應(yīng)變率對損傷造成的影響。

D′=Kb×D

(10)

(11)

式中：D′為考慮應(yīng)變率放大效應(yīng)后的損傷；Ad為不同應(yīng)變率下裂隙面積均值；As為相應(yīng)狀態(tài)靜載下的裂隙面積均值。經(jīng)計(jì)算得到損傷隨應(yīng)變率的變化曲線如圖8。

巖石的損傷變量反映了巖石的損傷程度。由裂隙網(wǎng)絡(luò)圖與損傷隨應(yīng)變率的變化分析可知，巖石在凍融循環(huán)作用后，其不同應(yīng)變率下的損傷均較大，說明相對于飽水狀態(tài)，凍融作用后的巖石在承受動荷載時，拉伸破壞更為嚴(yán)重；砂巖試件在低應(yīng)變率下破壞時的內(nèi)部損傷相對較小，隨著應(yīng)變率的升高，凍融條件下破壞時的內(nèi)部損傷近似指數(shù)增長，飽水條件下破壞時內(nèi)部損傷近似線性增長。

圖8 損傷隨應(yīng)變率的變化曲線Fig.8 Variation of damage with strain rate

巖樣破壞時內(nèi)部損傷表現(xiàn)出顯著應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。這主要是因?yàn)榱严兜拿壬U(kuò)展需要消耗能量，當(dāng)應(yīng)變率較低時，只有消耗能量小的裂隙可以萌生并最終形成貫穿主裂紋，而其它裂紋在材料達(dá)到臨界變形時沒有足夠的能量供其生長，此時起作用的裂隙數(shù)目少，試件內(nèi)部損傷值低，表現(xiàn)為臨界應(yīng)力值低，即拉伸強(qiáng)度低；隨著應(yīng)變率的升高，試件內(nèi)部能量的積累達(dá)到更高水平，促使越來越多的裂隙萌生，參加到材料破壞的過程中，因而斷口裂隙數(shù)量多且尺度大，試件內(nèi)部損傷值高，表現(xiàn)為臨界應(yīng)力值升高，即高應(yīng)變率下的高拉伸強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

(1)與干燥巖樣相比，飽水巖樣波速增加12.1%，凍融循環(huán)10次后，波速降低16.1%；凍融作用前后巖樣的開型孔隙率增長大于總孔隙率增長，說明大量閉合孔隙相互連通，砂巖內(nèi)部更加疏松。

(2)巖樣的靜動態(tài)拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出干燥強(qiáng)化效應(yīng)及飽水、凍融循環(huán)處理后的弱化效應(yīng)，凍融循環(huán)后強(qiáng)度衰減更為劇烈；不同狀態(tài)下砂巖的動態(tài)拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著地應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；基于動態(tài)拉伸強(qiáng)度定義軟化系數(shù)與抗凍系數(shù)，該軟化系數(shù)隨應(yīng)變率的增長近似指數(shù)下降，抗凍系數(shù)隨應(yīng)變率的增長近似指數(shù)上升。

(3) 紅砂巖動態(tài)拉伸破壞細(xì)觀形貌主要有3種類型。第一類為穿顆粒斷裂，多發(fā)生于干燥及自然巖樣，對應(yīng)的宏觀強(qiáng)度值高；第二類為穿顆粒與沿顆粒的耦合斷裂，多發(fā)生于飽水巖樣，強(qiáng)度次之；第三類為沿顆粒斷裂，多發(fā)生于凍融循環(huán)作用后的巖樣，強(qiáng)度值相對較低。

(4) 量化處理破壞斷口的細(xì)觀裂隙網(wǎng)絡(luò)，采用微裂隙面積定義損傷變量，結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率的升高，飽水狀態(tài)巖樣損傷近似線性增長，凍融作用后損傷近似指數(shù)增長；巖樣經(jīng)歷凍融循環(huán)后，動態(tài)拉伸破壞最為嚴(yán)重。

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Splittensiletestsandmesostructureanalysesonred-sandstoneundermoistureandfreeze-thawconditions

WEN Ming1， XU Jinyu1,2， WANG Peng1， LIU Shi1， FANG Xinyu1， LIU Shaohe1

(1. Department of Airfield and Building Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；2. College of Mechanics and Civil Architecture，Northwest Polytechnic University，Xi’an 710072，China)

By using a hydraulic and servo-controlled pressure testing machine and a split Hopkinson pressure bar (SHPB) with a diameter of 100 mm, splitting tensile tests of sandstone with different moisture contents and cycles of freeze-thaw were carried out to study the static and dynamic mechanical properties of sandstone. Then the mesostructure of fracture was analysed base on microscale by pictures obtained through the scanning electron microscope (SEM), tensile failure rules of red sandstone was acquired by the quantitatively processing of fracture network. The results indicate that, the tensile strength of red sandstone decreases with moisture contents and cycles of freeze-thaw, and the dynamic tensile strength exhibits obvious strain rate hardening effect. The softening coefficient and the coefficient of frost resistance of red sandstone are defined with the dynamic tensile strength, the softening coefficient decreases with strain rate, while the coefficient of frost resistance increases strain rate. There are three main fracture microstructure characteristics, corresponding to different macromechanical properties. In the area of the fracture network as damage variable, the rock internal damage extension was analyzed by exploring water-strain rate effect and freeze-thaw-strain rate effect in the dynamic splitting tensile damage. And then the dynamic fracturing mechanism of red sandstone under different conditions was analyzed.

rock mechanics；water-rock interaction；freeze-thaw；splitting tensile characteristics；mesostructure；damage quantification

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378497)

2016-06-29 修改稿收到日期： 2016-08-05

聞名 男，碩士生，1993年生

許金余 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

TU45

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.002