冻结砂岩爆破破岩的能量耗散特性

摘要： 为探究冻结岩体的冲击力学性能，并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗，针对寒区典型分布的砂岩，采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法，开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明： （1） 冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升，而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果，相同物理参数下，砂岩的抗压强度差距不大，而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。（2） 常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低，且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态，冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω 时，其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。（3） 相同含水率下， 冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态， 在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω 时，冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。（4） 将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合，得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型，可为寒区爆破工程提供参考。

关键词： 冻结岩体；动力冲击；爆破破岩；能量耗散；炸药单耗

中图分类号： O383 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

在爆破过程中，岩体本身的状态和力学性质是影响爆破效果的关键。寒区的岩体表层由于低温环境而形成冻结圈，导致岩体的物理力学性质和结构特征发生显著变化。在寒区表层进行岩体爆破开挖时，往往面临冻结岩体爆破难度大、炸药单耗高等工程问题。因此，开展冻结岩体的冲击动力性能研究，提出冻结岩体合理的爆破炸药单耗，对寒区的爆破开挖工程具有重要意义。

目前，学者们对冻结岩石的力学性能已经进行了相应的研究，在冻结后温度、含水率、冻胀等因素对岩石本身性质的影响机制等方面取得了较多的成果[1-2]。He 等[3] 通过直接拉伸、单轴抗压和三点弯曲断裂试验研究了沙溪庙冻结砂岩的相关力学参数，结果表明，低温下砂岩的抗压强度、断裂韧度均高于常温状态，且低温抑制了岩石的塑性变形。Zhang 等[4] 对不同围压下的冻结砂岩进行了三轴加载分析，发现加大围压和降低温度均能够提升砂岩的强度。Wang 等[5] 研究了不同温度下饱和岩石的力学特性和断裂模式，并提出了预测岩石强度随温度变化的理论模型。宋勇军等[6] 对常温和冻结状态的红砂岩进行了单轴加载试验，并通过CT （computed tomography）实时扫描探究了其力学特性及损伤演化机理，试验发现，随着温度降低，岩样内部的结冰量增加，岩石的强度增大，抗变形能力增强，损伤程度降低。刘慧等[7]利用Cannny 算子对冻结岩石的CT 图像进行了检测，提出了细观结构特征参数的计算公式，对冻结岩石不同截面的裂隙参数变化规律进行了定量分析。夏才初等[8] 对岩石冻胀后的物理参数进行分析，得到了岩石冻胀率的修正计算方法。

近年来，随着动载试验技术手段的进步，岩石的动力学性能研究逐渐得到发展。Cai 等[9] 通过分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）的拉伸和压缩试验确定了泥板岩的动态力学参数，并使用高速摄影机拍摄发现岩石试样在冲击过程中产生周围均匀变形破坏。Chen 等[10] 通过在岩石试样中设置半圆弯形缺口，研究了SHPB 冲击过程中岩石的断裂韧性、断裂速度及断裂扩展性等参数，开发了可计算断裂速度和能量的激光间隙计，并在劳伦花岗岩上进行了验证。李二兵等[11] 利用材料强度-应变率依赖模型，匹配SHPB 试验结果，提出了计算不同围岩压力下盐岩强度的动态公式。王健等[12] 利用SHPB 试验装置，在不同围压作用下，从应力、延性以及力学行为等方面对盐岩和泥岩的动态力学特性进行了对比研究。贾蓬等[13] 利用SHPB 研究了不同饱和度及冻融循环次数下砂岩的动态力学性能，并分析了砂岩的冻融损伤劣化机制。除了运用SHPB 试验装置进行动力学试验，姜亚成等[14] 以寒区隧道为工程背景，以不同冻融循环次数下含Ⅰ型裂隙的隧道模型试件为研究对象，采用大尺度落锤装置进行冲击试验，结合有限元模型计算动态起裂韧度，同时采用扫描电镜研究了冻融循环对岩石的损伤机制。

爆破工程中炸药与岩石参数之间的匹配是提高炸药能量利用率的重要问题。而动载作用下岩石内部的能量转移、转化过程是岩石变形破坏的本质。从能量角度分析岩石的变形破坏规律，建立岩石能量变化与变形破坏之间的联系，更接近岩石的变形破坏本质[15]。张文清等[16] 对不同应变率下的煤和岩石样品进行了SHPB 冲击试验，发现随着冲击载荷率的增加，煤和岩石的破碎能耗密度增大。张广辉等[17]在多级循环加载条件下研究了倾斜煤岩的能量耗散特性和损伤演化过程，建立了煤岩冲击过程中相应的损伤演化方程。李少华等[18] 探究了红砂岩在不同入射能条件下的岩石破碎及能量利用情况，对如何高效利用冲击能进行了分析。王宇等[19] 通过控制SHPB 试验系统的冲击气压，研究了页岩在不同气压梯度循环冲击作用下的动力响应特征和能量耗散特性。

基于以上认识，冻结状态下岩石的冲击力学性能还有待进一步探索，且岩石的含水率以及水分冻结产生的冻胀效应是影响冻结岩石力学性能的重要因素。研究冻结岩体在冲击作用下的能量耗散特性，并提供相应的爆破炸药单耗，能够进一步优化寒区爆破工程的施工工艺。为此，本文中，针对寒区典型分布的砂岩，采用室内SHPB 试验与理论分析相结合的方法，开展冻结砂岩的冲击动力性能及爆破破岩能量耗散特性研究；结合柱状炸药破岩能量分布的理论解析，构建冻结砂岩冲击及爆破破岩能量耗散等效的炸药单耗模型。