关键词：
冻融循环
冲击载荷
动态Ⅰ型断裂韧度
裂纹扩展路径
断裂面粗糙度
摘要：
随着“一带一路”战略的贯彻落实,寒区和高海拔地区开展的岩体工程数量逐渐增多,规模逐渐增大,施工过程中岩体不仅会经历周期性的冻融循环作用,还会经受钻孔、爆破、微地震等冲击载荷作用。研究冻融循环后砂岩的动态断裂特征,可为寒区岩体工程优化爆破参数和稳定性分析提供科学依据。目前,针对冻融循环作用下岩石动力学的研究主要集中在动态抗压和抗拉性能,对冻融循环和冲击载荷共同作用下的岩石动态断裂力学特征的研究较少。选用NSCB砂岩试样作为研究对象,首先,采用钢制SHPB系统开展了冻融循环作用下砂岩动态Ⅰ型断裂试验,分析了冻融循环次数和冲击气压对砂岩动态Ⅰ型断裂力学参数的影响;其次,利用高速摄像系统拍摄了砂岩试样完整断裂过程,并引入分形理论对试样裂纹扩展路径进行分析;再次,结合SEM、NMR和三维激光扫描技术分析了冻融循环作用下砂岩微观形貌、孔径分布和断裂面粗糙度变化规律,最后,总结了砂岩冻融损伤机理、裂纹扩展模式和断裂破坏模式,并针对冻融循环后砂岩断裂力学特征的变化定义了冻融损伤因子。主要结论如下:
（1）采用超声波测速仪、NMR和SEM测试了砂岩试样在不同冻融循环次数后的纵波波速、孔隙率、T2谱曲线和微观形貌特征。结果表明,冻融循环作用下砂岩试样内部损伤随冻融循环次数的增大不断累积,纵波波速呈指数函数递减,孔隙率呈指数函数增加;纵波波速和孔隙率均在20次冻融循环后出现变化率下降的趋势;相较于冻融循环80次后的试样,未冻融试样平均纵波波速从2825m/s下降到2403m/s,下降了14.94%,平均孔隙率从5.06%增长到5.68%,增长了12.25%。NMR结果表明砂岩在不同冻融循环次数后的T2谱曲线均由主峰和次峰组成,随着冻融循环次数的增加,主峰和次峰均呈增大趋势,表明冻融循环导致砂岩内部孔洞数量增多、孔径增大,冻融循环80次后微孔、中孔和大孔的比例由78%、15%和7%变化为40%、42%和18%,微孔减少了48.72%,中孔和大孔分别增加了180%和157.14%。SEM结果表明,冻融循环会导致砂岩矿物颗粒间胶结发生不可逆的劣化,随着冻融循环次数的增加,矿物颗粒逐渐松散,裂纹汇聚并不断延伸,孔隙的数量和尺寸明显增加。此外,针对冻融过程中不同水冰相变的方式总结了两种冻结模式,二者交替主导了砂岩冻融循环损伤演化。
（2）采用高速摄像系统拍摄不同冻融循环次数后试样破碎模式,冻融循环0次、10次和20次,试样存在两种破碎模式,分别是破碎成两部分和破碎成三部分,随着冻融循环次数的增多,试样破碎后碎块数量增多。砂岩动态Ⅰ型断裂韧度随着加载率和冲击气压的增加而增大,随着冻融循环次数的增加而减小。加载率从21.70 GPa·m1/2s-1增加到62.08 GPa·m1/2s-1时,冻融循环80次后砂岩试样动态Ⅰ型断裂韧度从1.74 MPa·m1/2增大到3.55 MPa·m1/2,增加了104.02%。动态Ⅰ型断裂韧度随冻融损伤因子的增大而呈指数关系逐渐减小,波阻抗定义的冻融损伤因子可较好的描述砂岩试样的冻融损伤程度。砂岩断裂能与加载率呈正相关,加载率相同时,断裂能随冻融循环次数的增加整体呈下降趋势。31 GPa·m1/2s-1加载率条件下,相较于未冻融试样,经过60次和80次冻融循环后砂岩试样的断裂能分别降低了62.5%和84.3%。
（3）随着冻融循环次数的增多,砂岩试样裂纹呈现出不规则扩展的特征,扩展路径更加复杂,裂纹从相对平直变得弯曲;相同冻融循环次数下,随着冲击气压的增大,分形维数减小,裂纹扩展路径变得平直。根据裂纹扩展路径的不同总结了四种裂纹扩展模式,其中模式Ⅰ主要出现在冻融循环0次、10次和20次的试样中,模式Ⅱ主要出现在冻融循环40次的试样中,而模式Ⅲ和Ⅳ分别出现在冻融循环60次和80次的试样中。
（4）砂岩试样断裂面粗糙度表现出随着冻融循环次数增加而逐渐增大的趋势,与未冻融砂岩相比,80次冻融循环后试样PAP增大了147.59%。断裂面粗糙度与断裂能表现出良好的相关性,随着冻融循环次数增加,砂岩冻融损伤加剧,断裂所需的能量减小,断裂面形貌粗糙程度增加,PAP增大。砂岩试样断裂面微观形貌逐渐由平整断裂面存在细小孔洞转变为孔洞、裂纹贯通形成的冻融损伤贯通网络。增大冲击气压会导致晶粒更易破坏,砂岩破坏形式由沿晶向穿晶破坏转变,表现为裂纹扩展路径逐渐平直,分形维数和断裂面粗糙度减小。
图[47]表[4]参[105]
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