摘要：為研究水-溫耦合作用下0°層理傾角千枚巖的動(dòng)態(tài)拉伸特性變化規(guī)律，分別對(duì)3組試樣進(jìn)行0、1、3、5、7、8、11次溫度循環(huán)自然降溫、溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)后，采用霍普金森桿試驗(yàn)裝置對(duì)0°層理傾角千枚巖試樣開(kāi)展動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)，從動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變曲線、動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量、能量分析與宏觀破壞5個(gè)角度研究水、溫劣化條件下千枚巖的動(dòng)態(tài)拉伸特性。結(jié)果表明：千枚巖應(yīng)力應(yīng)變曲線包括極速?gòu)椥宰冃坞A段、屈服變形階段、破壞變形階段；隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線極速?gòu)椥宰冃坞A段逐漸縮短，屈服變形階段的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率不斷增大；千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化，耗散能比不斷減?。凰?溫耦合條件下，千枚巖峰值抗拉強(qiáng)度、耗散能比普遍小于溫度循環(huán)自然降溫時(shí)；動(dòng)態(tài)沖擊下，千枚巖發(fā)生貫穿層理的張拉破壞，主要破碎為2塊；隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖主碎塊發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復(fù)合破壞，千枚巖碎塊的平均尺寸不斷減?。粶囟妊h(huán)冷水降溫條件下，千枚巖碎塊的平均尺寸更小，且降幅最為顯著。

關(guān)鍵詞：千枚巖；霍普金森桿試驗(yàn)；溫度循環(huán)；干濕循環(huán)；動(dòng)態(tài)拉伸

中圖分類號(hào)：TU452" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：2096-6717（2024）04-0109-11

Dynamic tensile characteristics of phyllite under water-temperature cycle conditions

WANG Lianhua

（China Railway 23RD Bureau Group Co.， Ltd.， Chengdu 610072， P. R. China）

Abstract： In order to study the variation pattern of dynamic tensile properties of phyllite under the coupling effect of water temperature， three groups of samples were subjected to 0， 1， 3， 5， 7， 8 and 11 times of temperature cycle natural cooling， temperature cycle cold water cooling and dry-wet cycle respectively. The dynamic Brazilian splitting test samples was carried out by Hopkinson bar test device. The dynamic tensile properties of phyllite under water and temperature deterioration were studied from five aspects： dynamic tensile strain curve， dynamic peak tensile strength， dynamic elastic modulus， energy analysis and macroscopic failure. It is found that the stress-strain curve includes extremely fast elastic deformation stage， yield deformation stage and failure stage. With the increase of the number of water temperature cycles， the extreme elastic deformation stage of stress-strain curve gradually decreases， and the strain growth rate in the yield deformation stage increases continuously. The dynamic peak tensile strength of phyllite shows a negative exponential function distribution， and the dissipation energy ratio decreases continuously. Under the condition of water temperature coupling， the peak tensile strength and dissipation energy ratio of phyllite are generally smaller than those of temperature cycle natural cooling. Under the dynamic impact， the phyllite occurs tensile failure throughout the bedding， mainly broken into 2 pieces. With increase of the number of water temperature cycles， the main phyllite fragments undergo tensile failure along the bedding plane and shear failure across the bedding plane， and the average size of the phyllite fragments decreases continuously. Under the condition of temperature circulating cold water cooling， the average size fragment is smaller and the decrease is the most significant.

Keywords： phyllite； Hopkinson bar test ； temperature cycles； dry-wet cycles； dynamic tensile

作為中國(guó)中西部建設(shè)過(guò)程中常見(jiàn)的地質(zhì)軟巖，千枚巖往往受周圍環(huán)境的影響，如溫度和水分的快速變化，導(dǎo)致其動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度特性弱化，因此，在工程中常被定義為不良地質(zhì)軟巖。

對(duì)于千枚巖的力學(xué)特性與破壞特征，眾多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。Xu等[1]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，千枚巖抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)均隨層理傾角的增大，呈V型分布規(guī)律。周陽(yáng)等[2]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，千枚巖的強(qiáng)度、變形參數(shù)和破裂模式與層理傾角、圍壓密切相關(guān)，圍壓可明顯弱化千枚巖各向異性。通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)，徐國(guó)文[3]、張闖等[4]從靜力學(xué)角度研究了水、層理耦合作用下千枚巖的各向異性特征及破壞形式，Si等[5]研究了層理角度β對(duì)千枚巖的力學(xué)特性和巖爆傾向性的影響，對(duì)不同層理角度的千枚巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得出千枚巖在β為0°、60°、75°、90°時(shí)有較強(qiáng)的巖爆傾向。許江波等[6]、武仁杰等[7]采用霍普金森桿（SHPB）系統(tǒng)對(duì)不同層理的千枚巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究表明，動(dòng)態(tài)沖擊下，千枚巖層理效應(yīng)依然明顯，飽和狀態(tài)下，不同層理千枚巖延性增強(qiáng)，且其峰值抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度衰減。Qiu等[8]則采用霍普金森桿（SHPB）系統(tǒng)深化了對(duì)不同層理千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。劉漢香等[9]開(kāi)展了千枚巖在三軸壓縮條件下的多級(jí)循環(huán)加載試驗(yàn)，分析確定了循環(huán)周次和上限應(yīng)力的增加導(dǎo)致殘余應(yīng)變?cè)黾樱鴱椥阅Ａ?、阻尼參?shù)逐漸遞減。王偉等[10]通過(guò)不同層理傾角與不同圍壓下的千枚巖力學(xué)特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，千枚巖在高圍壓下易形成穿層理剪切破壞。針對(duì)千枚巖的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)力學(xué)特性的研究大多聚焦于層理傾角，其劣化特性也是在工程應(yīng)用中需要重點(diǎn)考慮的因素，對(duì)于具有層理的巖石，在溫度與水的交替作用下，其層理結(jié)構(gòu)逐漸破壞，最終形成軟巖，因此對(duì)于千枚巖的研究，也應(yīng)該逐漸從結(jié)構(gòu)傾角的研究走向巖石劣化，這樣才能為工程中圍巖劣化的判別提供參考。

對(duì)于巖石劣化后的力學(xué)特性，大部分學(xué)者從溫度循環(huán)和干濕循環(huán)兩個(gè)角度開(kāi)展研究，Sun等[11]以溫度循環(huán)處理后砂巖，Zhao等[12]以水-溫處理后砂巖，Zhang等[13]以不同溫度、不同降溫方式處理后花崗巖為研究對(duì)象，開(kāi)展靜態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)，揭示了不同巖石在峰值抗拉強(qiáng)度、能量耗散、峰值能率、裂紋擴(kuò)展、破壞模式等方面的規(guī)律。朱建波等[14]采用霍普金森桿試驗(yàn)裝置，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖開(kāi)展了動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)增加后，砂巖的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)減小，破碎分型數(shù)增加。徐澤輝[15]等利用帶圍壓的霍普金森桿裝置對(duì)不同高溫水冷的玄武巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高或者圍壓降低，試樣的破碎程度加劇。任松等[16]對(duì)不同溫度的砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了砂巖在動(dòng)力擾動(dòng)和高溫條件下的力學(xué)特性及破壞特征?；赟HPB試驗(yàn)系統(tǒng)，杜彬等[17]、Li等[18]對(duì)不同干濕循環(huán)作用后砂巖開(kāi)展了動(dòng)態(tài)巴西圓盤(pán)試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)次數(shù)及加載速率對(duì)砂巖劣化作用的影響。Lin等[19]對(duì)常溫、負(fù)溫下飽和砂巖開(kāi)展了動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)，從峰值抗拉強(qiáng)度、巖石破碎塊度、分形特征等角度，研究了水-溫作用后砂巖的動(dòng)力學(xué)劣化特征。楊仁樹(shù)等[20]研究了紅砂巖、灰砂巖和花崗巖的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能，利用SHPB系統(tǒng)對(duì)3種巖石進(jìn)行不同沖擊速度下的動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)。目前，對(duì)于巖石的力學(xué)特性研究逐步由靜力學(xué)轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)，這也是出于滿足實(shí)際工程需求。而研究巖石劣化后的動(dòng)力學(xué)特性不僅能夠?qū)r石的動(dòng)力學(xué)特性研究進(jìn)行補(bǔ)充，也符合目前對(duì)巖石力學(xué)探索的需求，探究巖石在劣化條件下的動(dòng)力學(xué)特性能夠加快學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐接軌，掌握劣化巖石的動(dòng)力學(xué)特性，有助于提高工程施工與運(yùn)營(yíng)階段的設(shè)計(jì)優(yōu)化水平。因此，研究巖石的動(dòng)力學(xué)特性，尤其是劣化后的特性，能夠促進(jìn)科學(xué)研究和工程實(shí)踐的結(jié)合。

以上研究結(jié)果表明，對(duì)于巖石的靜、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特性和破壞特征，目前已有相當(dāng)多的研究成果。而其中大部分的成果都是基于砂巖與花崗巖等常見(jiàn)巖石，而對(duì)于千枚巖劣化的動(dòng)力學(xué)研究尚有欠缺。千枚巖作為一種具有層理的特殊巖石，在高地應(yīng)力、高地溫、高滲壓的影響下極易發(fā)生劣化，導(dǎo)致其在隧道工程中發(fā)生軟巖大變形。因此，筆者對(duì)0°層理傾角千枚巖進(jìn)行研究，探究其在水和溫度劣化條件下的力學(xué)衰減特性，分析其在不同劣化等級(jí)下的破壞特征。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

千枚巖試樣產(chǎn)自江西省九江市況家港G532線附近。現(xiàn)場(chǎng)采集的完整巖石，在室內(nèi)通過(guò)定向取芯制備獲得0°層理傾角的千枚巖標(biāo)準(zhǔn)試樣，該地的千枚巖為石英質(zhì)千枚巖，屬于工程中常見(jiàn)的千枚巖，石英含量占50%左右，絹云母含量占37%，物性穩(wěn)定，層理清晰，巖芯取樣完整，能夠較好地反映水-溫循環(huán)后巖樣的劣化程度，并與原巖進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》（GB/T 23561.7—2009），制備直徑50 mm、高度25 mm的0°層理傾角千枚巖試樣，如圖1所示。

試樣制備的精度應(yīng)滿足如下要求：

1）沿試樣高度，直徑的誤差小于±0.03 mm；

2）試樣兩端面不平行度誤差小于±0.05 mm；

3）表面平整度小于±0.02 mm；

4）兩端面應(yīng)垂直于試件軸線，允許軸向偏差±0.25°。

千枚巖試樣的各項(xiàng)基本物理參數(shù)如表1所示。

1.2 水-溫循環(huán)設(shè)計(jì)

考慮千枚巖在自然環(huán)境中的干濕交替與溫度變化環(huán)境以及試驗(yàn)的可操作性，在溫度循環(huán)自然降溫、溫度循環(huán)冷水降溫（通過(guò)溫度循環(huán)中的冷水降溫完成千枚巖的水-溫耦合）、干濕循環(huán)3種劣化條件下，分別對(duì)千枚巖開(kāi)展0（干燥狀態(tài)）、1、3、5、8、11次劣化處理。

1）溫度循環(huán)

巖樣首先在烘箱中以100 ℃保溫4 h，而后分別以自然冷卻和冷水降溫的方式，將試樣溫度降至室溫，稱為1次溫度循環(huán)（見(jiàn)圖2）。

2）干濕循環(huán)

根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》（GB/T 23561.5—2009），巖樣首先入烘箱干燥24 h，冷卻至室溫，放入飽和桶中水24 h，稱為干濕循環(huán)1次（見(jiàn)圖3）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)速儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳遞系統(tǒng)，如圖4所示。試驗(yàn)系統(tǒng)中入射桿長(zhǎng)2 000 mm，透射桿長(zhǎng)1 500 mm，吸收桿長(zhǎng)500 mm。沖擊桿及子彈材質(zhì)為高強(qiáng)度彈性鋼，波速C0=5 124 m/s。應(yīng)變片采集信息可存儲(chǔ)記錄于超動(dòng)態(tài)采集儀。

試驗(yàn)采用0.2 MPa沖擊氣壓。如圖5所示，取千枚巖應(yīng)變率時(shí)程曲線峰值應(yīng)變率為巖樣應(yīng)變率標(biāo)準(zhǔn)值，具體見(jiàn)表2。

1.4 試驗(yàn)原理

根據(jù)應(yīng)力波理論，SHPB試驗(yàn)應(yīng)滿足兩個(gè)假定：一維應(yīng)力波假定，認(rèn)為沖擊應(yīng)力波僅產(chǎn)生橫向傳播，且不會(huì)發(fā)生能量衰減；應(yīng)力均勻性假定，認(rèn)為試樣受力在瞬時(shí)間完成，試樣內(nèi)部受力均勻。由此，推導(dǎo)出SHPB計(jì)算式（1）。根據(jù)一維應(yīng)力波假定，設(shè)桿件應(yīng)變?yōu)棣牛╰），對(duì)其進(jìn)行積分可得出桿件位移為

如圖6所示，入射應(yīng)變和反射應(yīng)變的疊加波峰值處與透射應(yīng)變波峰值處基本重合，表明巖樣前后界面基本達(dá)到應(yīng)力平衡。

2 千枚巖動(dòng)力學(xué)特性分析

2.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

如圖7所示，千枚巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括極速?gòu)椥宰冃坞A段、屈服變形階段及破壞變形階段。由于千枚巖屬于變質(zhì)巖，長(zhǎng)期地質(zhì)作用下，其層理之間的超薄片已轉(zhuǎn)化為致密的千枚理構(gòu)造，動(dòng)力沖擊下，千枚巖極速?gòu)椥宰冃坞A段應(yīng)變?cè)黾訕O小，應(yīng)力則迅速增加，具有明顯的硬脆性特征。進(jìn)入屈服變形階段后，千枚巖應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率明顯增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線曲率不斷增大，直至達(dá)到峰值強(qiáng)度。在沖擊過(guò)程中，千枚巖0°層理與應(yīng)力波傳播方向呈0°夾角，主要發(fā)生三方面的劣化：首先，沖擊作用下，千枚巖層理面承受張拉應(yīng)力，致使層理間礦物顆粒黏結(jié)性減弱，裂紋持續(xù)擴(kuò)展、貫通，形成較大的裂縫，從而促使千枚巖形成多個(gè)“長(zhǎng)細(xì)比”較大的不穩(wěn)定薄片結(jié)構(gòu)，沖擊作用下，該結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生撓曲變形，發(fā)生失穩(wěn)破壞；由于薄片結(jié)構(gòu)并非均質(zhì)層理構(gòu)造且裂縫較多，其在撓曲變形過(guò)程中，同時(shí)發(fā)生貫穿薄片結(jié)構(gòu)的張剪復(fù)合破壞。最終，多種破壞機(jī)制耦合作用下，千枚巖在宏觀上表現(xiàn)為發(fā)生貫穿層理的張拉復(fù)合破壞。

如圖7所示，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線極速?gòu)椥宰冃坞A段逐漸縮短，屈服變形階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率明顯增加。如圖7（a）所示，自然降溫條件下，當(dāng)溫度循環(huán)次數(shù)達(dá)到8、11次時(shí)，千枚巖極速?gòu)椥宰冃坞A段明顯縮短。如圖7（b）所示，冷水降溫條件下，千枚巖極速?gòu)椥宰冃坞A段從溫度循環(huán)達(dá)到5次時(shí)即開(kāi)始變得顯著，表明水-溫耦合作用加速了千枚巖的劣化，同時(shí)，水的作用使得千枚巖峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線更為平緩，延性增強(qiáng)。如圖7（c）所示，干濕循環(huán)0～1次時(shí)，千枚巖峰值抗拉強(qiáng)度則由于自由水的Stefan效應(yīng)出現(xiàn)增長(zhǎng)[21]。經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，千枚巖極速?gòu)椥宰冃坞A段不斷縮短，屈服變形階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率不斷增加，峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸相互分離，峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線延性特征明顯。分析認(rèn)為，水-溫循環(huán)引起的循環(huán)溫度梯度拉壓應(yīng)力使得千枚巖層理間礦物顆粒間的黏結(jié)性減弱，裂紋不斷發(fā)育，貫通形成裂縫，千枚巖發(fā)生劣化。在水的影響下，溫度梯度拉壓應(yīng)力幅值提高，干濕循環(huán)飽水作用增強(qiáng)了水的侵蝕性，水-溫耦合作用下，千枚巖劣化效果更為明顯。

2.2 動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律分析

如圖8所示，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)增加，千枚巖動(dòng)態(tài)抗拉峰值強(qiáng)度不斷劣化。定義相鄰兩次水-溫循環(huán)作用下，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度的衰減率為環(huán)比。溫度循環(huán)1～11次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度環(huán)比分別減小-4.09%、2.62%、-3.36%、18.10%、23.37%。溫度循環(huán)自然降溫0～5次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度處于波動(dòng)狀態(tài)，這主要是由于前期的干濕循環(huán)與溫度循環(huán)只對(duì)千枚巖試樣表層造成了影響，而沒(méi)有侵蝕千枚巖巖樣內(nèi)部。當(dāng)溫度循環(huán)達(dá)到8、11次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度劣化效果明顯，環(huán)比降幅迅速擴(kuò)大。溫度循環(huán)1～11次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度環(huán)比分別減小5.47%、-2.08%、10.89%、6.03%、12.65%。溫度循環(huán)冷水降溫3次后，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)顯著下降。干濕循環(huán)1～11次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗壓強(qiáng)度環(huán)比分別減小-7.70%、11.05%、8.63%、0.48%、15.44%，干濕循環(huán)11次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度環(huán)比降幅最大，劣化最為明顯。

圖8數(shù)據(jù)擬合顯示，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化，即隨著水溫循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)先緩慢減小后快速降低，同時(shí)，溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)條件下，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度擬合曲線呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)，在單因素劣化作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖試樣的動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度逐次遞減。溫度循環(huán)自然降溫、溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)擬合曲線分別如式（6）～式（8）所示。

式中：x為干濕循環(huán)次數(shù)；y為動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度。

水-溫循環(huán)0～5次時(shí)，溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)條件下，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度降幅明顯大于溫度循環(huán)自然降溫時(shí)。水-溫循環(huán)達(dá)到8～11次時(shí)，劣化效果凸顯，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度差距減小。水-溫耦合作用對(duì)千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度的劣化更明顯。

2.3 動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量變化規(guī)律分析

水-溫循環(huán)作用下千枚巖動(dòng)態(tài)彈性模量變化如圖9所示。從圖9可以看出，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)減小的趨勢(shì)。水-溫循環(huán)1次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量增大。如圖9（a）所示，溫度循環(huán)自然降溫0～5次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量動(dòng)態(tài)波動(dòng)，當(dāng)溫度循環(huán)達(dá)到8、11次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量發(fā)生明顯劣化。如圖9（b）所示，溫度循環(huán)冷水降溫3～5次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量顯著降低。如圖9（c）所示，干濕循環(huán)1～5次時(shí)，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量快速下降，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量的變化趨于平穩(wěn)，而千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低。由此推斷，千枚巖的劣化是沿著既有裂隙不斷擴(kuò)展的，并沒(méi)有顯著影響巖樣的整體動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量。

3 能量分析

巖石的受力變形及破壞過(guò)程中始終伴隨著能量的吸收和釋放。千枚巖能量時(shí)程曲線如圖10所示。從圖10可以看出，千枚巖入射波能量、反射波能量、透射波能量、破壞耗能時(shí)程曲線可分為3階段，即起步階段、快速增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定階段。結(jié)合式（2）可知，能量來(lái)自應(yīng)變平方的積分累加，沖擊應(yīng)力波峰值加載對(duì)應(yīng)能量時(shí)程曲線的快速增長(zhǎng)階段，此時(shí)，千枚巖處于應(yīng)力平衡受力階段，表明千枚巖的動(dòng)態(tài)變形及破壞過(guò)程中始終伴隨著能量的急劇增長(zhǎng)。觀察千枚巖能量時(shí)程曲線穩(wěn)定階段，透射能極小，反射能大于耗散能，成為入射能分解出的主要部分。0.2 MPa沖擊氣壓下，千枚巖入射波能量值保持在100～120 J之間。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖反射能時(shí)程曲線如圖11所示。從圖11可以看出，天然狀態(tài)下，千枚巖反射能時(shí)程曲線穩(wěn)定階段能量值約為55 J。水-溫循環(huán)作用下，千枚巖反射能時(shí)程曲線穩(wěn)定階段能量值均大于55 J，其中水-溫循環(huán)達(dá)到8、11次時(shí)，穩(wěn)定階段能量值逐漸增加至高位水平。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖透射能時(shí)程曲線如圖12所示。由圖12可以看出，天然狀態(tài)下，千枚巖透射能時(shí)程曲線穩(wěn)定階段的能量值約為2 J。水-溫循環(huán)作用下，穩(wěn)定階段能量值明顯下降，以水-溫循環(huán)達(dá)到8、11次時(shí)最為明顯。由圖12可知，千枚巖透射能時(shí)程曲線前期為快速增加階段，后期變?yōu)槊黠@緩和增長(zhǎng)段。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖能量比變化如圖13所示。從圖13可以看出，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖反射能比不斷增加，透射能比、耗散能比不斷減小。溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)兩種水-溫耦合條件下，千枚巖反射能比普遍大于溫度循環(huán)自然降溫時(shí)，耗散能比、透射能比普遍小于溫度循環(huán)自然降溫時(shí)。分析認(rèn)為，水-溫耦合作用提高了溫度梯度拉壓應(yīng)力幅值，加速了千枚巖的劣化，尤以溫度循環(huán)冷水降溫條件下表現(xiàn)最為明顯。相比溫度循環(huán)冷水降溫時(shí)，千枚巖耗散能比在干濕循環(huán)0～3次時(shí)發(fā)生衰減，而干濕循環(huán)大于3次后，千枚巖耗散能比并未明顯低于溫度循環(huán)冷水降溫時(shí)，表明與溫度循環(huán)冷水降溫相比，干濕循環(huán)作用未在千枚巖力學(xué)性能劣化上展現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)，溫度循環(huán)引起的溫度梯度拉壓應(yīng)力是導(dǎo)致千枚巖劣化的主要原因。

4 千枚巖宏觀破裂模式分析

不同水-溫循環(huán)作用下千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸破壞如圖14所示。由圖14可以看出，天然狀態(tài)下，千枚巖宏觀上發(fā)生貫穿層理的張拉復(fù)合破壞，巖樣主要破碎為2塊。與常規(guī)靜態(tài)拉伸破壞形成宏觀裂縫相比，動(dòng)態(tài)沖擊下，千枚巖巖樣沿沖擊應(yīng)力加載方向形成了破碎帶。觀察發(fā)現(xiàn)，破碎帶殘片中存有較多“長(zhǎng)條狀”的碎塊，分析認(rèn)為，這是巖樣承受張拉應(yīng)力，沿軟弱層理面發(fā)生剝離破壞的現(xiàn)象。

以溫度循環(huán)自然降溫為例，溫度循環(huán)1～5次時(shí)，千枚巖主要破碎為2塊，溫度循環(huán)造成巖石損傷、裂紋擴(kuò)展，巖石發(fā)生穿層理的剪切破壞，主碎塊發(fā)生碎塊剝離，破碎帶尺寸不斷減小。隨著循環(huán)次數(shù)增加，千枚巖內(nèi)部、層理間裂紋深入擴(kuò)展，礦物顆粒間的黏結(jié)性顯著降低，在沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復(fù)合破壞作用下，其主碎塊尺寸減小，當(dāng)循環(huán)達(dá)到11次時(shí)，千枚巖巖樣主碎塊破碎為多個(gè)薄片，巖樣完全破碎。引入水的影響因素，溫度循環(huán)冷水降溫5次、干濕循環(huán)3次時(shí)，千枚巖主碎塊即發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復(fù)合破壞，表明水-溫耦合作用加劇了千枚巖劣化程度。

千枚巖典型破壞碎片如圖15所示。如圖15（a）中①、②號(hào)區(qū)域所示，千枚巖發(fā)生了穿層理面的張拉破壞。圖15（b）中③為“長(zhǎng)條狀”碎片，④表明巖樣發(fā)生穿層理面剪切破壞。圖15（c）中⑤號(hào)區(qū)域體現(xiàn)了水-溫循環(huán)作用對(duì)千枚巖層理面的劣化損傷，劣化深入即發(fā)生圖15（d）所示的主碎塊發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復(fù)合破壞現(xiàn)象。

選用不同篩孔尺寸的標(biāo)準(zhǔn)砂石方孔篩對(duì)千枚巖碎片進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并采用碎塊平均尺寸d ?定量描述水-溫循環(huán)作用后千枚巖破碎程度[22]。

式中：d_i為不同粒徑標(biāo)準(zhǔn)篩的平均尺寸；r_i為對(duì)應(yīng)于d_i的碎塊質(zhì)量百分比。

水-溫循環(huán)作用下千枚巖碎塊平均尺寸變化如圖16所示，隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖碎塊的平均尺寸不斷減小。溫度循環(huán)冷水降溫條件下，千枚巖碎塊的平均尺寸降幅最為明顯，普遍低于溫度循環(huán)自然降溫、干濕循環(huán)條件下碎塊的平均尺寸，且以水-溫循環(huán)1～5次時(shí)表現(xiàn)最為明顯，水-溫耦合作用下千枚巖劣化明顯，溫度循環(huán)冷水降溫提供了更高的溫度梯度拉壓應(yīng)力，這是導(dǎo)致千枚巖劣化加劇的主要原因。

5 結(jié)論

以千枚巖動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)水-溫循環(huán)作用下巖石動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了在不同水-溫循環(huán)條件下0°層理傾角千枚巖動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度與變形破壞的特征，主要結(jié)論如下：

1）0°層理傾角千枚巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括極速?gòu)椥宰冃坞A段、屈服變形階段、破壞變形階段。隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖應(yīng)力應(yīng)變曲線極速?gòu)椥宰冃坞A段逐漸縮短，屈服變形階段的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率不斷增大。隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化，溫度循環(huán)冷水降溫、干濕循環(huán)條件下，千枚巖動(dòng)態(tài)峰值抗拉強(qiáng)度擬合曲線近似線性變化，峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線延性特征明顯。

2）隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖反射能比不斷增加，透射能比、耗散能比不斷減小。溫度循環(huán)自然降溫、干濕循環(huán)水-溫耦合條件下，千枚巖反射能比普遍大于溫度循環(huán)自然降溫時(shí)，耗散能比、透射能比普遍小于溫度循環(huán)自然降溫時(shí)。

3）動(dòng)態(tài)沖擊下，千枚巖主要破碎為2塊，發(fā)生貫穿層理的張拉破壞。隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖主碎塊發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復(fù)合破壞，直至巖樣完全破碎。在水-溫耦合作用下，千枚巖主碎塊更早發(fā)生沿層理面的張拉與穿層理面的剪切復(fù)合破壞。

4）隨著水-溫循環(huán)次數(shù)的增加，千枚巖碎塊平均尺寸不斷減小。溫度循環(huán)冷水降溫條件下，千枚巖碎塊平均尺寸普遍小于其他兩種劣化條件下的碎塊平均尺寸，且降幅最為顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]" XU J B， FEI D Y， YU Y L， et al. Research on crack evolution law and macroscopic failure mode of joint Phyllite under uniaxial compression [J]. Scientific Reports， 2021， 11： 4196.

[2]" 周陽(yáng)， 蘇生瑞， 李鵬， 等. 板裂千枚巖微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2019， 49（2）： 504-513.

ZHOU Y， SU S R， LI P， et al. Microstructure and mechanical properties of broken phyllite [J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2019， 49（2）： 504-513. （in Chinese）

[3]" 徐國(guó)文. 層狀千枚巖地層隧道穩(wěn)定性分析[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2017.

XU G W. Stability analysis of layered phyllite stratum tunnel [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017. （in Chinese）

[4]" 張闖， 任松， 張平， 等. 水、孔洞及層理耦合作用下的千枚巖巴西劈裂試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2021， 42（6）： 1612-1624.

ZHANG C， REN S， ZHANG P， et al. Experimental study on Brazilian splitting of phyllite under the coupling effects of water， pore and bedding [J]. Rock and Soil Mechanics， 2021， 42（6）： 1612-1624. （in Chinese）

[5]" SI X F， HUANG L Q， LI X B， et al. Mechanical properties and rockburst proneness of phyllite under uniaxial compression [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2021， 31（12）： 3862-3878.

[6]" 許江波， 費(fèi)東陽(yáng)， 孫浩琿， 等. 節(jié)理千枚巖能量傳遞與動(dòng)力學(xué)特性[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021， 42（7）： 986-995.

XU J B， FEI D Y， SUN H H， et al. Energy transfer and dynamic characteristics of jointed phyllite [J]. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2021， 42（7）： 986-995. （in Chinese）

[7]" 武仁杰， 李海波， 李曉鋒， 等. 不同沖擊載荷下層狀千枚巖壓縮力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2019， 38（Sup2）： 3304-3312.

WU R J， LI H B， LI X F， et al. Dynamic mechanical properties of layered phyllite subject to different impact loads [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2019， 38（Sup2）： 3304-3312. （in Chinese）

[8]" QIU J D， LI D Y， LI X B. Dynamic failure of a phyllite with a low degree of metamorphism under impact Brazilian test [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2017， 94： 10-17.

[9]" 劉漢香， 別鵬飛， 李欣， 等. 三軸多級(jí)循環(huán)加卸載下千枚巖的力學(xué)特性及能量耗散特征研究[J]. 巖土力學(xué)， 2022， 43（Sup2）： 265-274， 281.

LIU H X， BIE P F， LI X， et al. Study on mechanical properties and energy dissipation characteristics of phyllite under triaxial and multistage cyclic loading and unloading [J]. Rock and Soil Mechanics， 2022， 43（Sup2）： 265-274， 281. （in Chinese）

[10]" 王偉， 張寬， 曹亞軍， 等. 層狀千枚巖各向異性力學(xué)特性與脆性評(píng)價(jià)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2023， 44（4）： 975-989.

WANG W， ZHANG K， CAO Y J， et al. Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phyllite [J]. Rock and Soil Mechanics， 2023， 44（4）： 975-989. （in Chinese）

[11]" SUN Q， GENG J S， ZHAO F. Experiment study of physical and mechanical properties of sandstone after variable thermal cycles [J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2020， 79（7）： 3771-3784.

[12]" ZHAO Y， BI J， ZHOU X P， et al. Effect of high temperature and high pressure of water on micro-characteristic and splitting tensile strength of gritstone [J]. Frontiers in Earth Science， 2019， 7： 301.

[13]" ZHANG F， DAI C， ZHANG Y H， et al. Experimental investigations on the tensile behaviour of granite after heating and water-cooling treatment [J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2021， 80（7）： 5909-5920.

[14]" 朱建波， 付乙梓， 李瑞， 等. 干濕循環(huán)與動(dòng)態(tài)壓縮耦合作用下砂巖力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2023， 42（Sup1）： 3558-3566.

ZHU J B， FU Y Z， LI R， et al. Experimental study on mechanical characteristics of sandstone under drying-wetting cycles and dynamic compression [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2023， 42（Sup1）： 3558-3566. （in Chinese）

[15]" 徐澤輝， 何童， 杜光鋼， 等. 恒定動(dòng)載下高溫水冷后玄武巖的動(dòng)力特性及本構(gòu)模型[J]. 爆炸與沖擊， 2023， 43（6）： 62-75.

XU Z H， HE T， DU G G， et al. Dynamic characteristics and constitutive model of basalt after high temperature water cooling under constant dynamic load [J]. Explosion and Shock Waves， 2023， 43（6）： 62-75. （in Chinese）

[16]" 任松， 李凱鑫， 張平. 動(dòng)力擾動(dòng)和高溫聯(lián)合作用下砂巖力學(xué)特性及破壞特征[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023， 54（3）： 1087-1097.

REN S， LI K X， ZHANG P. Mechanical properties and failure characteristics of sandstone under combined effect of dynamic disturbance and high temperature [J]. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2023， 54（3）： 1087-1097. （in Chinese）

[17]" 杜彬， 白海波， 馬占國(guó)， 等. 干濕循環(huán)作用下紅砂巖動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2018， 37（7）： 1671-1679.

DU B， BAI H B， MA Z G， et al. Experimental study on the dynamic tensile properties of red-sandstone after cyclic wetting and drying [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2018， 37（7）： 1671-1679. （in Chinese）

[18]" LI S W， LI C B， YAO W， et al. Impact of wetting-drying cycles on dynamic tensile strength of rock [J]. Thermal Science， 2019， 23（Sup3）： 815-820.

[19]" LIN G， LI M， CHEN Y L， et al. Dynamic tensile mechanical properties and fracture characteristics of water-saturated sandstone under the freezing effect [J]. International Journal of Geomechanics， 2021， 21（5）： 04021044.

[20]" 楊仁樹(shù)， 李煒煜， 李永亮， 等. 3種巖石動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)與對(duì)比分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2020， 45（9）： 3107-3118.

YANG R S， LI W Y， LI Y L， et al. Comparative analysis on dynamic tensile mechanical properties of three kinds of rocks [J]. Journal of China Coal Society， 2020， 45（9）： 3107-3118. （in Chinese）

[21]" 袁璞， 馬芹永. 干濕循環(huán)條件下煤礦砂巖分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2013， 34（9）： 2557-2562.

YUAN P， MA Q Y. Split Hopkinson pressure bar tests on sandstone in coalmine under cyclic wetting and drying [J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34（9）： 2557-2562. （in Chinese）

[22]" 洪亮. 沖擊荷載下巖石強(qiáng)度及破碎能耗特征的尺寸效應(yīng)研究[D].長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2008.

HONG L. Size effect on strength and energy dissipation in fracture of rock under impact loads [D]. Changsha： Central South University， 2008. （in Chinese）

（編輯" 王秀玲）

收稿日期：2023?07?12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41807245）

作者簡(jiǎn)介：王連華（1977- ），男，高級(jí)工程師，主要從事巖土與隧道工程研究，E-mail：1980139469@qq.com。

Received： 2023?07?12

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 41807245）

Author brief： WANG Lianhua （1977- ）， senior engineer， main research interests： geotechnical and tunnel engineering， E-mail： 1980139469@qq.com.