1、第 5 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.1 2023 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb.2023 013024-1 王雁冰，张瑶瑶，聂俊文，等.冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(1)：013024.WANG Yanbing，ZHANG Yaoyao，NIE Junwen，et al.Mechanical properties of sandstone with holes under impact loadJ.Journal of Mining an
2、d Strata Control Engineering，2023，5(1)：013024.冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性 王雁冰1,2，张瑶瑶1，聂俊文1，刘家烨1 (1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)摘 要：通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验，探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果，首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律；其次进行能量分析，揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响；最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程
3、，探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明，含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样，降低幅度与孔洞直径密切相关，随着孔洞直径的增加，含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势；在相同入射能量的条件下，随着孔径的增大，反射能量比增大，透射能量比减小，能量耗散率线性增大；随着孔径的增大，承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多，试件的破碎块数也增多，且碎块尺寸减小。关键词：孔洞砂岩；SHPB；应力-应变曲线；破坏机制；能量分析 中图分类号：TD315；TU45 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)01-3024-11 Mechanical
4、 properties of sandstone with holes under impact load WANG Yanbing1,2，ZHANG Yaoyao1，NIE Junwen1，LIU Jiaye1(1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Beij
5、ing 100083，China)Abstract：The effect of hole size on the dynamic mechanical properties of sandstone is investigated by performing impact tests on sandstone specimens with holes using the split Hopkinson pressure bar device.Based on the test results，firstly，the influence of voids on the strength and
6、deformation characteristics of sandstone samples is analyzed，and the energy analysis is carried out to reveal that the reflection energy ratio，transmission energy ratio and energy dissipation ratio are affected by the pore size.Finally，the whole process of crack initiation，propagation，penetration an
7、d failure is recorded by a high-speed camera，and the crack propagation characteristics of sandstone with different pore sizes are discussed.The results show that the mechanical parameters(peak stress and peak strain)of porous sandstone samples are significantly lower than those of intact sandstone s
8、amples，but the decrease is closely related to the pore diameter.With the increase of pore diameter，the peak strength and peak strain of porous sandstone show a decreasing trend.Under the condition of the same incident energy，with the increase of the aperture，the reflection energy ratio increases，the
9、 transmission energy ratio decreases，and the energy dissipation rate increases linearly.With the increase of pore diameter，the number 收稿日期：2022-01-06 修回日期：2022-07-24 责任编辑：施红霞 基金项目：中国矿业大学(北京)越崎青年学者资助项目(800015Z11A24)作者简介：王雁冰(1987)，男，山东潍坊人，副教授，硕士生导师，博士后，主要从事岩土爆破等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.
10、20221212.001 王雁冰等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013024 013024-2 of broken pieces increases，and the size of fragments decreases，as well as the number of through cracks formed in the specimen subjected to impact loading.Key words：porous sandstone；SHPB；stress-strain curve；failure mechanism；energy analys
11、is 岩石作为天然的含有不同矿物组成和结构的土木工程材料，经过物理、化学、生物风化等作用，不仅产生了许多节理、裂隙，还产生了各种尺寸和形状的孔洞缺陷。在外荷载的作用下，岩体往往最先在其初始缺陷(如裂隙、孔洞)周围起裂、发展并贯通，最终发生损伤和破坏1。这些缺陷对岩石的力学性能存在一定的弱化效应，且发生的损伤过程伴随着能量的转换和消耗2。地下工程中经常使用的机械掘进法、钻爆法等开挖方式对开挖面周围岩石产生不可避免的扰动，围岩的力学特性随之发生改变。当动荷载作用于孔周时，由于孔洞结构的特殊性，拉应力集中现象容易在孔周发生，孔周的加载速率效应被放大，孔周裂隙随着动荷载的作用而产生，并贯通发展，逐渐演
12、化至失稳。这些裂缝的产生可能会导致安全事故的发生3。当动荷载作用于巷道时，巷道周围也会发生破坏，例如汶川地震发生后，55条隧道中有38条出现了大小不一的环向裂缝。因此，一方面可将本文的预制孔洞岩石冲击试验看作巷道的模型试验，通过孔周裂纹的起裂及发展来推测和模拟巷道在施工过程及地震时的变形效应；另一方面也可将孔洞看作岩石的初始损伤，研究动态冲击下含缺陷岩石受孔洞缺陷的影响。国内外研究人员已开展了诸多关于岩石动态力学参数试验的研究工作，戴兵4等进行了含孔洞岩石在静应力下的循环冲击试验，研究发现试件的峰值应力、弹性模量均随着冲击荷载作用次数的增加先增大后降低；AN H M5等对自制的红砂岩残积土试件
13、进行累积冲击试验，在相同冲击次数下，轴向压缩试件的峰值应力大于无轴向压缩试件的峰值应力，最终压缩应变低于无轴向压缩，表明轴向压缩影响试件的峰值应力和最终应变；杨圣奇6等利用岩石力学伺服试验机和岩石声发射仪对含孔洞裂隙砂岩进行单轴压缩试验，发现随着孔洞直径的增加，含单孔洞砂岩的峰值强度和峰值应变均呈衰减趋势，不对称分布的孔洞裂隙砂岩岩样的力学参数低于对称分布；KONG Xiangguo7等在不同轴向静荷载作用下，对含瓦斯煤体进行冲击动力学试验，研究发现应变率效应使动态特性在不同的加载条件下具有可比性；李地元8等利用含圆形和椭圆形2种形状的大理石试件使用SHPB进行冲击压缩试验，发现孔洞大小、形状
14、和空间位置对岩石的动态抗拉强度均有一定的影响；MALIK A9等采用改进的分离式Hopkinson压杆对不同轴向应力的砂岩进行了应力波传播试验，研究了岩石的动态应力-应变响应、力的平衡和动态强度对应变率的依赖性，得出了应力环境的变化直接影响应力波传播的规律；朱泉企10等利用DIC记录并分析了含椭圆形孔洞大理岩试件的变形过程，得出椭圆形孔洞试件的峰值强度以及起裂应力水平均随倾角的增大而增大，试件的最终破坏模式也与倾角密切相关；GONG Fengqiang11等对红砂岩试件进行了动态巴西圆盘试验，研究表明当入射能量小于临界能量时，试件在冲击后不发生断裂，当入射能量大于临界能量时，试件在冲击后会发生
15、断裂；李阳12等利用微机控制岩石剪切流变仪对含孔洞岩石进行双向压缩试验，得出试件的全应力-应变曲线分为4个阶段：试件内孔隙的闭合阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、应力迅速下跌阶段；AI Dihao13等利用具有垂直和水平层理的巴西圆盘煤样进行了不同速度的冲击试验，结果表明层理方向不仅对动态拉伸强度、应变率、应变能等动态力学性能有重要影响，而且对裂纹扩展路径也有较大影响；张天军14等采用含孔洞的自制试件，利用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律，发现加载速率的变化对含孔洞试件的力学特性有较大影响，并且含孔洞试件的破坏模式呈中心对称；LI Diyuan15等对含裂纹的矩形大理岩试件进行了
16、动态冲击试验，研究了裂纹角和韧带角对岩石动态力学性能、断裂行为和能量演化特性的影响，结果表明裂纹的几何形态对岩石的动态力学性质和破裂行为有较大的影响。目前对缺陷岩石中裂隙岩体的破坏机制研究较多，但鲜有对含孔洞岩石破坏机制的研究，且研究内容不够系统16。笔者以含不同大小横向贯通孔洞的砂岩为研究对象，使用SHPB装置进行冲击试验，分析了横向贯通孔洞大小对砂岩试件力学特性的影响规律，以 王雁冰等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013024 013024-3 高速相机作为试验的观测工具，记录并分析了试件的破坏过程。研究结果可为地下工程中开挖巷道时判断围岩的稳定性及破坏模式提供理论参考。1 试件制作及试验方案 1.1 试件制作 SHPB试验中试件的厚度通常为其直径的0.51.0倍，为了避免应力波的过多弥散，减少试件端面产生的摩擦效应及削弱试件受载后所受轴向惯性和径向惯性的影响，笔者将试件的厚度设定为50 mm，其长径比为11，即试件尺寸为50 mm 50 mm，在圆柱体试件的曲面中心垂直钻1个圆孔，孔洞直径分别为：0(完整无孔洞)，4，6，8，10，12 mm，图1为