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低溫下不同飽和度凍結(jié)砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)行為試驗(yàn)研究

2023-10-21 03:16:32許軍策沙子恒
煤炭科學(xué)技術(shù) 2023年9期
關(guān)鍵詞:飽和度裂隙砂巖

許軍策 ,浦 海,2 ,沙子恒

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116;2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

影響高寒地區(qū)工程巖體力學(xué)行為的因素很多,如荷載、溫度、含水量等,其中含水量是一個(gè)關(guān)鍵因素。受地表徑流和地下水滲流的影響,工程巖體中的含水量并非均勻分布,致使其飽和度存在明顯的差異[1]。低溫條件下(<0 ℃),孔隙水相變?yōu)楸w積膨脹(9%),進(jìn)而重塑巖石內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致巖體物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異。此外,寒區(qū)工程巖體往往遭受不同形式動(dòng)態(tài)荷載的影響,如露天礦邊坡不僅受凍害的影響,且易受爆破施工等沖擊載荷的影響,誘發(fā)邊坡滑移失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害[2]。因此,開展低溫下不同飽水巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)及損傷機(jī)制的研究,對(duì)于寒區(qū)巖體工程安全具有重要意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者在凍結(jié)巖石力學(xué)方面開展了大量工作,以研究溫度、飽和度及孔隙結(jié)構(gòu)等因素對(duì)凍結(jié)巖石物理力學(xué)特性的影響:如劉波等[3]開展了4 種低溫條件下凍結(jié)砂巖的單軸壓縮試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)飽和砂巖的強(qiáng)度隨著凍結(jié)溫度的降低出現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì);楊更社等[4]研究了凍結(jié)砂巖的三軸力學(xué)特性,結(jié)果表明凍結(jié)狀態(tài)下巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。此外,KODAMA 等[5]分析了飽和度變化對(duì)凍結(jié)砂巖力學(xué)特性及破壞形態(tài)的影響;HUANG 等[6]通過對(duì)凍結(jié)砂巖進(jìn)行聲發(fā)射和應(yīng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)飽和度超過85%時(shí),砂巖凍結(jié)過程中出現(xiàn)明顯的凍脹應(yīng)變和聲發(fā)射信號(hào)。徐光苗等[7]對(duì)不同初始孔隙結(jié)構(gòu)砂巖進(jìn)行凍融試驗(yàn),揭示了孔隙率變化對(duì)巖石凍結(jié)劣化特征的影響規(guī)律;SARICI 等[8]評(píng)估了凍結(jié)過程中孔隙率對(duì)巖石力學(xué)性能的影響,并建立了兩者之間的函數(shù)關(guān)系。然而,上述研究多關(guān)注于凍巖靜態(tài)力學(xué)特性的研究,并不足以反映沖擊荷載下凍巖的力學(xué)響應(yīng)。

隨著寒區(qū)巖體工程的增加,凍融作用下巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為日益受到關(guān)注[2]。分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)系統(tǒng)是開展動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的主要設(shè)備之一?;赟HPB 試驗(yàn)系統(tǒng),XU 等[9]研究了凍融作用下砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性,并建立了基于波速變化的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度劣化模型;李杰林等[10]結(jié)合NMR 和SHPB試驗(yàn)系統(tǒng),探究了凍融作用下砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響;LIU 等[11]對(duì)凍融作用后砂巖進(jìn)行了不同沖擊荷載的SHPB 試驗(yàn),建立了試樣破碎分形維數(shù)和沖擊強(qiáng)度之間的關(guān)系。ZAKHAROV 通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)在爆破和巖石破裂帶等區(qū)域內(nèi),低溫可以起到軟化飽和巖石的作用,是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因[12]。針對(duì)此,陳彥龍等開展了低溫飽和砂巖的SHPB 試驗(yàn),分析了沖擊速度對(duì)凍結(jié)砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及破壞形態(tài)的影響[2];基于動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),YANG 等[13]探索了飽和凍結(jié)砂巖的拉伸破裂機(jī)理;WENG 等[14]通過SHPB 試驗(yàn)研究了低溫條件下干燥和飽和粉砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)含水量是影響凍結(jié)砂巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。然而,目前針對(duì)低溫下飽和度對(duì)巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究并不完善,多集中于干燥或飽和狀態(tài)。

因此,以中國新疆地區(qū)的紅砂巖為研究對(duì)象,制備了5 種不同飽和度試樣,并利用低溫SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)凍結(jié)試樣進(jìn)行4 種彈速的沖擊試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果,分析了飽和度的變化對(duì)砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度、變形及脆性的影響。此外,結(jié)合NMR 和SEM 等技術(shù),探究了不同飽和度凍結(jié)砂巖微觀結(jié)構(gòu)的演化特征。研究結(jié)果以期為寒區(qū)巖體工程的安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及試樣制備

新疆地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)域,其巖土工程多遭受凍害的影響。同時(shí),該地區(qū)是我國露天采煤基地,冬季爆破作業(yè)頻繁易誘發(fā)巖體邊坡滑移等地質(zhì)災(zāi)害。因此,采用了烏魯木齊某露天礦巖質(zhì)邊坡的砂巖塊為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)完整,顆粒均勻,呈現(xiàn)棕紅色。通過X 射線衍射(XRD)試驗(yàn)確定了巖石的基本礦物成分(圖1),該砂巖主要由石英(47.3%)、長(zhǎng)石(31.5%)和伊利石(9%)組成,并含有少量方解石和綠泥石。

圖1 紅砂巖試樣XRD 試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 XRD results of the red sandstone

根據(jù)ISRM 的標(biāo)準(zhǔn),巖塊被加工成直徑為50 mm、長(zhǎng)徑比為1 的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。加工完后,剔除表面存在缺陷的試樣,并選擇波速相近的試樣作為試驗(yàn)對(duì)象。完整試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 紅砂巖試樣基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 General physico-mechanical properties of red sandstone sample

將篩選出的試樣進(jìn)行干燥,并使用真空飽水裝置對(duì)其飽水;隨后,將飽和試樣置于50 ℃的干燥箱中自然蒸發(fā),通過質(zhì)量控制法獲得預(yù)先設(shè)定的飽和度[15]。達(dá)到指定含水量時(shí),采用凡士林涂抹試樣表面,避免水分蒸發(fā)和保持水分均勻分布。本試驗(yàn)的飽和度設(shè)為0、30%、50%、80%和100%。最后,考慮取樣地點(diǎn)冬季溫度的變化,將制備好的試樣放入凍融箱中,在-25 ℃條件下冷凍24 h[9]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

低場(chǎng)NMR 試驗(yàn)系統(tǒng)的共振頻率為12.8 MHz,主磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.3 T。在測(cè)試中,不同飽和度樣品在-25 ℃的凍融箱中凍結(jié)24 h。凍結(jié)后,將試樣融化并再次飽和,隨后進(jìn)行NMR 測(cè)試[3]。

利用低溫SHPB 系統(tǒng)開展凍結(jié)砂巖沖擊試驗(yàn),其中,子彈和桿的直徑均為50 mm,由Cr40 制成,其波速、屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為5 400 m/s,800 MPa和208 GPa。低溫系統(tǒng)主要包括控制器、液氮罐、電熱絲傳感器及保溫室等。保溫室內(nèi)層主要由硅酸鋁針刺毯組成,具有良好的保溫效果(圖2)。試驗(yàn)時(shí),當(dāng)傳感器檢測(cè)到低溫室溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),電熱絲將停止工作,此過程由電磁閥自動(dòng)控制[2]。試驗(yàn)時(shí)可通過控制器調(diào)節(jié)保溫室內(nèi)的溫度,控制溫差為±0.5 ℃。

試驗(yàn)前,在試樣兩端涂抹二硫化鉬作為潤(rùn)滑劑以減少摩擦效應(yīng)。將保溫室溫度調(diào)整為-25 ℃,放入凍結(jié)砂巖試樣,并選擇橡膠圓墊作為脈沖整形器。沖擊試驗(yàn)后,基于一維應(yīng)力波傳播理論,采用了三波法計(jì)算了試樣兩端荷載P1和P2、應(yīng)變率 ε˙與 應(yīng)變?chǔ)牛ㄊ?)。

式中:Ar為桿與試樣截面積的比值;E0、Cs和Ls分別為桿的彈性模量,波速及試樣的長(zhǎng)度; εi(t)、 εr(t)和εt(t)分別為入射、反射和透射應(yīng)變。此外,子彈沖擊速度由激光測(cè)速儀獲得。

1.3 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方案

如上所述,試驗(yàn)選取了5 種飽和度巖樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),以4 種沖擊速度(4、5、6、7 m/s)作為加載條件,每種條件下3 塊試樣。因此,開展SHPB 試驗(yàn)時(shí)共需要60 塊試樣,另選取5 塊作為備用試樣。同時(shí),對(duì)試樣進(jìn)行了編號(hào),如D-50-4 表示飽和度為50%沖擊速度為4 m/s 試樣。此外,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)時(shí)需要驗(yàn)證試樣兩端的應(yīng)力平衡[16]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 LT-NMR 試驗(yàn)結(jié)果

LT-NMR 試驗(yàn)中,磁共振信號(hào)強(qiáng)度代表被測(cè)樣品中含氫流體的量,而其隨時(shí)間變化的快慢(橫向弛豫時(shí)間T2)與流體中分子的賦存狀態(tài)有關(guān)。因此,巖石中含氫流體的弛豫時(shí)間可全面反映巖石內(nèi)部孔隙的分布規(guī)律[17]。對(duì)于巖石中含氫流體,其在射頻脈沖后的弛豫時(shí)間T2[18]為

式中: ρ為表面的弛豫強(qiáng)度,與巖石顆粒表面及膠結(jié)物的性質(zhì)有關(guān);S/V為巖石內(nèi)孔隙的比表面,與孔隙的形狀有關(guān)[19]。因此,通過試樣T2譜圖的分布特征,可以間接獲得巖石內(nèi)不同尺寸孔隙的分布規(guī)律。

圖3 給出了不同飽和度試樣凍結(jié)后T2譜圖分布曲線。凍結(jié)試樣T2譜圖曲線主要呈現(xiàn)出3 個(gè)峰值,表明該砂巖內(nèi)部主要有3 種尺寸分布的孔裂隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)YAO 等[20]壓汞和NMR 的試驗(yàn)結(jié)果,T2、孔隙直徑與孔隙水類型之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系,如T2為0.01~10 ms 時(shí),對(duì)應(yīng)孔徑約為0.1 μm,稱為微孔(小孔),可作為薄膜水與毛細(xì)水之間的物理分界線;而當(dāng)T2大于100 ms 時(shí),對(duì)應(yīng)孔徑大于1 μm,主要存在自由水,稱為主干孔(大孔)。由圖3 可知,與飽水試樣相比,干燥試樣各孔徑T2譜面積均有減少的趨勢(shì),表明低溫下,干燥試樣孔隙結(jié)構(gòu)幾乎不受低溫的影響。然而,隨著含水量的增加,第二峰所占面積比由2.19%(干燥)增加至9.32%(飽和),表明低溫下飽和度的增加對(duì)中孔擴(kuò)展發(fā)育的影響最大;而當(dāng)飽和度超過80%時(shí),第三峰面積增加了3.57%,表明砂巖試樣的大孔開始進(jìn)一步發(fā)育。因此,低溫下試樣飽和度小于80%時(shí),以中小孔發(fā)育為主,當(dāng)飽和度超過80%時(shí),砂巖試樣的大孔開始發(fā)育擴(kuò)展。換言之,低溫凍脹劣化主要發(fā)生在中-大孔內(nèi),且大孔劣化作用更為明顯,這是由于低溫下大孔隙中的水更易形成分子簇,以克服結(jié)晶的能量屏障,率先成核結(jié)冰[5]。而小孔隙內(nèi)的水難以成核,呈現(xiàn)過冷的狀態(tài)。進(jìn)而,低化學(xué)勢(shì)的過冷水易遷移至中-大孔內(nèi),致使孔內(nèi)冰晶壓力的持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)壓力超過巖石基質(zhì)抗拉強(qiáng)度時(shí),孔隙將進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展。而當(dāng)孔隙含水量較低時(shí),冰體積的生長(zhǎng)受限,孔裂隙的發(fā)育將受到抑制。因此,T2譜圖中呈現(xiàn)出了第二和第三峰值隨飽和度的增大而增加的趨勢(shì)。

圖3 凍融后不同飽和度紅砂巖樣品弛豫時(shí)間T2 譜分布Fig.3 Distribution of T2 spectrum of red sandstone samples with different saturation after freeze-thaw

2.2 SHPB 試驗(yàn)結(jié)果

通過調(diào)整氣壓和撞擊桿的位置,確定了4 種近似的沖擊荷載。如圖4a—圖4e 給出不同飽和度和沖擊荷載下動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖4f 為試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的典型形態(tài)。由圖4f 可知,低溫下凍結(jié)砂巖的應(yīng)力應(yīng)變行為表現(xiàn)出4 個(gè)階段:I 初始?jí)好茈A段;II 線彈性變形;III 塑性軟化階段;IV 峰后破壞階段,此階段試樣已從壓桿端掉落,因此不做討論。由圖4a—圖4e 可知,干燥狀態(tài)下凍結(jié)試樣動(dòng)態(tài)曲線出現(xiàn)了明顯的壓密階段,且隨著沖擊速度的增加而降低;而隨著飽和度的增加,壓密階段逐漸減少。為了描述動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的行為,采用了幾個(gè)參數(shù)用以評(píng)估飽和度和沖擊速度對(duì)凍結(jié)砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響,主要包括動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量及動(dòng)態(tài)脆性指數(shù)(BI)等,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同條件下凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)Table 2 Dynamic mechanical parameters of frozen sandstone under different conditions

2.2.1 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度演化

根據(jù)表2 中數(shù)據(jù),凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與沖擊速度和飽和度關(guān)系如圖5 所示。由圖可知,低溫條件下試樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨著沖擊速度增大而增大,表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng);然而,隨著飽和度增加呈現(xiàn)先增大后降低趨勢(shì)。當(dāng)沖擊速度為5 m/s 時(shí),與干燥試樣相比,飽和度由30%增至100%,動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分別增加24.9%,32.7%,2.86%和-7.3%,表明對(duì)于該類紅砂巖當(dāng)飽和度超過80%時(shí),凍結(jié)強(qiáng)化效應(yīng)將被抑制。低溫時(shí),由于界面能的影響,巖石內(nèi)較大孔隙中的水迅速成核并凍結(jié)。若大孔中含水量較低,即使通過未凍水遷移補(bǔ)給也很難產(chǎn)生結(jié)晶壓力。此時(shí),孔隙冰起到支撐孔壁和減少裂隙長(zhǎng)度的作用,進(jìn)而降低了裂隙尖端的應(yīng)力集中[5]。因此,當(dāng)沖擊應(yīng)力波在試樣內(nèi)傳播時(shí),孔隙尖端裂紋不易發(fā)育。同時(shí),未凍薄膜水與巖石基質(zhì)和孔隙冰之間的黏附力增強(qiáng)了孔隙的抗拉和抗剪切的力學(xué)特性。然而,當(dāng)含水量超過孔隙空間所能承受的水冰相變體積增量時(shí),不可避免地促進(jìn)微裂隙的持續(xù)發(fā)育,進(jìn)而降低試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。

圖5 凍結(jié)砂巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與沖擊速度和飽和度的關(guān)系Fig.5 Dynamic strength of samples versus impact velocity and saturation

此外,采用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增加因子(DIF)評(píng)估了凍結(jié)砂巖試樣強(qiáng)度的增長(zhǎng)率,結(jié)果如圖6 所示。DIF計(jì)算如式(3)所示,其中fv(d)為沖擊速度為v時(shí)試樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度,而f(s)為其靜態(tài)強(qiáng)度。由圖可知,凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)隨飽和度的增加先升高后降低;而隨著沖擊速度呈線性增加(式(4)),且增加速率與飽和密切相關(guān),50%飽和度時(shí)其增加率達(dá)到最大。例如,沖擊速度為6 m/s 時(shí),試樣飽和度由0 增加至50%時(shí),DIF由2.11 增長(zhǎng)至2.87;而到飽和度增加至80%,DIF下降為2.31。因此,飽和度50%~80%之間存在臨界飽和度Src。當(dāng)飽和度大于Src時(shí),砂巖中的孔隙冰對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用逐漸受到抑制,尤其是接近飽和時(shí),在結(jié)晶壓力的作用下孔裂隙發(fā)育擴(kuò)展進(jìn)一步阻礙了試樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增加。

事實(shí)上,孔隙水相變?yōu)楸鶗r(shí)體積膨脹對(duì)巖石骨架產(chǎn)生一定的凍脹力[21]。HUANG 等[6]通過實(shí)際測(cè)量,發(fā)現(xiàn)飽和度是影響其凍脹力的關(guān)鍵因素。假設(shè)試樣內(nèi)部?jī)雒浟鶆蚍植紟r石基質(zhì)內(nèi),凍脹力Pi與飽和度Sr和凍結(jié)率u間的關(guān)系可用式(5)表示[22]:

式中:β為冰的體積膨脹系數(shù);n為孔隙率;u為凍結(jié)率;Kr和Ki分別為巖石骨架體積模量與冰體積模量;H[u-x]為階躍函數(shù)。由式(5)可知,孔隙內(nèi)結(jié)晶壓力受孔隙率、飽和度、凍結(jié)率及冰和巖石骨架的體積模量等因素影響。根據(jù)文獻(xiàn)[3],β取9%,Kr和Ki分別為20.83 GPa 和5 GPa;為了顯示結(jié)果,這里階躍函數(shù)默認(rèn)為1,Sr值大于0.8。將上述參數(shù)帶入式(5)可得凍結(jié)壓力與飽和度和凍結(jié)率的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 試樣凍脹力隨飽和度Sr 和凍結(jié)率u 變化Fig.7 Frost heaving force versus saturation Sr and freezing rate u

由圖7 可知,凍脹力與孔隙飽和度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但在較低飽和度試樣內(nèi)部并不能產(chǎn)生有效凍脹應(yīng)力;而完全飽和時(shí),即使在較低凍結(jié)率下仍可以產(chǎn)生有效凍脹應(yīng)力。隨著孔隙水凍結(jié)率的增加,孔隙內(nèi)凍脹應(yīng)力的強(qiáng)度因子將逐漸大于裂紋擴(kuò)展臨界強(qiáng)度因子KIC,促使孔裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展,導(dǎo)致巖石內(nèi)部累計(jì)損傷的增加。因此,當(dāng)飽和度超過Src時(shí),試樣動(dòng)態(tài)強(qiáng)度將逐漸減小。然而,材料特性,如孔隙結(jié)構(gòu)、礦物顆粒和膠結(jié)強(qiáng)度特征等也是影響凍脹力大小和位置的關(guān)鍵因素。由于所選試樣為新疆地區(qū)砂巖,其成巖時(shí)間短、膠結(jié)能力弱、強(qiáng)度較低,對(duì)于凍脹應(yīng)力更為敏感[9]。因此,試驗(yàn)砂巖產(chǎn)生凍脹損傷的飽和度低于其理論值91%。

2.2.2 動(dòng)態(tài)彈模演化

根據(jù)圖4f,采用了彈性階段(II)的切線模量作為其動(dòng)態(tài)彈性模量。動(dòng)態(tài)彈性模量與沖擊速度和飽和度變化關(guān)系如圖8 所示。研究發(fā)現(xiàn),凍結(jié)砂巖動(dòng)彈性模量與峰值應(yīng)變的變化規(guī)律相反。5 種飽和度下,沖擊速度由4 m/s 增加至7 m/s 時(shí),砂巖動(dòng)態(tài)彈性模量分別增大了32.8%、43.1%、37.1%、51.5%及23.4%,具有明顯的剛度強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)試樣飽和度小于80%時(shí),試樣動(dòng)態(tài)彈性模量呈增大趨勢(shì),這是由于水相變?yōu)楣腆w冰,降低了巖石內(nèi)部缺陷的體積[23]。當(dāng)沖擊荷載增加時(shí),巖石內(nèi)部缺陷的降低有助于壓縮應(yīng)力波的傳播,抑制了內(nèi)部小缺陷或亞缺陷的激活,進(jìn)而增強(qiáng)了試樣的抗變形能力。然而,當(dāng)飽和度超過Src,在凍脹力的作用下部分裂隙開始發(fā)育,導(dǎo)致試樣內(nèi)部缺陷體積的增加,因此其動(dòng)態(tài)彈性模量出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

2.2.3 動(dòng)態(tài)脆性指數(shù)

脆性是巖石材料的一個(gè)重要參數(shù),用來描述巖石的變形與破壞過程。不同的外部因素,如含水量、溫度等,不可避免地會(huì)改變巖石材料的脆性參數(shù)和破壞模式[24]。因此,采用一個(gè)脆性指數(shù)來表征飽和度和沖擊速度對(duì)凍結(jié)砂巖峰前變形特征的影響,計(jì)算公式如下[25]:

式中:εp和εe指分別為應(yīng)力應(yīng)變曲線中峰值點(diǎn)與屈服點(diǎn)應(yīng)變坐標(biāo)值;當(dāng)BI為1 時(shí)認(rèn)為試樣完全脆性,即BI值越大表示試樣的脆性越大。根據(jù)表2 中數(shù)據(jù),凍結(jié)砂巖脆性指數(shù)隨初始飽和度與沖擊速度關(guān)系曲面,如圖9 所示。

由圖9 可知,沖擊速度的增加促使凍結(jié)砂巖試樣由高脆性向韌性轉(zhuǎn)變。從能量角度出發(fā),脆性的增加意味著試樣內(nèi)部彈性能累積階段增大,而裂紋發(fā)育不穩(wěn)定階段減少。因此,可以認(rèn)為低沖擊速度下,凍結(jié)試樣內(nèi)部微裂隙不易發(fā)育,這與陳彥龍等所試驗(yàn)的結(jié)果相一致[2]。此外,凍結(jié)砂巖的脆性隨著飽和度增加呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì),這是由于孔隙冰的存在阻止了裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展,增加了試樣的抗變形能力,在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為III 階段的減少。然而,這種增長(zhǎng)趨勢(shì)受飽和度限制,當(dāng)飽和度超過其Src時(shí),此時(shí)孔隙冰既起到了降低巖石內(nèi)部缺陷作用,又通過凍脹力了促進(jìn)了裂隙的發(fā)育擴(kuò)展。因此,2 種作用下起到關(guān)鍵性的作用將控制著凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)變形與破壞行為,即決定了試樣脆性破壞的程度。

2.3 宏觀破壞特征分析

巖石的破碎響應(yīng)與沖擊荷載和巖石微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[26]。圖10 為不同飽和度和沖擊速度下凍結(jié)砂巖的破壞形態(tài),由圖10 可知,由于砂巖試樣強(qiáng)度較低,不同沖擊速度下均完全破碎。飽和度50%凍結(jié)試樣破碎塊粒度分布較大,而試樣達(dá)到飽和時(shí),較高沖擊速度下(7 m/s)試樣破碎為粉末狀。根據(jù)圖可推斷出,隨著飽和度和沖擊荷載增加,凍結(jié)試樣將從張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯樾缘膹?fù)合破壞。這是由于飽和度的增加,促進(jìn)了試樣微裂隙的發(fā)育,在荷載作用下更多裂隙將會(huì)產(chǎn),因此破碎形態(tài)更為復(fù)雜。

圖10 不同飽和度和沖擊速度下凍結(jié)砂巖的破壞形態(tài)Fig.10 Failure characteristics of frozen sandstone with different saturations and impact velocities

為了量化試樣宏觀破碎形態(tài),通過篩網(wǎng)對(duì)破碎塊體進(jìn)行篩分,篩網(wǎng)孔徑為0.75~45 mm。圖11 顯示了試樣破碎塊體的篩分結(jié)果。圖中數(shù)據(jù)R是基于每組中最大滯留質(zhì)量比例而歸一化處理后的可視化結(jié)果(同組最大數(shù)據(jù)顯示為100%)。由于45 mm 巖塊質(zhì)量與其他巖塊質(zhì)量相差較大,因此歸一化處理時(shí)將數(shù)據(jù)分為2 組,即存在45 mm 為一組(R最大值為75.6%),其余為一組(R最大值為32.5%)。R的計(jì)算式為m1/mtot,ml和mtot分別為各級(jí)篩網(wǎng)滯留質(zhì)量和試樣破碎總質(zhì)量,g。

圖11 沖擊載荷下凍結(jié)試樣的破碎塊體質(zhì)量分布Fig.11 Broken mass distribution of frozen samples under impact load

由圖11 可知,在相同的沖擊速度下,同一篩網(wǎng)的滯留質(zhì)量與飽和度密切相關(guān)。但并沒有表現(xiàn)出一致的相關(guān)性,而是有3 種關(guān)系:正向、負(fù)向和波動(dòng)的關(guān)系。隨著沖擊速度的增加,凍結(jié)試樣的破碎質(zhì)量分布逐漸從左上角過渡到右下角區(qū)域,這標(biāo)志著凍結(jié)砂巖破碎逐漸向細(xì)粒粉移動(dòng)。盡管沖擊速度不同,較大的破碎質(zhì)量的分布仍然與其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度密切相關(guān),如“凸波動(dòng)”型的分布與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度相匹配。然而,隨著破碎粒度的降低,破碎巖塊的分布與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和飽和度有很大的差異。這是由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)性差異決定了冰結(jié)晶應(yīng)力的作用,如提供支撐力或促進(jìn)孔隙發(fā)育等,進(jìn)而影響了破碎巖塊的質(zhì)量分布。

2.4 微觀破壞特征分析

利用SEM 圖像(1 000 倍)來推斷砂巖凍結(jié)后微觀形態(tài)變化,結(jié)果如圖12 所示。原始狀態(tài)下其結(jié)構(gòu)較為松散,存在較多原生微裂隙和孔等缺陷;低溫凍結(jié)后,由于礦物顆粒熱的收縮性,試樣表面變得密實(shí),部分原生裂隙閉合,此時(shí)最大裂隙寬度僅為2 μm;當(dāng)試樣飽水至30%時(shí),由于部分孔隙內(nèi)水相變?yōu)楸?,冰晶?yīng)力導(dǎo)致部分閉合裂隙重新激活,此時(shí)孔隙冰以增強(qiáng)作用為主;隨著飽和度增加至50%時(shí),部分微裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通,但多數(shù)微裂隙寬度小于1 μm,此時(shí)孔隙冰對(duì)內(nèi)部造成損傷程度仍低于其強(qiáng)化作用;然而,當(dāng)飽和度達(dá)到80%時(shí)(圖12e),由于孔隙水量的增加,凍結(jié)后孔隙冰的持續(xù)膨脹促進(jìn)裂隙的持續(xù)發(fā)育,部分微裂隙寬度已達(dá)到5 μm,這種現(xiàn)象意味著孔隙冰的劣化作用已經(jīng)顯現(xiàn);當(dāng)試樣完全飽和時(shí),試樣斷面出現(xiàn)了被擠出的塊體,表明塊體周圍裂隙貫通后,冰的體積仍繼續(xù)膨脹進(jìn)而導(dǎo)致巖塊被擠出,表面微裂隙寬度已接近9 μm,這是一個(gè)相對(duì)較大的數(shù)值。因此,由于巖石內(nèi)部損傷增大,凍結(jié)飽和試樣的宏觀力學(xué)行為如動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和模量出現(xiàn)了降低現(xiàn)象。

圖12 不同飽和度凍結(jié)紅砂巖斷面微觀特征Fig.12 Fracture characteristics of frozen sandstone sample with different saturations

3 結(jié)果討論

天然巖體由于成巖過程復(fù)雜而形成大量不規(guī)則孔裂隙,加之地下水的遷移與滲流的影響,致使巖體中孔隙水分布不均勻,造成了飽和度的差異[27]。當(dāng)溫度低于0℃時(shí),孔隙冰的存在提高了其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。這種增強(qiáng)現(xiàn)象在靜態(tài)試驗(yàn)中也存在,BOHACS 等[28]通包絡(luò)模型證實(shí)了單軸狀態(tài)下,凍結(jié)巖石的裂紋擴(kuò)展應(yīng)力閾值與孔隙冰模量呈正相關(guān)。此外,沉積巖多由礦物顆粒組成,溫度下降時(shí)顆粒的熱收縮性使內(nèi)部更為致密,有效降低了內(nèi)部孔裂隙的體積,進(jìn)而改善了巖石力學(xué)性能。NMR 結(jié)果可以看出,該類巖石低溫下礦物顆粒有明顯的收縮性(圖3)。PLATT[29]的研究同樣證明了低溫作用下,由于巖石基質(zhì)的收縮,不同種類砂巖孔隙率均有降低趨勢(shì)。然而,隨著孔隙水含量的增加,孔隙冰的持續(xù)膨脹將逐漸在巖石內(nèi)部產(chǎn)生累計(jì)損傷[3]。正如PRICK 所指出,飽和度是決定孔隙冰強(qiáng)化或損傷的關(guān)鍵因素[30]。因此,需要進(jìn)一步討論飽和度對(duì)凍結(jié)巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響。

干燥或孔隙水含量極低的巖石,孔隙內(nèi)部主要被氣體占據(jù),凍結(jié)期間動(dòng)態(tài)力學(xué)特性變化只與礦物顆粒的收縮有關(guān);而隨著飽和度的增加,凍結(jié)期間的孔隙冰的膨脹逐漸成為巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度或模量變化的主要原因。當(dāng)孔隙水含量較少時(shí),孔隙冰生長(zhǎng)受限并不能對(duì)基質(zhì)造成有效損傷[15]。此時(shí),孔隙冰起到了增強(qiáng)作用,如充填孔隙、支撐孔壁和增加黏附力的作用(圖13)。因此,隨著飽和度的增加試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)特性如強(qiáng)度、模量等呈增大趨勢(shì)。然而,當(dāng)飽和度逐漸增大時(shí)(>50%),尤其是飽和度為80%~100%時(shí),試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和模量均產(chǎn)生了明顯的降低,可以認(rèn)為當(dāng)飽和度超過50%時(shí),孔隙冰的存在逐漸在巖石內(nèi)部產(chǎn)生了有效損傷。同時(shí),內(nèi)部損傷如微裂隙的發(fā)育貫通導(dǎo)致沖擊荷載下試樣破壞更加破碎。因此,當(dāng)巖石飽和度大于其臨界值時(shí),巖石內(nèi)部存在足夠水為凍結(jié)過程凍脹力提供增長(zhǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)[31],在此條件下,凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)需要考慮凍脹損傷機(jī)制所造成的影響。

圖13 砂巖凍結(jié)過程中孔隙冰的影響機(jī)制Fig.13 Influence mechanism of pore ice during sandstone freezing

研究結(jié)果表明,巖石的凍脹損傷是由毛細(xì)管機(jī)制、結(jié)晶壓機(jī)制、體積膨脹機(jī)制及靜水壓機(jī)制共同作用的結(jié)果,而各損傷機(jī)制與巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)[15]。正如圖13 所示,巖石孔裂隙結(jié)構(gòu)主要包括主干孔隙、次級(jí)孔、旁枝孔隙及孤立孔隙。由于孔隙中水的凍結(jié)點(diǎn)與孔半徑成反比[19],大孔隙中的水先結(jié)冰,進(jìn)而生長(zhǎng)至次級(jí)孔。當(dāng)試樣含水量較低時(shí)(Sr=30%),次級(jí)孔中過冷水通過水膜遷移至主干孔中。由于含水量較低,孔隙冰生長(zhǎng)至一定體積后即停止,此時(shí)依賴于毛細(xì)管機(jī)制的冰生長(zhǎng)受到了抑制。而隨著試樣飽和度的增加,主干孔中冰的生長(zhǎng)有足夠未凍水補(bǔ)給,進(jìn)而驅(qū)趕部分未凍水進(jìn)入到相連的小孔隙中。若小孔隙為封閉孔,其內(nèi)部將產(chǎn)生較大的水壓力Pw,當(dāng)壓力超過巖石基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度時(shí),將引起次級(jí)孔的擴(kuò)展,這也是T2譜圖中第二峰面積變化原因;若孔隙為連通孔時(shí),孔隙冰將產(chǎn)生靜水壓力驅(qū)動(dòng)未凍水滲流形成損傷,并對(duì)巖石骨架施加了一個(gè)動(dòng)水壓力,降低了巖石基質(zhì)的變形阻力[32]。同時(shí),孔隙冰產(chǎn)生的凍脹壓力Pi也造成了孔壁的損傷[33]。因此,在壓縮應(yīng)力波的作用下,內(nèi)部孔隙將快速發(fā)育,導(dǎo)致試樣破碎程度和動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度的變化。

隨著凍結(jié)過程的發(fā)展,主干孔的冰逐漸向次級(jí)孔內(nèi)發(fā)育(圖12c)。在孔隙冰發(fā)展過程中,薄膜水機(jī)制扮演了重要的角色,這是由于較大孔隙中冰的化學(xué)勢(shì)相對(duì)較低,小孔隙中的過冷水將沿冰與孔壁間薄膜水逐漸向大孔隙中遷移[3],導(dǎo)致大孔隙中的冰不斷生長(zhǎng),其壓力Pi也逐漸升高。而當(dāng)大孔隙中的冰壓Pi與小孔隙的水壓Pw差值為( 2γsl/R)cos θ(γsl為冰水界面張力;R為毛細(xì)管等效半徑;θ為接觸角[19])時(shí),孔隙冰逐漸向小孔隙發(fā)展,進(jìn)而產(chǎn)生凍結(jié)膨脹促進(jìn)孔隙發(fā)育。因此,飽和度增加時(shí),凍結(jié)巖石力學(xué)性能并不是一直增強(qiáng),而當(dāng)超過臨界飽和度時(shí)這種增強(qiáng)效果將會(huì)逐漸受到抑制,但仍以增強(qiáng)效果為主。然而,對(duì)試驗(yàn)所選新疆地區(qū)紅砂巖,飽和度超過80%這種增強(qiáng)效果將低于損傷效果,超過其臨界飽和度時(shí),凍結(jié)砂巖試樣的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和模量逐漸降低,而極限變形能和破碎程度逐漸增大??偟膩碚f,隨著飽和度的增加孔隙冰由填充、支撐和膠結(jié)增強(qiáng)作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)裂紋發(fā)育擴(kuò)展的凍脹損傷作用。

4 結(jié) 論

1) 低溫凍結(jié)過程中,飽和度小于其臨界飽和度時(shí),試樣以小孔發(fā)育為主;接近飽和時(shí),試樣內(nèi)部中-大孔開始迅速發(fā)育,表現(xiàn)為T2譜圖中第二峰和第三峰峰面積的增大。

2) 隨著沖擊速度的增加,凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性表現(xiàn)出明顯的沖擊強(qiáng)化效應(yīng);而隨著飽和度的增加,凍結(jié)砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度,彈性模量和脆性均呈現(xiàn)先增大后下降趨勢(shì)。

3) 隨著飽和度的增加,凍結(jié)試樣將從張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯樾缘膹?fù)合破壞,且破碎質(zhì)量的分布呈現(xiàn)出正向、負(fù)向和波動(dòng)3 種關(guān)系,而較大破碎質(zhì)量的分布仍然與其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度密切相關(guān)。

4) 飽和度的增加促進(jìn)了紅砂巖內(nèi)部孔裂隙的發(fā)育,尤其是飽和巖石內(nèi)部裂隙相互貫穿形成裂隙網(wǎng)絡(luò),可以觀測(cè)到接近9 μm 寬度的裂隙,孔隙冰對(duì)試樣強(qiáng)化作用逐漸被損傷作用所抑制。

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