弱膠結(jié)砂巖在沖擊荷載下的動(dòng)力學(xué)性能研究

陳 波 孫利輝

（1.96781部隊(duì)，陜西 寶雞 721000；2.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

隨著煤炭資源日益枯竭，其開采范圍越發(fā)偏向于西部地區(qū)和地下深部。著眼于西部地區(qū)特殊的地質(zhì)形態(tài)，在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)由該地區(qū)特有的層積環(huán)境而形成的特殊巖性（具有典型的弱膠結(jié)、易風(fēng)化、塑性變形大、各向異性強(qiáng)、強(qiáng)度低等力學(xué)特性）的巖石［1］逐步成為研究的重點(diǎn)，對(duì)于其性能的研究也越來(lái)越多［2-5］。

煤巖體作為地層中廣泛存在的一種材料，對(duì)其巖石靜力學(xué)性能的探索，國(guó)內(nèi)外學(xué)者早已做了大量的研究［6-11］。但在礦山開采過(guò)程中總離不開礦山的爆破、煤炭的運(yùn)輸、機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)等活動(dòng)影響。這些活動(dòng)與不可避免的地震運(yùn)動(dòng)等都可以看做是應(yīng)力波對(duì)沖擊礦壓的誘發(fā)作用［12］，可以認(rèn)為應(yīng)力波伴隨著整個(gè)采礦的開采過(guò)程［12-13］。沖擊地壓或爆破震動(dòng)產(chǎn)生的能量繼續(xù)對(duì)周圍巖體產(chǎn)生往外擴(kuò)散的應(yīng)力波，從而導(dǎo)致更大范圍內(nèi)的破壞或者圍巖松動(dòng)。特別是巖石材料在沖擊荷載下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)往往表現(xiàn)出與靜荷載下的力學(xué)響應(yīng)顯著不同的特性［14-24］，單一的靜載實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足研究學(xué)者對(duì)于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究需求。

大量的事實(shí)表明［25-26］，地質(zhì)與開采的條件隨著礦井的開采深度增加以及開采的難度加大而變的越來(lái)越復(fù)雜，強(qiáng)沖擊礦壓、塌方、冒頂、巷道的失穩(wěn)等等在原始的地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、開采的擾動(dòng)應(yīng)力之間相互耦合作用下時(shí)常作為動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)的安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展

為此，選取內(nèi)蒙古鄂爾多斯東勝煤田紅慶河煤礦副井-680 m處所采集的延安組粉砂巖進(jìn)行沖擊荷載實(shí)驗(yàn)，旨在研究西部弱膠結(jié)粉砂巖在沖擊荷載下所呈現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)特性。

1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的SHPB壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)所加工的弱膠結(jié)砂巖試樣的沖擊加載，研究沖擊荷載下該類巖石所表現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)特征。

（1）SHPB實(shí)驗(yàn)裝置由發(fā)射裝置、入射桿、透射桿、吸收桿、緩沖器以及數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄系統(tǒng)組成。巖石試塊置于輸入桿與輸出桿之間，入射桿、透射桿、子彈所用材料均為鋼材，彈性模量為206 GPa，密度為7 800 kg/m3。應(yīng)變片貼于入射桿與透射桿中間位置。本次實(shí)驗(yàn)采用400 mm子彈進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，采樣頻率設(shè)置為8 000 kHz，采樣長(zhǎng)度為15K，采樣延時(shí)設(shè)置為-2K。觸發(fā)電平為0.312 5 V，觸發(fā)方式選擇為上升沿內(nèi)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)選取4種加載能量，根據(jù)空氣炮產(chǎn)生的壓力，分別施加0.53 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa、0.60 MPa 4種加載能量，每組選取3塊試樣進(jìn)行，試樣編號(hào)及分組如表1。根據(jù)“三波法”或“二波法”得出試樣的全程動(dòng)態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，以及在不同加載作用下的力學(xué)參數(shù)，將動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行比較；對(duì)照組砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與之相同加載速率下破壞的試樣結(jié)果對(duì)照，總結(jié)出具有典型代表性的西部弱膠結(jié)砂巖的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度及破壞特征。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在中等應(yīng)變率102～104s-1范圍內(nèi)，分離式霍普金森壓桿（SHPB）是一種被普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用的測(cè)試技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)有2種：一是彈性桿中一維彈性波傳輸假設(shè)，二是試件的均勻變形假設(shè)。

如圖2所示，當(dāng)入射桿中入射脈波傳播到試件界面時(shí)，一部分入射波—拉伸應(yīng)力波的形式作為反射波發(fā)生反射，剩下的壓縮波作為透射波通過(guò)試件傳入輸出桿（透射桿）繼續(xù)傳播，透射波形的幅值與長(zhǎng)度取決于試樣本身材料的性質(zhì)。通過(guò)貼在入射桿和輸出桿的超動(dòng)態(tài)應(yīng)變片測(cè)得入射桿和輸出桿之間的應(yīng)力波隨時(shí)間變化的數(shù)值，從而直接測(cè)得入射波、反射波、透射波的應(yīng)變值。

1.3 弱膠結(jié)砂巖的試樣選取與制作

實(shí)驗(yàn)中選取內(nèi)蒙古紅慶河煤礦2#副井-680 m處常見(jiàn)的粉砂巖作為研究對(duì)象?，F(xiàn)場(chǎng)選取的粉砂巖為侏羅系延安組二段的粉砂巖，呈灰色、深灰色的粉粒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為泥質(zhì)膠結(jié)，顯微波狀層理或交錯(cuò)層理，呈條帶狀，含植物化石碎屑。

在進(jìn)行靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)ISRM推薦的實(shí)驗(yàn)方法，將試件打磨成?50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。針對(duì)SHPB實(shí)驗(yàn)，參照相關(guān)文獻(xiàn)［14］，將試樣打磨成長(zhǎng)徑比為0.5的試樣，即為?50 mm×25 mm。經(jīng)過(guò)取芯、切割、兩端斷面打磨的巖石試件，需保證其兩端平行度和軸線垂直度均小于0.02 mm，使其符合規(guī)范要求。

1.4 弱膠結(jié)砂巖基本物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)的測(cè)定

1.4.1 物理參數(shù)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中采用量積法測(cè)量其密度，采用非金屬超聲檢測(cè)分析儀測(cè)量縱波波速。試樣的基本物理參數(shù)如表2。

1.4.2 弱膠結(jié)巖石的力學(xué)參數(shù)

采用長(zhǎng)春市朝陽(yáng)儀器有限公司的GAW-2000型微機(jī)控制電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，加載方式為控制位移的加載方式，加載速率為0.2 mm/min，應(yīng)變率為3.3×10-5s-1。具體試樣物理、力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖3。

從表3可以看出，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度的最小值為 33.69 MPa，最大值為 43.59 MPa，強(qiáng)度值在30～60 MPa之間，屬于半堅(jiān)硬巖石。

1.4.3 試樣吸水性能

選取2塊巖石試樣進(jìn)行泡水實(shí)驗(yàn)。將試樣放在容器內(nèi)加水至剛沒(méi)過(guò)試樣的表面，每隔12 h觀察一次。在泡水12 h后第一次觀察時(shí)試樣就已經(jīng)平行節(jié)理方向破裂，如圖4。從圖中不難看出該巖石吸水性較強(qiáng)，遇水易崩解。內(nèi)部顆粒較細(xì)，多為泥質(zhì)膠結(jié)，屬于典型的西部地區(qū)弱膠結(jié)巖石。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)先對(duì)?50 mm的SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，求得標(biāo)定系數(shù)K=1.914 6×10-4。進(jìn)行標(biāo)定之后，找到應(yīng)變—電壓2種信號(hào)的換算關(guān)系，進(jìn)而將測(cè)量得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變信號(hào)，這樣方可利用“二波法”或者“三波法”對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到試樣的應(yīng)變率、應(yīng)變、應(yīng)力的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得到試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，從而可分析巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征。

2.1 不同沖擊荷載下的波形分析

根據(jù)標(biāo)定系數(shù)將入射、反射、透射波形對(duì)應(yīng)的電壓值換算成相應(yīng)的應(yīng)變值，得到波形—時(shí)間的變化曲線即入射波、反射波、透射波與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的曲線圖，分別做出se1-4系列的三波圖（圖5～圖8）。因se1-1數(shù)據(jù)的缺失，故在文中將此試樣數(shù)據(jù)除去。

由圖5～圖8不難看出，se1系列的加載速度為5 m/s時(shí)的入射平臺(tái)高度為0.000 6左右；se2系列由于加載速度較大，對(duì)應(yīng)的平臺(tái)高度也較高，平臺(tái)的應(yīng)變?yōu)?.000 8左右；se3系列中除了se3-3外，se3-1、se3-2的加載速度在7 m/s附近，相應(yīng)的入射應(yīng)變?yōu)?.000 7左右，介于se1系列與se2系列之間。由于se3-3的沖擊速度接近于se1系列，為5.09 m/s，其相應(yīng)的入射應(yīng)變的平臺(tái)高度也接近于se1系列，為0.000 58，數(shù)值上近似于0.000 6；同樣對(duì)于se4系列，除了se4-1的加載速度靠近8 m/s的數(shù)值范圍，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變平臺(tái)也非常近似于se2系列的數(shù)值，其平臺(tái)高度亦為0.000 81。對(duì)于se4-2和se4-3其加載的速度非常近似于se1系列，接近5 m/s，但是仍小于這個(gè)數(shù)值，故其入射平臺(tái)的應(yīng)變數(shù)值也稍低于se1中的2個(gè)系列的數(shù)值，均為0.000 52。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)做出巖石試樣的子彈的撞擊速度即加載速度與入射波平臺(tái)應(yīng)變的關(guān)系圖表，如圖9及表4所示。

通過(guò)圖9以及表4可知，隨著加載速度的增加，入射波的平臺(tái)應(yīng)變也隨之增加，入射波平臺(tái)的應(yīng)變值與加載速度之間的關(guān)系基本上可以用線性函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合。當(dāng)用指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合時(shí)，擬合函數(shù)為ε=0.000 3e0.1181υ，其擬合度R2=0.95，相關(guān)系數(shù)R=0.97。用線性函數(shù)來(lái)擬合時(shí)，其擬合函數(shù)為ε=8× 10-5υ+0.000 2，擬合度為R2=0.96，相關(guān)系數(shù)R=0.98。可見(jiàn)相比于指數(shù)擬合，描述入射波平臺(tái)的應(yīng)變值與加載速度之間的關(guān)系時(shí)，線性函數(shù)具有更好的代表性。

通過(guò)表5及圖10不難看出，應(yīng)變率隨加載速度的增加而變大。應(yīng)變率與加載速度存在一定的線性或指數(shù)關(guān)系。其指數(shù)關(guān)系也可用指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合，指數(shù)函數(shù)為=72.765e0.1158υ，擬合度R2=0.97，相關(guān)系數(shù)R=0.98；線性擬合關(guān)系的函數(shù)為=18.175υ+38.587，其擬合度為R2=0.97，相關(guān)系數(shù)R=0.98。對(duì)于應(yīng)變率與加載速度關(guān)系的數(shù)據(jù)擬合，從擬合度上來(lái)說(shuō)，二者非常相似，且接近與1，擬合度都比較好，故二者皆可用于描述弱膠結(jié)砂巖的應(yīng)變率與加載速度的函數(shù)關(guān)系。

由上述分析可知，不僅僅在加載速度與入射波的平臺(tái)應(yīng)變之間存在著相關(guān)關(guān)系，應(yīng)變率與加載速度之間也存在著一定的關(guān)系，故在應(yīng)變率與入射波的平臺(tái)應(yīng)變之間勢(shì)必會(huì)存在著一種內(nèi)在的聯(lián)系。為了確定應(yīng)變率與入射波平臺(tái)應(yīng)變之間的關(guān)系，特將應(yīng)變率為125.6 s-1、166.14 s-1、198.12 s-13種相差較大的應(yīng)變率下的入射波、反射波、透射波，分別與對(duì)應(yīng)時(shí)間關(guān)系的三波圖以及單獨(dú)的入射波圖；應(yīng)變率為分別125.6～131.79 s-1、166.14～198.12 s-1之間比較接近的入射波、反射波、透射波與時(shí)間關(guān)系的三波圖以及入射平臺(tái)應(yīng)變與應(yīng)變率之間的關(guān)系圖繪制出來(lái)，如圖11～圖15。從圖11～圖15可以看出隨著應(yīng)變率的增加，入射波的平臺(tái)應(yīng)變也隨之增加。針對(duì)二者之間所存在具體的關(guān)系，本文給出了二者之間3種不同的函數(shù)關(guān)系：指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)以及多項(xiàng)式函數(shù)。其中指數(shù)函數(shù)為ε=0.0003e0.0062ε.，擬合度為R2=0.89，相關(guān)系數(shù)R=0.94；線性函數(shù)為ε=4×10-6+2× 10-5，擬合度為R2=0.90，相關(guān)系數(shù)R=0.95；多項(xiàng)式函數(shù)為ε=5×10-93+2 × 10-62-4×10-4+0.0213，擬合度為R2=0.97，相關(guān)系數(shù)R=0.98。3種函數(shù)的擬合度都大于0.8，為高度擬合，但是根據(jù)擬合度的具體數(shù)值，三次多項(xiàng)式函數(shù)的R2值最大，其相比于另外兩種函數(shù)的擬合度更好一些。

對(duì)應(yīng)力波的作用時(shí)間和入射波的前沿上升時(shí)間而言，通過(guò)圖5～圖8、圖11～圖14以及表6可以看出除se4-1外，其他的沖擊波的作用時(shí)間都大于150μs，滿足試樣達(dá)到應(yīng)力平衡所需要的基本時(shí)間，且入射波的前沿上升時(shí)間都比較長(zhǎng)，大部分位于30～40μs之間。對(duì)于加載速度較大的se2系列以及se4-1，其他試樣的應(yīng)力波的作用時(shí)間去掉se4-2這個(gè)偶然之值外，其余的時(shí)間均大于180 μs。文獻(xiàn)［27，28］指出一個(gè)緩慢上升的入射脈沖，能夠減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的彌散效應(yīng)和慣性效應(yīng)，且要保證試樣達(dá)到應(yīng)變平衡，入射脈沖的作用時(shí)間一般為應(yīng)力波在試樣內(nèi)傳播時(shí)間的4～10倍，按照本實(shí)驗(yàn)所用弱膠結(jié)砂巖的試樣，入射脈沖作用的時(shí)間應(yīng)為22～73.5μs，從數(shù)值上來(lái)說(shuō)，上述試樣中加載應(yīng)力波的作用時(shí)間均大于73.5μs，表明試樣基本上均已在試樣完全破壞前達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)。

2.2 不同沖擊荷載下的強(qiáng)度特征分析

一般來(lái)說(shuō)巖石的承載強(qiáng)度隨加載速度的增加而提高，弱膠結(jié)砂巖也不例外。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，分別做出來(lái)了se1系列～se4系列在不同沖擊能量下的應(yīng)力—應(yīng)變圖以及相應(yīng)的試樣破壞圖（圖16～圖23）以及表7。不難看出應(yīng)變率越大的試樣，其峰值強(qiáng)度越大，破壞程度也越高。

從圖16 se1系列的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系中可以看出。不同于傳統(tǒng)的靜荷載的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，應(yīng)變率為130 s-1的弱膠結(jié)砂巖試樣在應(yīng)變較小時(shí)的應(yīng)力就已經(jīng)急劇上升25 MPa左右，接近該類巖石的靜荷載下的單軸抗壓強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度為33.69～43.56 MPa均值為39.08 MPa）的57%～74%，在高應(yīng)變率下的弱膠結(jié)粉砂巖的強(qiáng)度能夠接近其靜載下單軸抗壓強(qiáng)度。在接近單軸抗壓強(qiáng)度的77%后，巖石試樣在到達(dá)峰值應(yīng)力前的應(yīng)力隨應(yīng)變的增大上升的速度較加載初期有所減緩，當(dāng)其達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇下降，巖石試樣發(fā)生破壞。從圖17其破壞程度上來(lái)看，應(yīng)變率較大的se1-3較se1-2的破壞程度更高（試樣se1-1進(jìn)行沖擊時(shí)數(shù)據(jù)丟失）。

從圖18及圖19可以看出，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出“多峰”的狀態(tài)，se2系列中3塊試樣破壞后基本上都成為碎顆粒狀。對(duì)于se2系列的沖擊實(shí)驗(yàn)，由于其加載速度均大于8 m/s，接近se1系列加載速度的1.6倍，巖石的應(yīng)變率在此沖擊荷載作用下會(huì)更高，巖石的破壞程度也更為嚴(yán)重。且相比于se1系列的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其在加載瞬間的應(yīng)力就已經(jīng)超過(guò)其單軸抗壓強(qiáng)度，且有1個(gè)小的峰值，在小峰值后，應(yīng)力先下降然后再緩慢上升，最后經(jīng)過(guò)二或三次的上升下降，在達(dá)到最后一個(gè)峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾蛹眲∠陆?，試樣最終喪失承載力，以比較碎的顆粒形式破壞。

se3系列中se3-1與se3-2的加載速度基本上在7 m/s左右，介于se1系列與se2系列，而且其峰值強(qiáng)度和應(yīng)變率也介于兩者之間。se3-2的加載速度稍大于se1系列，從其應(yīng)力—應(yīng)變曲線上來(lái)看，也接近于se1系列的曲線關(guān)系，從圖20、圖16及圖18中不難看出，與se1系列和se2系列相比，se3系列中的3塊試樣在加載后應(yīng)力急劇上升的斜率，介于se1系列與se2系列之間?？v觀整個(gè)曲線的變化，其變化的規(guī)律基本上也接近于se1系列，應(yīng)力都呈現(xiàn)先急劇上升，然后再保持平穩(wěn)上升，最后在峰值應(yīng)力后，迅速喪失承載力，發(fā)生破壞。其破壞后的碎塊的粒徑從直觀上看較se1系列的要小，較se2系列的要大些。從表7不難看出，3塊試樣之間的峰值強(qiáng)度也基本上隨應(yīng)變率增加而增加，se3-3加載速度最小，為5.489 m/s。相應(yīng)的應(yīng)變率也最小，為125.6 s-1，其對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度48.17 MPa也是三者中的最小值。se3-2的加載速度最大，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率和峰值強(qiáng)度也是最大值。

參照se1系列、se2系列、se3系列的分析，se4系列中除se4-1試樣外se4-2與se4-3的加載速度均小于5 m/s，接近se1系列的加載速度，故其峰值強(qiáng)度和應(yīng)變率非常接近于se1系列（見(jiàn)表7）。從圖22可以看出其應(yīng)力—應(yīng)變曲線接近se1系列的曲線關(guān)系。稍有不同的是，由于se4-2與se4-3的加載速度略低于se1系列加載速度，其應(yīng)變急劇上升后的應(yīng)力—應(yīng)變曲線更加趨于平穩(wěn)。se4-1的加載速度與se2系列非常接近，其應(yīng)變率與峰值強(qiáng)度也接近于se2系列。但同se2系列的應(yīng)力—應(yīng)變曲線存在很大的區(qū)別。從圖22中可以看出se4-1的應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)閱畏迩€，加載初期應(yīng)力急劇上升至峰值后，應(yīng)力隨應(yīng)變下降，在此后一段時(shí)間內(nèi)仍有一定的承載力。對(duì)比圖18中應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系，se4-1與se2-3相似，與se2-2、se2-3的區(qū)別在于se2-1、se2-2均在應(yīng)力急劇上升后略有下降再緩慢上升之后達(dá)到峰值強(qiáng)度，在峰值后迅速喪失承載能力。se4-1與se2-3加載初就已達(dá)到峰值應(yīng)力，且峰值后的一段時(shí)間內(nèi)其承載能力仍然存在，最后達(dá)到一定的損傷后，試樣破壞。

綜合以上對(duì)se各系列的分析結(jié)果不難看出，沖擊荷載下的該類弱膠結(jié)粉砂巖的強(qiáng)度較其單軸抗壓強(qiáng)度具有大幅度的提升。且基本上在應(yīng)力波作用初期，應(yīng)力就已經(jīng)能夠達(dá)到其靜荷載時(shí)的峰值強(qiáng)度。此后應(yīng)力—應(yīng)變才開始緩慢上升，最后達(dá)到峰值強(qiáng)度。除se2-3、se4-1之外，其余試樣在峰值強(qiáng)度后基本上很快喪失其承載能力。沖擊的速度越大，沖擊能量越高，試樣的應(yīng)變率也就越大，對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度也就越高。故按照應(yīng)力上升的速率不同基本上可以將其高應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線大致分成3個(gè)階段：應(yīng)力驟升階段、應(yīng)力—應(yīng)變平緩上升階段、應(yīng)力陡然下降階段。在應(yīng)力驟升階段中，在應(yīng)變很小的時(shí)候，應(yīng)力就可以快速上升甚至超過(guò)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度。在此階段中，隨著壓縮波在試樣內(nèi)部的急劇傳播，在沖擊后入射桿上的應(yīng)力波快速傳播到與試樣接觸的界面后發(fā)生反射與透射，透射的壓縮應(yīng)力波在試樣內(nèi)短暫而急劇傳播，造成試樣在小應(yīng)變下的高應(yīng)力。本研究認(rèn)為在此階段內(nèi)試樣內(nèi)部的顆粒在短時(shí)間內(nèi)承受較大的力的作用時(shí)，由于其內(nèi)部膠結(jié)物較小，且多為粘性礦物，在短暫沖擊荷載下，其內(nèi)部空隙能夠瞬間縮小凝聚，承載力有很大的提高。在應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)入應(yīng)力—應(yīng)變平緩上升階段，其內(nèi)部的空隙基本上被粘性膠結(jié)物充填，試樣體積縮小，顆粒之間靠顆粒本身和膠結(jié)物開始共同承載，應(yīng)力—應(yīng)變基本上呈平穩(wěn)增長(zhǎng)狀態(tài)，逐漸達(dá)到其承載極限，到達(dá)峰值應(yīng)力；在峰值應(yīng)力后，試樣很快進(jìn)入到應(yīng)力陡然下降階段，此時(shí)經(jīng)過(guò)應(yīng)力波來(lái)回壓縮損傷后的試樣內(nèi)部膠結(jié)物之間的粘結(jié)基本上不復(fù)存在，顆粒本身也基本上喪失其承載力，試樣此時(shí)已完全喪失承載力，應(yīng)力迅速下降，試樣破壞。對(duì)于se2-3和se4-1所表現(xiàn)出的不同狀態(tài)，本研究認(rèn)為二者與se2-1、se2-2的“多峰”應(yīng)力曲線的原因基本一致，因?yàn)榇?塊試樣的應(yīng)變率都非常高，基本上都在180 s-1以上，在如此高的應(yīng)變率下，試樣內(nèi)部顆粒和顆粒之間的膠結(jié)呈現(xiàn)出更強(qiáng)的“硬化”性能，在試樣完全“硬化”之前，應(yīng)力波的快速傳播使得應(yīng)力到達(dá)第一次的峰值。在第一次峰值后，材料在高應(yīng)變率下繼續(xù)硬化，但此時(shí)傳播過(guò)來(lái)的應(yīng)力波經(jīng)衰減后，對(duì)更加硬化的試樣所造成的應(yīng)力有短暫的降低或保持其現(xiàn)有的應(yīng)力水平，應(yīng)變繼續(xù)增加。當(dāng)材料完全“高度硬化”后，試樣內(nèi)部開始共同承載，弱膠結(jié)砂巖此時(shí)經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力波傳播造成的損傷后，應(yīng)變?cè)黾虞^小的情況下，短暫的應(yīng)力—應(yīng)變平穩(wěn)增長(zhǎng)到達(dá)峰值。經(jīng)過(guò)峰值強(qiáng)度后，材料開始喪失其承載力。由于其硬化程度非常高，在喪失承載力的過(guò)程中也并不像其他幾塊試樣迅速，相比之下，其峰后的應(yīng)力下降坡度也相之較緩。

根據(jù)表7的數(shù)據(jù)做出不同應(yīng)變率下的峰值強(qiáng)度曲線和動(dòng)彈性模量曲線圖，如圖24～圖25。前面已經(jīng)指出應(yīng)變率與試樣的峰值強(qiáng)度存在一定的關(guān)系，故針對(duì)應(yīng)變率在128.993～198.12 s-1內(nèi)與峰值強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量的關(guān)系，均選用了2種常用的數(shù)學(xué)模型：指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)。對(duì)于峰值強(qiáng)度和應(yīng)變率之間的指數(shù)關(guān)系擬合函數(shù)為，其擬合相似度R2=0.89，相關(guān)系數(shù)R=0.94；其線性關(guān)系擬合函數(shù)為σ=0.454 9+8.309 4，擬合相似度R2=0.89，相關(guān)系數(shù)R=0.94。對(duì)于動(dòng)彈性模量與應(yīng)變率之間的關(guān)系，其指數(shù)擬合函數(shù)為Ed=1.415e0.0124ε。，擬合相似度R2=0.83，相關(guān)系數(shù)R=0.91；其線性關(guān)系擬合函數(shù)為Ed=0.135 2-10.661，擬合相似度R2=0.81，相關(guān)系數(shù)R=0.90。無(wú)論是應(yīng)變率與峰值強(qiáng)度的函數(shù)擬合，還是應(yīng)變率與動(dòng)彈性模量之間的函數(shù)擬合，從擬合度上來(lái)說(shuō)，2種函數(shù)關(guān)系的擬合度均大于0.8，且非常接近，屬于高度擬合。綜合前面的分析，筆者更傾向于用指數(shù)函數(shù)描述該類巖石應(yīng)變率與其動(dòng)荷載強(qiáng)度的關(guān)系。因?yàn)橥ㄟ^(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以看出弱膠結(jié)砂巖在高應(yīng)變率下會(huì)產(chǎn)生“硬化”現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)變率高于一定值時(shí)，其“硬化”的效果不是單一的與應(yīng)變率呈現(xiàn)線性關(guān)系，而更像是一種指數(shù)增長(zhǎng)型的“硬化模式”。此類粉砂巖的“應(yīng)變率效應(yīng)”非常明顯，在受到?jīng)_擊荷載時(shí)強(qiáng)度不僅能提高，而且提高值也非常大，最大提高值為49.94 MPa，為單軸抗壓均值的1.28，且與應(yīng)變率之間存在很好的指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。

文獻(xiàn)［21］中選取的為中部地區(qū)長(zhǎng)湘高速的砂巖，其單軸抗壓強(qiáng)度為109.55 MPa，其動(dòng)靜強(qiáng)度比在應(yīng)變率140 s-1時(shí)達(dá)到最大為1.8。文獻(xiàn)［22］中選取的為中部地區(qū)長(zhǎng)沙縣采石場(chǎng)砂巖，其單軸抗壓強(qiáng)度為126.37 MPa，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度為176.30 MPa。文獻(xiàn)［23］中選取的河南能源化工集團(tuán)車集煤礦2611工作面內(nèi)的粉砂巖，其單軸抗壓強(qiáng)度為90.18 MPa，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度最大為536.43 MPa、最小為214.58 MPa。盡管本研究中的砂巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度相比其單軸抗壓強(qiáng)度提升很高，最大動(dòng)、靜強(qiáng)度比為2.14，最大值為83.63 MPa，其動(dòng)荷載下的最大強(qiáng)度都不能達(dá)到中部地區(qū)砂巖靜荷載的強(qiáng)度?？梢?jiàn)相比于中東部地區(qū)的砂巖巖性，盡管西部地區(qū)弱膠結(jié)的砂巖強(qiáng)度能夠在沖擊荷載下有所提升，但其提高后的強(qiáng)度仍不能達(dá)到中東部的砂巖強(qiáng)度。在沖擊荷載作用下，弱膠結(jié)砂巖亦很容易發(fā)生破壞。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)其波形、強(qiáng)度特征2個(gè)方面對(duì)弱膠結(jié)的粉砂巖的分析，得出其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。應(yīng)力波在弱膠結(jié)砂巖試樣內(nèi)的傳播，基本上能夠在試樣破壞前達(dá)到內(nèi)部應(yīng)力平衡。入射波平臺(tái)高度與沖擊荷載大小有關(guān)，沖擊速度越大，平臺(tái)的高度也越高，相近的沖擊速度下的平臺(tái)高度值也相近。

（2）弱膠結(jié)砂巖在高沖擊荷載下具有極強(qiáng)的“應(yīng)變率效應(yīng)”。由于其本身強(qiáng)度較低（均值39.08 MPa），在高應(yīng)變率下的強(qiáng)度往往能夠提高數(shù)倍，最大值為83.63 MPa，為單軸抗壓強(qiáng)度的2.14倍，強(qiáng)度提高1.14倍。高應(yīng)變率下的峰值強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而提高，應(yīng)變率越高，峰值越大，試樣破碎的程度也越高。二者呈“指數(shù)”增長(zhǎng)或“線性增長(zhǎng)”的關(guān)系。其應(yīng)力—應(yīng)變曲線按照應(yīng)力的增速大致分為3個(gè)階段；應(yīng)力驟升階段、應(yīng)力—應(yīng)變平緩上升階段、應(yīng)力陡然下降階段。在更高應(yīng)變率下更容易出現(xiàn)“多峰”的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。巖石的強(qiáng)度較靜態(tài)抗壓實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度值有較大的提高。不能以單一的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度作為其在動(dòng)態(tài)破壞下的強(qiáng)度指標(biāo)。