冻融循环后红砂岩静动态劈裂拉伸性能对比分析

张阳阳 ，黄 伟

（淮南联合大学 建筑与艺术学院, 安徽 淮南 232038）

0 引 言

岩石是一种非均质多相复合结构材料，内部存在大量随机分布的天然节理，物理力学性质极为复杂[1]。岩石的劈裂拉伸强度是岩体力学和工程设计中的重要参数，其值远小于抗压强度，导致工程岩体中常出现劈裂破坏的模式，因此，岩石的劈裂拉伸性能逐渐成为研究的热点[2]。

国内外学者针对岩石的劈裂性能开展了大量的研究，并取得了丰硕的成果。宫凤强等[3]研究了巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法，推导出岩石拉伸模量和总位移之间的关系；钟帅等[4]发现灰岩受力变形过程经历了压密、弹性和破坏3 个阶段，并采用Weibull 分布及Lemaitre 应变等效原理，计算得出岩石的损伤劣化程度。考虑到岩石在工程中会经受爆破、冲击等动荷载的作用，平琦等[5-6]采用分离式Hopkinson 压杆装置（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）。对岩石的动态劈裂拉伸性能进行了研究，得出冲击荷载作用下煤矿砂岩试件的拉伸应力表现出明显的应变率效应；许金余等[7]对3 种不同的岩石进行动态巴西劈裂试验，发现岩石的拉伸敏感系数随应变率的增加而增加，径向峰值应变与应变率成正比，岩石动态劈裂拉伸的最终破坏模式受冲击速度影响较大。

在寒区，环境温度在水的冰点上下浮动，反复的冻融循环导致岩石内部损伤逐渐积累，导致岩石物理力学性能的弱化[8-10]。刘慧等[11]对冻融循环后的砂岩进行了声发射试验，发现冻融作用可引起砂岩抗拉强度降低，随着冻融次数的增加，声发射持续时间缩短，岩样呈现由脆性破坏向延性破坏转变的趋势。此外宋彦琦[12]、单仁亮[13]、张慧梅[14]、WANG等[15]也对冻融循环后岩石的物理力学特性进行研究。MA 等[16]对冻融循环后岩石的动态单轴抗压强度和能量分布参数进行研究，试验结果表明，随着冻融循环次数的增加，动态单轴抗压强度呈对数下降趋势。相同冻融循环下，泥岩的动态冻融损伤系数大于砂质泥岩。近年来国内外学者对冻融循环后的岩石进行了静态和动态的单轴压缩试验，但对于冻融循环后岩石静态和动态劈裂抗拉性能的对比分析相对较少。

以红砂岩为研究对象，利用RMT-150B 岩石试验机和SHPB 试验装置对冻融循环后红砂岩的静态和动态力学特性和破坏形态进行了系统地研究，后期为寒区岩体工程稳定性分析提供一定的试验依据。

1 红砂岩试样的制备与试验设计

1.1 红砂岩试样的制备

试验选用的红砂岩试样取自于安徽省淮南市某项目，红砂岩平均干密度2.471 g/cm3，平均孔隙率2.486%，平均纵波波速2 048.06 m/s，静态单轴抗压强度为25.94 MPa，图1 为利用扫描电子显微镜得到的常温下红砂岩的微观图片。劈裂试验采用ø50 mm×25 mm 的红砂岩圆柱试样，将两端打磨平整，使其符合岩石动力学试验标准[17]。

图1 常温下红砂岩微观特性Fig.1 Microscopic characteristics of red sandstone at room temperature

1.2 试验设计

首先将红砂岩放置在真空饱水机中浸泡48 h，使试块完全饱和。其次将试块取出，采用保鲜膜密封后放入高低温循环试验箱中。冻结循环温度设置为-20～20 ℃（12 h 冻结，12 h 融化），一次循环时间为24 h，如图2 所示。循环次数为0、5、10、15、20 次，每组3 个平行试件。静态试验采用RMT-150B 岩石试验机，动态试验采用50 mm 的SHPB 装置，压杆材料为密度7.8 g/cm3、弹性模量210 GPa 的合金钢，纵波波速为5 190 m/s，如图3 所示，试验冲击气压为0.4 MPa。

图2 冻融循环温度变化曲线Fig.2 Temperature curve of freeze-thaw cycle

图3 静态和动态试验装置Fig.3 Device for static and dynamic test

2 试验结果分析

2.1 数据处理方法

利用RMT-150B 岩石试验机进行静态劈裂拉伸试验，通过式（1）计算出红砂岩静态劈裂拉伸强度[18-19]。

式中：σt为岩石的劈裂拉伸强度；P为破坏时的极限荷载；H为圆柱体试样的高度；D为圆柱体试样的直径。

通过黏贴在入射杆和透射杆上的应变片采集入射、反射和透射脉冲信号，由SHPB 试验中的2 个基本假定，将采集到的有效原始波形利用简化的三波法进行数据处理[20]，得到试件的径向荷载P(t)，试件的应变ε(t)和平均应变率ε.(t)，如式（2）—式（4）所示：

式中：E0，A0，C0分别为压杆的弹性模量、横截面面积和纵波波速的横截面面积；D为试件直径；τ为应力波持续时间；εT和εR分别为测得的透射应变和反射应变。

2.2 冻融循环后红砂岩的物理特征

经过冻融循环前后红砂岩的纵波波速、干密度和孔隙率随循环次数的变化规律如图4 所示。

图4 冻融循环后红砂岩的物理特征Fig.4 Physical characteristics of red sandstone after freezethaw cycles

从图4 中可以看出，冻融循环后红砂岩的纵波波速和干密度随着循环次数的不断增加而逐渐减小，而孔隙率则随着循环次数的增加而逐渐增大。在0次循环时，红砂岩的纵波波速和干密度分别为2 048.06 m/s 和2.471 g/cm3；在20 次循环时，红砂岩的纵波波速和干密度分别为1 155.01 m/s 和2.424 g/cm3，下降了43.6%和1.90%。在0 和20 次循环时，红砂岩的孔隙率分别为2.486%和4.884%，上升了96.46%。研究表明冻融循环后红砂岩内部裂隙不断扩展，孔洞尺寸增大，数量增多，矿物颗粒之间相互分离，其黏结力逐渐减弱，导致红砂岩脆性下降，塑性增大，更容易在试验中破裂，强度也会随之下降[13]。

2.3 冻融循环对红砂岩动、静态劈裂强度的影响

将静态和动态的劈裂拉伸强度进行比较，如图5所示。

图5 红砂岩劈裂拉伸应力—循环次数曲线Fig.5 Splitting tensile stress-cycle number curve of red sandstone

可以看出，随着冻融循环次数的不断增加，动、静态劈裂拉伸强度都在不断的减小，且静态劈裂强度小于动态劈裂强度，下降趋势符合式（5）：

式中：σ为劈裂强度；A，B，C为常数，取值见表1；n为循环次数。

表1 拟合常数数据Table 1 Fitting constant data

未进行冻融循环时，红砂岩试件的动态和静态劈裂拉伸强度分别为15.14 MPa 和5.85 MPa，经过5、10、15、20 次冻融循环以后，动态劈裂强度为13.12、12.78、12.22 、11.82 MPa，静态劈裂强度为4.84、4.07、3.72、3.40 MPa。20 次冻融循环后，试件的静、动态劈裂强度分别降低了41.88%和21.93%。相同冻融循环次数下，红砂岩试件的动态劈裂强度比静态劈裂强度提高了2.0～3.5 倍。

图6 给出了红砂岩经过冻融循环后进行动、静态试验，在达到劈裂强度值时所用的时间，可以看出随着循环次数的增加，动态和静态荷载下试件达到劈裂强度峰值所需的时间就越长，这是由于冻融导致红砂岩的塑性增强，脆性减弱。

图6 红砂岩时间-循环次数曲线Fig.6 Time-cycle number curve of red sandstone

3 破坏形态及损伤特性

3.1 冻融循环后红砂岩破坏形态

图7a 为冻融循环后红砂岩的静态破碎形态，不同循环次数后红砂岩的静态破坏形态基本相同，岩石破碎成2 块，从中轴线垂直破坏，形成几乎相同的2 个部分，一般无多余碎片产生。

图7 冻融循环后红砂岩的破碎形态Fig.7 Fracture morphology of red sandstone after freeze-thaw cycles

图7b—图7f 为冻融循环后红砂岩的动态破碎形态，随着循环温度的下降，岩石破碎逐渐增大，不再形成如同静态破碎形态相似的两半，出现不均匀的破碎形态。经过动态劈裂拉伸试验后，红砂岩试件的破碎形态与静态相比有以下不同之处：①动态破碎形态加载两端出现明显的压碎区域，而静态破碎形态不明显。②红砂岩试件随着循环次数的不断增加破碎程度也在不断增大，碎块不断增多，尺寸不断减小，而静态破碎几乎相同。③红砂岩试件在入射杆接触面处的破碎面积比透射杆接触处的破碎面积略大，而静态破碎形态较均匀。

3.2 冻融循环后红砂岩的损伤特性

研究表明[21]，纵波波速能够评价试件的损伤程度，通过测量红砂岩试件在冻融循环前后的纵波波速，能够计算得出红砂岩试件的损伤程度：

式中：D为损伤度；Vp和V0分别为n次循环和0 次循环时红砂岩试件的纵波波速。

图8 为冻融循环后红砂岩的循环次数与损伤程度的关系曲线。从图8 可以看出，随着循环次数的不断增加，红砂岩内部的损伤也在不断增大，二者呈对数关系。

图8 循环次数与损伤度曲线Fig.8 Curve of cycle number and damage

4 结 论

1）红砂岩试件经过冻融循环后，纵波波速和干密度随着循环次数的不断增加而逐渐减小，而孔隙率和损伤度则逐渐增大。

2）随着冻融次数的不断增加，动态和静态劈裂拉伸强度都在不断下降，而达到峰值所需的时间逐渐增加。相同循环次数时，静态劈裂强度远小于动态劈裂强度。

3）与静态破碎形态相比，红砂岩试件的动态破碎形态在加载两端出现明显的压碎区域，且区域面积随循环次数的增加不断增大，破碎区的碎块尺寸逐渐减小。