循环冲击荷载下红砂岩细观损伤演化及能耗特性研究.pdf

工程爆破 E N G I N E E R I N GB L A S T I N G 2 0 2 3年8月第2 9卷第4期E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):2 4-3 4文章编号:1 0 0 6-7 0 5 1(2 0 2 3)0 4-0 0 2 4-1 1收稿日期:2 0 2 2-1 0-3 0基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 7 4 1 8 7)作者简介:徐景龙(1 9 9 5-),男,硕士,从事岩土工程方面的研究。E-m a i l:1 3 0 6 5 7 5 6 6 1q q.c o m通信作者:郭连军(1 9 6 3-),男,博士,教授,从事岩土工程方面的研究。E-m a i l:g u o l j s u t.e d u.c n循环冲击荷载下红砂岩细观损伤演化及能耗特性研究徐景龙,郭连军,王军祥,王雪松,邓 丁(沈阳工业大学建筑与土木工程学院,沈阳1 1 0 8 7 0)摘 要:为研究循环冲击荷载下红砂岩的细观损伤演化规律和能耗特性,利用带有围压装置的分离式霍普金森压杆(S H P B)装置和核磁共振仪,对红砂岩试件进行不同冲击气压(0.6、0.7、0.8、0.9MP a)和围压(1、2MP a)条件下的循环冲击试验,对冲击后岩石孔隙度、T2谱曲线、核磁共振成像及能耗规律进行分析,同时提出一种新的损伤度计算方法。研究结果表明:总体上看,红砂岩孔隙度随循环冲击次数的增加呈指数增长趋势;前几次冲击孔隙度变化速率较缓,当冲击损伤累积到一定范围,岩石损伤加剧,表现为孔隙度增长幅度迅速增加;随着循环冲击次数的增加,T2谱曲线起止点向两端移动,新孔隙不断萌生,不同尺度孔隙相互转化,孔隙尺寸和数量明显增长,中型孔隙对孔隙度增长起重要作用;MR I成像显示,随着冲击次数的增加,中心区域明亮斑点由小而分散向大而聚集转变,伴随有明亮条纹出现;提出一种损伤度定义新方法,明确了未损伤和完全损伤2种极端状态;红砂岩累积损伤度与累积比能量吸收值呈指数增长关系,能时密度随冲击次数的增加呈现出先增大,后减小,再增大的趋势,此外,能时密度与损伤度变化值呈正线性关系。研究结果可为岩石破碎及岩体安全支护设计提供参考。关键词:冲击荷载;围压;核磁共振;T2谱曲线;损伤度中图分类号:TU 4 5;T D 2 3 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 2 0 0 3 5M e s o s c o p i cd a m a g e e v o l u t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r e ds a n d s t o n eu n d e r c y c l i c i m p a c t l o a dX UJ i n g-l o n g,G U OL i a n-j u n,WA N GJ u n-x i a n g,WA N GX u e-s o n g,D E N GD i n g(S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,S h e n y a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,S h e n y a n g1 1 0 8 7 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os t u d yt h em e s o s c o p i cd a m a g ee v o l u t i o nl a wa n de n e r g yc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr e ds a n d s t o n eu n d e rc y c l i c i m p a c t l o a d,S H P Bd e v i c ew i t hc o n f i n i n gp r e s s u r ed e v i c e a n dn u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e i n s t r u m e n tw e r eu s e d.C y c l i c i m p a c t t e s t sw e r ec a r r i e do u to nr e ds a n d s t o n es p e c i m e n su n d e rd i f f e r e n t i m p a c tp r e s s u r e(0.6MP a,0.7MP a,0.8MP a,0.9MP a)a n dc o n f i n i n gp r e s s u r e(1MP a,2MP a),a n d t h ep o r o s i t y,T2s p e c t r u mc u r v e,NMRi m a g i n ga n de n e r g yc o n s u m p t i o n l a wo f r o c ka f t e r i m p a c tw e r ea n a l y z e d.A t t h es a m e t i m e,an e w m e t h o df o r c a l c u l a t i n gt h ed a m a g ed e g r e e i sp r o p o s e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t,o nt h ew h o l e,t h ep o r o s i t yo fr e ds a n d s t o n e i n c r e a s e se x p o n e n t i a l l yw i t ht h e i n c r e a s eo fc y c l i c i m p a c t t i m e s.T h e c h a n g e r a t eo f p o r o s i t y i n t h e f i r s t s e v e r a l s h o c k s i s s l o w.W h e n t h e i m p a c t d a m a g e a c c u m u l a t e s t oac e r t a i nr a n g e,t h er o c kd a m a g ei n t e n s i f i e sa n dt h ep o r o s i t yi n c r e a s e sr a p i d l y.W i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fc y c l i ci m p a c t,t h es t a r t i n ga n de n d i n gp o i n t so fT2s p e c t r u mc u r v em o v et ob o t he n d s,a n dn e wp o r e sa r ec o n s t a n t l ys p r o u t e d.P o r e so f d i f f e r e n t s c a l e s t r a n s f o r mi n t oe a c ho t h e r,a n d t h e s i z e a n dn u m b e r o f p o r e s i n c r e a s e o b v i o u s l y.M e d i u m-s i z e dp o r e sp l a ya n i m p o r t a n t r o l e i np o r o s i t yg r o w t h.MR I i m a g i n gs h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo f t h en u m b e ro f i m p a c t,t h eb r i g h th t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4s p o t s i nt h ec e n t r a l r e g i o nc h a n g e df r o ms m a l la n ds c a t t e r e dt ol a r g ea n dc o n c e n t r a t e d,a c c o m p a n i e db yb r i g h ts t r i p e s.An e w m e t h o dt od e f i n et h ed e g r e eo fd a m a g ei sp r o p o s e d,a n dt w oe x t r e m es t a t e so fu n d a m a g e da n dc o m p l e t ed a m a g ea r ed e f i n e d.T h ec u m u l a t i v ed a m a g ed e g r e eo fr e ds a n d s t o n ei n c r e a s e se x p o n e n t i a l l y w i t ht h ec u m u l a t i v es p e c i f i ce n e r g ya b s o r p t i o nv a l u e,a n d t h e e n e r g y-h o u rd e n s i t y i n c r e a s e s f i r s t,t h e nd e c r e a s e s,a n d t h e n i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f i m p a c tt i m e s.I na d d i t i o n,t h ee n e r g y-h o u rd e n s i t yh a sap o s i t i v e l i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec h a n g ev a l u eo fd a m a g ed e g r e e.T h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c e f o r t h ed e s i g no f r o c kc r u s h i n ga n dr o c km a s ss a f e t ys u p p o r t.K e yw o r d s:i m p a c t l o a d i n g;c o n f i n i n gp r e s s u r e;n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e;T2s p e c t r u m;i n j u r yt o l e r a n c e 岩石材料内部存在大量微孔隙、微裂隙等初始缺陷,这些缺陷恰好是岩石类材料受到荷载作用时的薄弱环节1。在露天边坡开挖、矿山爆破、隧道掘进等需要多次爆破作业的工程中,岩体受到多次冲击荷载作用将会产生累计损伤,初始缺陷得到发育和扩展,进而导致岩体稳定性下降甚至失稳破坏2。因此,研究循环冲击荷载作用下岩石细观损伤演化规律,并对岩石损伤情况进行定量分析,对岩石破碎及岩体工程的安全施工有着重要意义。近年来国内外相关学者针对冻融循环3-4、循环冲击5-6等条件下的岩石细观损伤演化规律进行了一些研究,取得丰硕成果,但绝大多数研究仅针对岩石的力学特性、能耗规律、孔隙和裂隙的结构演化特征进行分析,缺少对岩石损伤程度的定量描 述。也 有 研 究 基 于 纵 波 波 速 定 义 损 伤 变量7-9,以探究岩石损伤演化过程,但此方法只是基于声波对岩石损伤程度的间接描述,难以从细观角度上直接反映岩石损伤情况。核磁共振技术1 0具有快速和无损测量的特点,可准确获得岩石孔隙率和孔径分布等细观损伤状况,在对岩石细观损伤的定量描述过程中具有明显的优势。因此,以孔隙度为损伤指标,研究循环冲击荷载作用下岩石的细观损伤演化与能耗规律十分必要。笔者通过分离式霍普金森压杆(S H P B)试验系统对红砂岩开展不同围压和不同应变率下的等幅动态循环冲击试验,结合核磁共振仪,研究不同围压和冲击气压条件下,岩石循环冲击过程中的力学性能和细观损伤演化规律,同时,选取孔隙度为损伤指标,提出一种损伤度定义新方法,探索循环冲击作用下红砂岩能耗特征与损伤程度之间的关联。1 试件制备与试验方案试验系统和设备包括带有围压装置的S H P B系统、Z Y B-I I型真空加压饱和装置和M a c r o MR 1 2-1 5 0 H-I型大口径核磁共振成像分析仪,具体试验装置及试验流程如图1所示。图1 试验装置及流程F i g.1 T e s td e v i c ea n dp r o c e s s1.1 S H P B试验系统试验选用的S H P B装置主要由压杆系统、围压系统、测量系统、以及数据采集处理系统组成。各杆件均保持弹性状态且高度同轴线,选用4 0C r钢作为杆材料,截面直径为5 0mm,其中入射杆长度为21 0 0mm,透射杆长度为18 0 0mm,子弹与杆件材料相同,弹性模量为2 1 0G P a,泊松比0.3,密度为78 0 0k g/m3。测量系统包括测速系统和压杆上的传感测量系统,激光测速法可以准确地测出撞击杆的入射速度,在入射杆和透射杆距离试件1 0 0mm的部位粘贴应变片,再由电桥连接至超动态应变测试仪,以此测出压杆中的应变。1.2 核磁共振成像分析仪核磁共振(NMR)技术通过检测岩石中水的氢(H)质子能量状态来表征岩石内部细观结构。未52第4期徐景龙,等:循环冲击荷载下红砂岩细观损伤演化及能耗特性研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):2 4-3 4施加磁场情况下,待测试件内部H质子极轴随机排列,施加主磁场B0后,H质子极轴按与磁场方向一致排列,随后施加9 0 射频脉冲使H质子共振翻转并吸收射频能量,待射频脉冲的作用结束后,H质子极轴的方向恢复到初始状态,同时将吸收的射频能量释放,产生的瞬态振荡电流由接收器接收以生成核磁 共 振 信 号,工 作 原 理 如 图2所示1 1。不同孔隙内含水量不同,释放能量的速率也存在差异,由此导致H质子由激发态恢复到常态的时间不同,即横向弛豫时间T2不同。图2 NMR工作原理F i g.2 P r i n c i p l eo fNMRw o r k基于核磁共振理论,横向弛豫速率为1 21T2=1T12+2SV+D(G TE)1 2(1)式中:1T12为流体弛豫时间;2为横向表面弛豫强度;S为孔隙表面积;V为孔隙体积;2SV为横向表面弛豫速率;D为扩散系数;为磁旋比;G为磁场梯度;TE为回声时间;D(G TE)1 2为扩散弛 豫速率。由于体积弛豫速率比面积慢得多,且扩散弛豫速率也可以忽略,故式(1)可简化为1T2=2SV(2)从式(2)可知,横向弛豫的速率可反映孔径信息,T2值越小,孔径越小,T2值越大,孔径越大。此外,T2值小于1 0m s可认为对应的是微小孔隙,1 01 0 0m s对应为中型孔隙,大于1 0 0m s为大型孔隙。试验选用M a c r o MR 1 2-1 5 0 H-I型大口径核磁共振成像分析仪,测试主要参数如表1所示。表1 NMR主要参数设置T a b l e 1 T h em a i np a r a m e t e rs e t t i n go fNMRTW/m sR G1/d bD R G1TDNE CHT E/m sN S30 0 02 039 0 00 2 0 1 50 0 00.34 注:TW为等待时间;R G1为模拟增益;TD为信号采集点;NE CH为回波数;T E为回波时间;N S为重复样本数。1.3 试件制备为减小离散性,所选红砂岩试样均取自同一块岩石,钻取直径为5 0mm,长径比为1的圆柱岩心,以减小端部效应和应力不均匀性。对试样两端面进行打磨处理,使其彼此光滑、平行,保证两横截面的不平行度和不垂直度小于0.0 2mm。为尽量排除离散性较大试件对试验产生干扰,试验前对试件的长度、直径、P波波速和孔隙度进行检测筛选,部分试件基本物理平均参数如表2所示,红砂岩部分试件如图3所示。表2 红砂岩试样基本物理平均参数T a b l e2 T h ea v e r a g ev a l u eo f t h eb a s i cp h y s i c a lp a r a m e t e r so f r e ds a n d s t o n es a m p l e s试样编号直径/mm长度/mm密度/(k gm-3)P波波速/(ms-1)孔隙度/%R 34 9.6 64 9.6 324 2 7.6 832 0 55.5 4R 44 9.7 94 9.5 024 3 0.1 432 8 14.2 2R 94 9.8 04 9.7 624 1 6.8 631 3 95.7 8R 1 04 9.7 24 9.8 223 6 5.7 929 9 25.3 0R 1 64 9.7 84 9.7 525 3 1.1 429 7 25.0 7R 2 04 9.8 34 8.9 824 8 2.7 130 5 85.2 9R 2 44 9.9 24 9.3 724 6 5.7 931 4 75.2 4图3 红砂岩试件F i g.3 R e ds a n d s t o n es p e c i m e n62工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.41.4 试验方案李地元等7对花岗岩进行了动态循环冲击试验,发现只有岩石试件处于一定动态荷载应力(约为岩石静态强度的6 0%以上)时,循环冲击才会对岩石内部产生明显损伤。为探究红砂岩在不同冲击气压及围压下的细观损伤演化及能耗变化规律,根据上述结论并结合预试验结果,选择0.6、0.7、0.8、0.9 MP a作为冲击气压,预设1、2 MP a作为围压。分别对红砂岩试样进行循环动态冲击试验,若在一次冲击后试件未破碎,则对试件进行核磁共振检测其孔隙度以表征内部损伤,待试件烘干后继续进行上述循环冲击试验,循环上述操作直至试件破碎。2 试验结果及分析围压在1、2 MP a时,冲击荷载为0.6、0.7、0.8、0.9MP a条件下分别进行了数次循环冲击试验直至试件破碎,由于篇幅限制,只列出部分试件的循环冲击及NMR试验结果(见表3)。表3 部分红砂岩试件循环冲击试验结果T a b l e3 E x p e r i m e n t a l r e s u l t so f s o m er e ds a n d s t o n es p e c i m e n su n d e r c y c l i c i m p a c t l o a d s试件编号冲击次数冲击气压/MP a围压/MP a平均应变率/s-1入射能/J动态峰值应力/MP a孔隙度/%R 30123456780.62-5.5 41 1 1.7 1 6 7 4.8 6 2 4 9.1 45.3 61 4 2.4 4 7 2 7.4 5 2 7 5.8 35.4 81 6 9.9 1 7 3 1.7 5 2 5 3.0 65.7 41 8 0.3 4 7 0 0.8 9 2 2 6.4 96.1 62 0 4.6 2 6 9 5.4 3 1 9 6.6 26.6 72 1 9.6 7 7 1 0.5 3 1 5 7.8 27.2 92 3 5.0 9 6 9 9.7 2 1 4 7.6 28.3 12 6 2.0 96 1 5.6 8 1 2 9.6 3-R 401234560.72-4.2 21 6 7.3 7 7 8 1.3 4 2 8 2.0 74.21 6 9.9 8 7 4 2.0 1 2 8 7.6 34.5 51 7 4.3 6 6 9 5.4 3 2 6 4.9 05.0 41 8 7.3 4 7 3 7.8 8 2 1 8.5 95.9 52 3 0.3 3 7 2 0.7 7 1 7 5.6 97.5 72 5 7.6 17 3 6.2 4 1 1 8.4 1-续表3试件编号冲击次数冲击气压/MP a围压/MP a平均应变率/s-1入射能/J动态峰值应力/MP a孔隙度/%R 1 6012345670.61-5.0 71 6 2.9 4 6 5 7.2 5 2 5 2.3 44.9 61 7 3.6 9 6 2 3.4 7 2 6 7.8 55.1 11 8 1.6 4 6 5 9.3 7 2 4 7.4 15.4 52 0 0.6 5 6 1 4.8 5 2 2 6.8 06.0 72 2 7.3 0 6 8 9.3 2 1 9 1.0 26.6 32 3 9.1 8 6 3 7.4 9 1 6 5.4 77.9 62 4 8.6 56 6 2.7 2 1 2 1.5 2-R 2 001234560.71-5.2 91 8 1.8 9 7 2 4.5 6 2 6 7.2 55.6 91 8 6.7 6 7 4 1.8 2 2 5 1.7 86.3 51 8 8.2 2 6 9 5.7 1 2 5 3.4 67.2 82 4 1.4 3 7 5 6.2 1 2 1 4.6 78.6 52 3 5.2 9 7 1 6.2 4 1 7 8.6 11 0.3 12 5 2.4 77 3 4.1 9 1 2 3.4 8-2.1 孔隙度与力学特性变化规律孔隙度为孔隙体积占总体积的百分比,代表了岩石内部空间不连续的整体情况,是对内部细观孔隙结构的定量化表征,对岩石的物理力学特性有着重要的影响,是研究不同围压及循环冲击荷载条件下,岩石细观损伤特性的关键和基础。由循环冲击荷载下红砂岩孔隙度随冲击次数的变化关系(见图4)可以看出,红砂岩孔隙度呈指数增长趋势。值得注意的是,当冲击荷载为0.6MP a时,无论是1MP a还是2MP a围压条件下,在第1次冲击后孔隙度都有着不同程度的降低,分别降低了2.1 7%和3.2 5%,这是因为冲击气压对试件的压密作用使岩石内孔隙更加密实,细观结构发生改变,围压的升高使这种压密效果更加明显。在0.6MP a冲击气压和1MP a围压条件下,前3次 冲 击 孔 隙 度 的 增 长 速 率 缓 慢,仅 增 长3.6%,占总增长率的6.3 2%,第4次冲击后损伤急剧增加,表现为孔隙度增长速率加快。随着围压增长到2MP a条件下,损伤加剧所需的冲击次数增加,表现为第5次冲击后孔隙度增长显著,这是由于冲击荷载作用在岩石表面会形成多次反射的拉伸应力波,驱使原有裂纹、孔隙发育扩展并产生新裂隙,使试件累积损伤逐步加剧,围压的升高可促使原有裂隙闭合,进而削弱了拉伸应力波对72第4期徐景龙,等:循环冲击荷载下红砂岩细观损伤演化及能耗特性研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):2 4-3 4试件内部的损伤作用,大大提高了试件抵抗冲击荷载的能力。0.7MP a冲击气压条件下也呈类似规律,但在0.8MP a和0.9MP a冲击气压条件下,由于所收集到的数据样本较少,此规律并不明显。此外,在相同围压条件下,随着冲击气压的增加,孔隙度增长速率逐渐变快,冲击气压的增大加快了损伤演化的进程。图4 循环冲击次数与孔隙度关系F i g.4 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc y c l i c i m p a c t t i m e sa n dp o r o s i t y平均应变率代表岩石在一定荷载水平下的变形率,循环冲击荷载下与孔隙度密切相关。由0.6MP a循环冲击气压和2MP a围压条件下,红砂岩孔隙度与平均应变率和峰值应力的关系(见图5)可以得到,平均应变率与孔隙度呈正相关关系,岩石孔隙度越大,表明内部缺陷越多,在冲击荷载的影响下就会有更多的孔隙发生微弹、塑性变形1 3。峰值应力随着孔隙度的增加逐渐减小,是因为循环冲击荷载使红砂岩内部累积损伤加剧,内部孔隙互联相通导致峰值应力持续降低。围 压由1MP a升至2MP a时,峰值应力和平均应变率随孔隙度的变化趋势均减缓,表明围压的存在提高了红砂岩的抗冲击能力,减缓了孔隙结构的演化速率。此外,红砂岩的峰值应力呈先升高后降低的趋势,这与上文 所 述 的 压 密 过 程 形 成 了 良 好 的对应。图5 孔隙度与峰值应力和平均应变率的关系F i g.5 T h er e l a t i o no fp o r o s i t yt op e a ks t r e s sa n da v e r a g es t r a i nr a t e2.2 T2谱曲线分析孔隙度的改变往往是由内部孔隙的数量及大小决定的,是对岩石内部细观结构的整体描述,仅由孔隙度这一指标难以掌握岩石材料内部的具体变化,因此,有必要通过T2谱分析以对岩石内部细观结构进行进一步分析,从而获取孔隙数目和大小的改变,以及冲击荷载下不同尺寸孔隙之间的转换情况。随着冲击荷载的循环冲击影响,各尺寸孔隙多尺度分布,呈现出动态变化的发展趋势。按T2值的不同可将孔隙划分为3部分,01 0m s为微型孔隙、1 01 0 0m s为中型孔隙、1 0 0m s以上为大型孔隙。对循环冲击荷载下T2谱(见图6)观察可知,从整体上看,红砂岩在循环冲击的过程中,T2谱曲线存在3个谱峰,分别对应了3种尺度的孔隙,谱峰之间连续性较好,此外,横向弛豫时间82工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4在0.110 0 0m s范围内连续分布,说明孔径跨度大,孔隙间连通性较好。随着循环冲击次数的增加,T2谱曲线的起始点左移,说明此过程中微小孔隙不断生成,T2谱曲线的终止点右移代表孔隙尺寸普遍增加,T2谱曲线峰值不断增大,孔隙数量增多,内部损伤逐渐累积。图6 循环冲击荷载下T2谱F i g.6 T2s p e c t r u mu n d e r c y c l i c i m p a c t l o a d对图6 a和图6 e分析可知,第1次冲击后,T2谱曲线第一个峰值略有增加,第二和第三峰值相对减小,说明此过程中冲击荷载对试件的压密作用使红砂岩内的中、大型孔隙向微小型孔隙转换。由图6 c和图6 f可以看出,由于第一、第二峰值的增加且向右移动,导致小、中型孔隙数量不断增加,且孔隙尺寸逐步增大,孔隙在冲击荷载的激活下得以发育,转变为大型孔隙,表现为第三峰值不断上升。同时,由图6 f 图6 h可以直观地发现,红砂岩初始T2谱曲线第二峰值并不明显,此谱峰范围内的中型孔隙数量较少,随着冲击次数的增加,第二峰值迅速增加,增长幅度远高于第一和第三峰值,中型孔隙数量急剧增长,结合循环冲击荷载下红砂岩孔隙度变化规律可知,此过程中,中型孔隙数量对红砂岩孔隙度的增加起重要作用。2.3 核磁共振成像分析NMR测试不仅可以通过获取孔隙度信息以实现对岩石细观损伤的定量分析,还可以通过核磁共振成像(MR I)直观地观察红砂岩在循环冲击作用下的细观损伤演化过程。通过检测岩石试样内部水的分布,形成二维图像,以观察内部细观结构分布,其中明亮区域代表了采集到的信号强度,信号强度与含水量密切相关。2MP a围压0.7MP a冲击气压循环冲击荷载条件下的核磁共振成像结果如图7所示。第1次冲击中心区域明亮度较低,明亮斑点小而分散,看起来较为模糊,表明内部含水量较少,循环冲击初始阶段孔隙发育水平较低。第2次冲击后,中心区域由灰暗转为明亮,直到第3次冲击后出现大而明亮的斑点,这一阶段微孔隙尺寸逐步增加,累积损伤加剧。第4次冲击后,亮点数量显著增加,逐渐形成明亮条纹,这说明岩石内部孔隙不断合并,形成大孔隙并产生微裂纹,直至第5次冲击后岩石内部结构产生大规模破坏,微裂纹发展密集,且裂纹长度也有逐渐增长趋势。值得注意的是,第1次冲击后的MR I成像中,边缘区域出现明亮的环状条纹,此区域并非岩石内部边缘存在大量孔隙,而是在成像过程中为防止水分蒸发,需用保鲜膜将试件包裹以锁住水分,部分水蒸气附着在保鲜膜上从而形成图中的环状明亮条纹。92第4期徐景龙,等:循环冲击荷载下红砂岩细观损伤演化及能耗特性研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):2 4-3 4图7 核磁共振成像F i g.7 N u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g3 循环冲击荷载下岩石损伤度与能耗分析3.1 损伤特性分析常规损伤变量的提出大多基于宏观试验检测手段,例如由声波检测仪测得冲击前后岩石试件的纵波波速,通过应力、应变等效假定和波动理论即可得到由纵波波速定义的损伤变量表达式1 4。但此方法只是对岩石损伤情况的间接描述,并不能从细观角度上反映岩石的损伤程度。孔隙度本身即从细观角度表征岩石损伤情况的一种度量参数,因此由孔隙度定义损伤变量,有利于更好地建立宏观力学特性与细观损伤演化规律的关系。有学者提出以孔隙度推导连续度,从而建立孔隙度与损伤变量的关系,损伤变量1 5及累计损伤1 6表达式如式(3)和式(4)所示。但此方法涉及无损状态和完全损伤状态两种极端情况的定义较为模糊,且循环冲击荷载下岩石孔隙度变化极小,由此计算 得 到 的 累 积 损 伤 度 与 声 波 法 所 求 相 差甚远1 4。D=1-=1-1-n1-n0(3)D累积=D1,(n=1)Dn-1(累积)+Dn(1-Dn-1(累积),(n 2)(4)式中:D为损伤度;为连续度;n为冲击后孔隙度;n0为冲击前孔隙度;Dn(累积)为n次冲击后的累积损伤度。岩石在循环冲击作用下,NMR测试只能获取初始状态至破坏前一次冲击期间的孔隙度,实际上,最后一次冲击导致岩石破碎,此时岩石也存在孔隙度,只是由常规实验手段难以对其进行测量。由图4可以清晰的看到,红砂岩孔隙度随冲击次数呈规律性上升趋势,故定义岩石初始状态的孔隙度为岩石无损状态,拟合出孔隙度随冲击次数的变化曲线,由此求出最终破坏时的假想孔隙度,并以此作为岩石完全损伤状态时的临界值,由此建立孔隙度与累积损伤变量之间的关系:Di(累积)=yi(x)-y0(x)yn(x)-y0(x)(5)式中:Di(累积)为第i次冲击后岩石的累积损伤,介于01,其中0代表未损伤状态,1代表完全损伤状态;yi(x)为第i次冲击后的孔隙度拟合值;y0(x)为初始状态的孔隙度拟合值;yn(x)为最后一次冲击后的孔隙度拟合值。R 3、R 4、R 1 6、R 2 0试件的孔隙度拟合方程为 y=5.1 6 79+0.1 9 25e0.3 9 99x R2=0.9 8 75(6)y=3.9 7 94+0.1 6 78e0.6 1 32x R2=0.9 6 23(7)y=4.8 0 4+0.1 4 37e0.5 1 47x R2=0.9 8 85(8)y=4.0 1 7+1.2 2 97e0.3 2 75x R2=0.9 8 89(9)由于0.8MP a和0.9MP a冲击气压条件下样本数据较少,故只分析0.6MP a和0.7MP a冲击气压条件下的累积损伤情况(见表4),基于连续度定义损伤变量的方法与基于孔隙度拟合的方法相比,破坏前一次冲击计算出的累积损伤度分别为0.0 3 4、0.0 3 6、0.0 3 4、0.0 5 6和0.6 5 6、0.5 2 9、0.5 8 64、0.6 7 52。前者由于未说明岩石完全损伤03工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4状态的具体定义标准导致计算出的累积损伤数值较小,而后者所采用的方法即以岩石无法进行动力学试验的状态为终止点,其破碎为数枚大块或粉碎性小块,导致承载力大大降低,此定义方法显然更适合用来描述工程中岩石的损伤情况。表4 不同方法定义岩石累积损伤T a b l e 4 D i f f e r e n tm e t h o d s t od e f i n ec u m u l a t i v er o c kd a m a g e试件编号冲击气压/MP a围压/MP a冲击次数连续度定义累积损伤孔隙度拟合定义累积损伤R 30.6210.0 0 20.0 2 120.0 0 30.0 5 230.0 0 60.0 9 940.0 1 10.1 6 850.0 1 60.2 7 260.0 2 30.4 2 670.0 3 40.6 5 6R 40.7210.0 0 20.0 2 220.0 0 40.0 6 230.0 0 90.1 3 740.0 1 90.2 7 550.0 3 60.5 2 9R 1 60.6110.0 1 20.0 1 920.0 0 280.0 5 130.0 0 640.1 0 340.0 1 30.1 9 250.0 1 90.3 3 960.0 3 40.5 8 6R 2 00.7110.0 0 420.0 6 320.0 1 20.1 5 130.0 2 20.2 7 240.0 3 70.4 4 150.0 5 60.6 7 53.2 能耗分析岩石在初始静态平衡状态下,受到外来动态能量体系的输入及激活,不断与外界交换能量,最终导致岩石损伤或破碎,从而达到一种新的静态平衡状态。由此可见,岩石破坏的过程就是新的能量平衡体系构建的过程,其中能量耗散是岩石破坏的本质属性1 7。为消除试件尺寸以探究循环冲击荷载下的能耗规律,提出累积比能量吸收值:=ni=1S E A(i)(1 0)S E A=WLVS(1 1)式中:S E A为比能量吸收值;WL为吸收能;VS为试件体积。岩石破坏所吸收的能量与其损伤规律密切相关,S H P B试验中,岩石试件在冲击过程中一般会发生弹性变形和微塑性变形,表现为孔隙度增加,岩石损伤程度加剧,其过程中需不断从入射波中吸收能量,这是一个不可逆的能量耗散过程。对累积损伤度随累积比能量吸收值变化(见图8)分析可知,红砂岩累积损伤度随累积比能量吸收值呈指数上升关系,随着冲击次数的增加,试件吸收的能量不断增加,表现为累积比能量吸收值增长速率不断增大,吸收的能量用于岩石内部细观孔隙、裂纹的发育扩