水分与冻融环境下岩石动态拉伸试验及细观分析

水分与冻融环境下岩石动态拉伸试验及细观分析
闻名;许金余;王鹏;刘石;方新宇;刘少赫
【摘要】利用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率及冻融环境下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件
破坏断口进行电镜扫描观察(SEM),立足于细观尺度分析断口形貌特征,并对断口裂
隙网络进行量化处理.试验结果表明:饱水、冻融循环处理均会削弱岩样的静动态拉
伸强度,其中动态拉伸强度表现出显著的应变率增强效应;基于动态拉伸强度定义软
化系数与抗冻系数,该软化系数随应变率的增长近似指数下降,而抗冻系数随应变率
的增长近似指数上升;红砂岩破坏断口细观形貌特征主要有3类,分别对应不同的宏观力学性质.以裂隙网络的面积作为损伤变量,探究动态劈拉破坏中的水-应变率效应、冻融-应变率效应对岩石内部损伤扩展的影响,并基于此分析了不同状态下红砂岩的动态劈裂破坏机理,对寒区岩体工程的建设、后期维护具有一定指导意义.%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.【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2017(036)020
【总页数】7页(P6-11,36)
【关键词】岩石力学;水岩相互作用;冻融;拉伸特性;细观结构;损伤量化
【作者】闻名;许金余;王鹏;刘石;方新宇;刘少赫
【作者单位】空军工程大学机场建筑工程系,西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,西安710038;西北工业大学力学与土木建筑学院,西安710072;空军工程大学机场建筑工程系,西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,西安710038
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
岩石的风化即在多种因素作用下，岩体出现破碎、疏松及矿物成分次生变化的现象，而水分及冻融循环是引起岩石风化的主要原因。

如在寒区，夏季的高温多雨、冬季的低温严寒，会使岩体工程承受水分及冻融循环作用的双重影响[1]。

与此同时，
岩石的抗拉强度远低于抗压强度，在受载时常发生拉伸破坏。

因此，探索岩石材料在不同含水率及冻融环境下的拉伸力学性能与破坏机理对岩体工程的建设、后期维护具有重大意义。

近年来，国内外学者以此为背景进行了大量研究。

在冻融条件下岩石的物理力学性质及损伤机理方面，张慧梅等[2]开展了砂岩、页岩在各种状态下的巴西圆盘试验，系统研究了岩性、水分及冻融循环作用对岩石抗拉力学特性的影响；Nicholson
等[3]对10种沉积岩进行冻融循环破坏试验，通过分析原生裂隙对岩石冻融破坏的影响，提出了4种冻融破坏模式；李杰林等[4]就冻融循环作用下岩石中孔隙的发
育和扩展特性，研究了同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构，为岩石冻融损伤机制研究提供了可靠的试验数据。

在不同含水率对岩石力学性质的影响方面，尤明庆等[5]对4种岩石的完整圆盘及不同内径圆环进行干燥和饱水状态下的
巴西劈裂试验，分析了饱水造成岩石拉伸强度降低的主要原因及巴西劈裂强度随圆环内径变化的规律；朱珍德等[6]对大理岩断裂断口进行微观电镜扫描，通过微观
数字图像试验，研究得出高水压高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理。

先前的研究重点多在岩石试件的静态性能[7]，而绝大多数岩体工程在其施工维护
使用周期内，均会承受诸如开挖扰动、工程爆破、地震等动力荷载的冲击作用[8]。

此外，微观结构作为一个重要的分析层面对揭示岩石破坏的微观机理具有重要作用，而当前有关岩石劈裂拉伸破坏的微观研究多为定性观测，定量研究较少。

本文对处于不同含水率及冻融环境下的砂岩试件进行静动态劈裂抗拉试验，研究得出不同状态下红砂岩试件的静动态劈裂抗拉性能，基于动态拉伸强度定义软化系数与抗冻系数，以分析岩样耐水性、抗冻性随应变率的变化规律。

立足于细观尺度，
借助SEM扫描电镜研究得出红砂岩劈裂拉伸断面的3种典型形貌，并对断口裂隙网络进行量化处理，以裂隙面积作为损伤变量，探究动态劈拉破坏中的水-应变率效应、冻融-应变率效应对岩石内部损伤扩展的影响，并基于此分析了不同状态下红砂岩的动态劈裂破坏机理。

1.1 岩样
试验用红砂岩取自云贵地区横断山脉某地下国防工程，呈红褐色。

经国土资源部西安矿产资源监测中心检测鉴定，其主要成分见表1。

SHPB动态劈裂抗拉试验采用直径为96 mm，高度为30 mm，中心角为20°的平台巴西圆盘试件[9]，静态劈裂抗拉强度试验采用Φ50 mm×25 mm的圆柱体试件。

为减少岩石非均质特性对试验结果造成影响，选用密度偏差在5%内的试件进行试验。

试验将岩样分为干燥状态、自然状态、饱水状态、冻融状态4组，每组有12个用于动态试验的平台巴西圆盘试件，3个用于静态试验的圆柱试件。

1.2 试验原理与设备
为使试验简单易行并避免出现不合理的破坏模式，Wang等[10]在圆盘加上两个互相平行的加载面，试样变成平台巴西圆盘，并按照A.A.Griffith的强度准则进行分析，得到中心角为20°的平台巴西圆盘试样的拉伸强度计算式
试验采用直径为100 mm的分离式SHPB装置，该装置主要由主体设备、能源系统、测试系统三大部分组成。

为解决弥散效应对试验结果造成的不利影响，采用厚度为1 mm的T2紫铜作为波形整形器，将原来陡峭上升的脉冲方形波修正成上升过程较为平缓的波形，增加了入射波上升时间，减少了入射波的高频振荡，保证了试验结果真实可靠。

1.3 饱水及冻融试验方案
(1) 将岩样置于干燥箱内，恒温干燥24 h，冷却至室温，称量质量；再次干燥24
h，冷却至室温，称量质量，当两次称量只差低于第二次称量的0.1%时，结束干燥，得到干燥试件。

而后使用沸煮法对饱水组与冻融组岩石试件进行饱和。

制备流程符合《DLT-5368—2007水电水利工程岩石试验规程》要求。

(2) 采用快冻法进行冻融试验，将饱水后的岩样放入全自动冻融试验箱中，设置温度为-20°，冻结4 h后，在+20°的水中融解4 h，如此反复10个周期。

(3) 采用SHPB装置与电液伺服压力试验机对各组试件进行静动态劈裂抗拉试验。

(4) 借助扫描电镜进行红砂岩的细观结构SEM试验。

2.1 静拉强度与物理参数变化
表2为试验用岩样在各状态下的物理参数与静态抗拉强度。

不难看出，岩样的干
燥强化作用显著，饱水及冻融循环均会造成强度损失，其中冻融循环造成的静拉强度衰减最为剧烈。

岩样的密度随含水率的增加而增加，而在经历冻融循环作用后，密度有所下降。

这主要是因为岩样表面局部颗粒剥落，造成质量损失，且当孔隙脆性介质冻结时，其孔隙内的水结成冰，产成约9%的体积膨胀，进而使岩样体积变大，密度减小。

岩样的开型孔隙率在冻融前后增加2.52%，总孔隙率增加2.04%。

由此说明，冻
融循环作用使岩样内部颗粒间的孔隙变大，裂纹萌生扩展，大量闭合孔隙相互连通，开型孔隙所占比例大幅提高，岩样内部更加疏松。

超声波作为一种载体，在经过材料时，会携带大量信息[11]。

它可以反应岩样内部性质变化与损伤扩展，对于同种岩石材料，内部致密程度越高，其纵波传播波速越快。

相对于自然状态岩样，干燥岩样纵波波速与之相差甚微，饱水岩样波速增加12.1%，冻融循环10次后，岩样波速降低16.1%。

这主要是因为波在水中的传播速度远大于空气，饱水岩样中的孔隙被水分充满，从而提高了波速；冻融循环作用增加了岩石内部疏松度，破坏了颗粒间的连接，同时岩样部分水分散失，内部存有少量气体，使波速受到损失。

2.2 动态拉伸应力时程曲线
图1为SHPB试验中各组岩样在不同应变率下的应力时程曲线。

从图1可以看出，不同状态下岩样的动态劈裂抗拉强度均随应变率的提高而增加，且达到峰值应力的时间减小；其中干燥岩样动态拉伸应力最大，达到峰值应力耗时最长，饱水岩样次之，冻融循环作用后岩样的动态拉伸应力损失最大，达到峰值应力与最终破坏的耗时最少。

这主要是因为，红砂岩试件具有水敏性，水分与砂岩内部的亲水矿物颗粒、胶结物质发生物理化学反应，降低了颗粒间的黏结力与摩擦力，从而造成拉伸应力损失。

冻融循环作用下，当孔隙脆性介质冻结时，孔隙内水冰相变将使试件膨胀，产生张应力，矿物颗粒收缩不一产生拉应力，造成微孔隙损伤，当孔隙冰融解时，张拉应力释放，水分在试件内部迁移，进而加剧了这种损伤。

同时，微裂纹的萌生扩展，增加了水-岩作用面，使岩样的拉伸应力相对于饱水岩样进一步衰减。

图2为砂岩试件动态拉伸试验中的典型破坏形态。

由图2可以看出，岩样的拉伸
破坏形态较为相似，贯穿的主裂纹具有极强的方向性，连接两加载平面，将受拉破坏的砂岩试件分成两部分，满足巴西圆盘劈裂拉伸试验的有效性。

2.3 动态拉伸软化系数与冻融系数
图3是不同状态下红砂岩动态拉伸应力与应变率的关系曲线。

将峰值应力与应变
率进行拟合，得到线性关系表达式为
式中：σD为干燥状态下动态劈裂强度；σS为饱水状态下动态劈裂强度；σF为冻
融状态下动态劈裂强度；为应变率。

软化系数与抗冻系数是表征岩石材料耐水性能、抗冻性能的重要参数，由单轴抗压强度定义，然而其却不能准确反映岩石材料在承受动态拉伸荷载时的性能，并且岩石作为一种脆性材料，抗拉强度远低于抗压强度，常常发生拉伸破坏。

为进一步探究红砂岩水-应变率效应，准确分析含水率对岩石性能的影响，基于动
态拉伸强度定义软化系数，以表征岩石在吸水前后，承受动态荷载时抗拉强度的变化，表达式为
取应变率范围10 s-1～30 s-1，步长0.2 s-1，共100个数据点代入式(5)，得到
软化系数散点图，并进行拟合，如图4所示。

由图4可以看出，动态拉伸软化系
数随应变率的增长呈指数关系下降，取值范围在0～1。

软化系数值越大，表明材
料在产生一定应变率的情况下的耐水性越好。

拟合关系式为
为准确反映岩石在冻融循环作用下抵抗动态拉伸荷载的能力，基于动态拉伸强度定义抗冻系数，以表征岩石在冻融前后，承受动态荷载时抗拉强度的变化，表达式为同理，取应变率范围10 s-1-30 s-1，步长0.2 s-1，共100个数据点代入式(7)，得到软化系数散点图，并进行拟合，如图5所示。

由图5可以看出，动态拉伸抗
冻系数与软化系数不同，随应变率的增长呈指数关系上升，取值范围在0～1。

抗
冻系数值越大，表明材料在产生一定应变率的情况下，抵抗冻融破坏的能力越强。

拟合关系式为
3.1 岩样破坏断口细观形貌
岩石在不同环境因素下表现出的众多力学性质与工程特性，与其内部微细观结构的形貌密切相关。

为深入分析红砂岩在不同状态下的拉伸破坏机理，对红砂岩试件断口进行SEM电镜扫描试验。

图6为岩样静态破坏断口的扫描电镜照片。

可以看出，红砂岩试件断口形貌特征
发生了显著变化，干燥与自然状态下，胶结物质紧紧围绕在颗粒周围，整齐致密，裂隙为闭合状态；饱水状态下，颗粒排列松散，有脱离胶结物质的趋势，裂隙扩展，相互连通；冻融作用后，损伤进一步加剧，部分矿物颗粒脱出胶结物质的连接，相互错动，裂隙大幅扩展，且多为连通孔隙。

红砂岩的细观破坏形态主要分为3类。

第一类为穿颗粒断裂，即断口的矿物颗粒
遭到破坏，多在干燥状态下出现，此时岩样整体性好，裂隙闭合度高，宏观状态下的物理力学性质良好；第二类为穿颗粒与沿颗粒的耦合断裂，即破坏同时发生在颗粒及其周围，多在饱水状态下出现，此时岩样受溶蚀作用与水解作用影响，水软现象明显，宏观物理力学性质有一定损失；第三类为沿颗粒断裂，多在冻融状态下出现，岩样经历反复的冻胀融缩后，细观结构疏松多孔，局部损伤连成裂缝，力学性能严重衰减，外观形貌也出现显著变化。

3.2 断口细观形貌量化分析
定量分析岩石细观结构特征参数，研究其与宏观物理力学性质的关系，可为进一步了解岩石的破坏机理提供依据。

Image-Pro Plus(IPP)是功能强大的图像采集、处理、增强和分析软件，具有异常丰富的测量和定制功能，而其在岩石材料细观分析领域还鲜有运用。

本次试验借助IPP软件，对SEM图片进行预处理，调整图片像素值，去除伪影等杂质点，得到细观结构的裂隙网络，图7为典型的裂隙网络图。

而后对试件破坏断口的裂隙网络进行量化处理，得到孔隙裂纹的相关数量信息见表3。

大量研究结果表明，超声波波速变化可作为岩石内部损伤情况的评定指标，然而其却不能用于分析岩石受荷后的损伤变化。

为研究岩石在水-应变率、冻融-应变率耦合作用下的内部损伤情况，依据拉波诺夫的方法，采用断口裂隙面积来定义损伤变量D[12]。

式中：A为初始横截面积；为受损后的损伤面积；Al为经历不同处理后的裂隙网
络面积均值；Ab为经历不同处理前的裂隙网络面积均值；A0为SEM照片的总面积。

当D=0时，对应于无损状态；当D=1时，对应于完全损伤状态；当0<D<1时，对应于不同程度的损伤状态。

设干燥状态下红砂岩为处理前岩样，裂隙网络面积Ab=558 μm2，又经计算取
A0=326 496 μm2。

对于饱水状态岩样，静态破坏时裂隙面积Al=1 037 μm2，由式(6)可得DS=14.7×10-4；同理，计算得到冻融损伤Df=14.8×10-4。

由表3不难发现，与静载相比，随着应变率的增加，裂隙面积均值呈上升趋势，岩样内损伤扩展。

为此引入应变率放大系数Kb，表征应变率对损伤造成的影响。

式中：D′为考虑应变率放大效应后的损伤；Ad为不同应变率下裂隙面积均值；As 为相应状态静载下的裂隙面积均值。

经计算得到损伤随应变率的变化曲线如图8。

岩石的损伤变量反映了岩石的损伤程度。

由裂隙网络图与损伤随应变率的变化分析可知，岩石在冻融循环作用后，其不同应变率下的损伤均较大，说明相对于饱水状态，冻融作用后的岩石在承受动荷载时，拉伸破坏更为严重；砂岩试件在低应变率下破坏时的内部损伤相对较小，随着应变率的升高，冻融条件下破坏时的内部损伤近似指数增长，饱水条件下破坏时内部损伤近似线性增长。

岩样破坏时内部损伤表现出显著应变率增强效应。

这主要是因为裂隙的萌生、扩展需要消耗能量，当应变率较低时，只有消耗能量小的裂隙可以萌生并最终形成贯穿主裂纹，而其它裂纹在材料达到临界变形时没有足够的能量供其生长，此时起作用的裂隙数目少，试件内部损伤值低，表现为临界应力值低，即拉伸强度低；随着应变率的升高，试件内部能量的积累达到更高水平，促使越来越多的裂隙萌生，参加到材料破坏的过程中，因而断口裂隙数量多且尺度大，试件内部损伤值高，表现为临界应力值升高，即高应变率下的高拉伸强度。

(1)与干燥岩样相比，饱水岩样波速增加12.1%，冻融循环10次后，波速降低16.1%；冻融作用前后岩样的开型孔隙率增长大于总孔隙率增长，说明大量闭合孔隙相互连通，砂岩内部更加疏松。

(2)岩样的静动态拉伸强度表现出干燥强化效应及饱水、冻融循环处理后的弱化效应，冻融循环后强度衰减更为剧烈；不同状态下砂岩的动态拉伸强度表现出显著地
应变率强化效应；基于动态拉伸强度定义软化系数与抗冻系数，该软化系数随应变率的增长近似指数下降，抗冻系数随应变率的增长近似指数上升。

(3) 红砂岩动态拉伸破坏细观形貌主要有3种类型。

第一类为穿颗粒断裂，多发生于干燥及自然岩样，对应的宏观强度值高；第二类为穿颗粒与沿颗粒的耦合断裂，多发生于饱水岩样，强度次之；第三类为沿颗粒断裂，多发生于冻融循环作用后的岩样，强度值相对较低。

(4) 量化处理破坏断口的细观裂隙网络，采用微裂隙面积定义损伤变量，结果表明，随着应变率的升高，饱水状态岩样损伤近似线性增长，冻融作用后损伤近似指数增长；岩样经历冻融循环后，动态拉伸破坏最为严重。

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