·146· 工程科学学报，第40卷，第2期 水面高于岩石上表面至少2cm.对于半饱和试样制 采用SHPB装置对砂岩试样进行动态加载，为 备，同样将试样进行真空饱水，饱水时间为1h,待抽 得到不同加载能量情况下岩石的力学特性，采用调 气结束后，采用保鲜膜对试样进行包裹，将包裹好的 节炮膛气缸气压的方式改变冲击入射能.试验以4 试样放置在密封盒内30d进行养护 种不同入射能分别对饱和系数为2.82%、53.61%、 试验前对所有岩石试样进行称重，通过式(1)~ 100%的砂岩试样进行冲击.为减小曲线的波动，对 (2)计算试样的含水状态.通过试验可得千燥、半饱 每种人射能所对应的不同饱和系数的岩石试样，采 和与饱和岩石试样的平均饱和系数分别为：2.82%、 取3次试验取中间值的方式. 53.61%、100%. 1.3.2核磁共振试验 m。-m×1009% 试验用上海纽迈电子科技有限公司生产的An- W= (1) m. iMR-150岩石核磁共振成像分析系统，对岩石进行 K= (2) 核磁共振分析.试验前先将岩石试样进行饱水处 Wsa 理，然后对SHPB试验的试样进行核磁共振扫描，根 式中：m为含水岩石试样质量，kg:m,为干燥岩石质 据扫描结果对岩石孔隙度和孔隙成像进行分析. 量，kg;w为岩石含水率；w.为岩石当前含水率；ω。 2冲击试验结果 为岩石饱和状态下的含水率：K为岩石饱和系数， 用来表征岩石含水状态 采用4种不同冲击气压分别对干燥、半饱和、饱 1.3试验方案 和状态砂岩试样进行冲击试验，试验结果见表1.从 1.3.1岩石冲击试验 表中可以看出，不同含水状态岩石的平均应变率E 试验所用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统杆 以及动态抗压强度σ。均随着冲击能量的增加而增 件直径50mm,入射杆长2.00m,透射杆长1.50m, 大.在同一冲击能量作用下，含水量越大的岩石试 材质为40Cr合金钢，其密度为7795kgm-3,弹性波 样平均应变率越大，而动态抗压强度σ越小.由 速为5410m·s-1.冲头采用可以消除P-C振荡的 此可知，试样对冲击能量变化所产生的动态响应较 “纺锤型”，能实现稳定的半正弦波加载，具有与杆 明显，较高冲击能量以及较大的含水量会增加岩石 件相同的材质，冲头最大直径为50mm【18-2 损伤 表1岩石动态试验结果 Table 1 Results of the dynamic test 干燥 半饱和 饱和 P/MPa 编号 8/s1 0/MPa 编号 g/s-1 /MPa 编号 E/s-1 /MPa 0.35 g-1 12.65 101.03 bb-1 20.45 96.94 b-1 25.30 89.67 0.40 g-2 18.28 126.58 bb-2 32.14 111.36 b-2 36.40 114.55 0.45 8-3 21.67 152.85 bb-3 36.57 142.72 b-3 38.95 126.49 0.50 84 23.17 168.13 bb-4 36.76 143.26 b-4 45.63 130.85 注：P为冲击气压，MPa 度的一个量值.从表2中可以看出，同一含水状态 3 岩石试样核磁共振试验结果分析 下的岩石试样的孔隙度变化率随着冲击能量的增加 3.1孔隙度分析 而增大，冲击气压从0.35MPa增加至0.5MPa后， 为减小岩石试样个体间的差异，对试样在冲击 干燥、半饱和以及饱和岩石芯样的孔隙度变化率增 试验前后的孔隙度进行对比，对于岩石在冲击前后 幅分别为：4.60%、5.04%和6.23%，不同含水状态 的孔隙度变化，见表2.定义孔隙度变化率δ.为 岩石试验的孔隙度变化率均有增幅，说明岩石试样 6n=乃-几 的损伤度与所受的冲击能量呈正比.在0.35MPa (3) n 的冲击气压下干燥岩石试验的孔隙度变化率仅有 式中：n,为岩石试样冲击之前的孔隙度；n为岩石试 2.21%,而饱和岩石芯样的孔隙度变化率则达到了 样冲击之后的孔隙度 10.35%.由此可见岩石损伤度与岩石的含水量亦 可将式(3)的计算结果作为衡量岩石试样损伤 呈正比.工程科学学报,第 40 卷,第 2 期 水面高于岩石上表面至少 2 cm. 对于半饱和试样制 备,同样将试样进行真空饱水,饱水时间为 1 h,待抽 气结束后,采用保鲜膜对试样进行包裹,将包裹好的 试样放置在密封盒内 30 d 进行养护. 试验前对所有岩石试样进行称重,通过式(1) ~ (2)计算试样的含水状态. 通过试验可得干燥、半饱 和与饱和岩石试样的平均饱和系数分别为:2郾 82% 、 53郾 61% 、100% . 棕 = mw - ms ms 伊 100% (1) K棕 = 棕c 棕sa (2) 式中:mw为含水岩石试样质量,kg;ms为干燥岩石质 量,kg;棕 为岩石含水率;棕c为岩石当前含水率;棕sa 为岩石饱和状态下的含水率;K棕为岩石饱和系数, 用来表征岩石含水状态. 1郾 3 试验方案 1郾 3郾 1 岩石冲击试验 试验所用分离式霍普金森压杆( SHPB)系统杆 件直径 50 mm,入射杆长 2郾 00 m, 透射杆长 1郾 50 m, 材质为 40Cr 合金钢,其密度为 7795 kg·m - 3 ,弹性波 速为 5410 m·s - 1 . 冲头采用可以消除 P鄄鄄 C 振荡的 “纺锤型冶,能实现稳定的半正弦波加载,具有与杆 件相同的材质,冲头最大直径为 50 mm [18鄄鄄21] . 采用 SHPB 装置对砂岩试样进行动态加载,为 得到不同加载能量情况下岩石的力学特性,采用调 节炮膛气缸气压的方式改变冲击入射能. 试验以 4 种不同入射能分别对饱和系数为 2郾 82% 、53郾 61% 、 100% 的砂岩试样进行冲击. 为减小曲线的波动,对 每种入射能所对应的不同饱和系数的岩石试样,采 取 3 次试验取中间值的方式. 1郾 3郾 2 核磁共振试验 试验用上海纽迈电子科技有限公司生产的 An鄄 iMR鄄鄄150 岩石核磁共振成像分析系统,对岩石进行 核磁共振分析. 试验前先将岩石试样进行饱水处 理,然后对 SHPB 试验的试样进行核磁共振扫描,根 据扫描结果对岩石孔隙度和孔隙成像进行分析. 2 冲击试验结果 采用 4 种不同冲击气压分别对干燥、半饱和、饱 和状态砂岩试样进行冲击试验,试验结果见表 1. 从 表中可以看出,不同含水状态岩石的平均应变率 着 · 以及动态抗压强度 滓cs均随着冲击能量的增加而增 大. 在同一冲击能量作用下,含水量越大的岩石试 样平均应变率 着 · 越大,而动态抗压强度 滓cs越小. 由 此可知,试样对冲击能量变化所产生的动态响应较 明显,较高冲击能量以及较大的含水量会增加岩石 损伤. 表 1 岩石动态试验结果 Table 1 Results of the dynamic test P/ MPa 干燥 半饱和 饱和 编号 着 · / s - 1 滓cs / MPa 编号 着 · / s - 1 滓cs / MPa 编号 着 · / s - 1 滓cs / MPa 0郾 35 g鄄鄄1 12郾 65 101郾 03 bb鄄鄄1 20郾 45 96郾 94 b鄄鄄1 25郾 30 89郾 67 0郾 40 g鄄鄄2 18郾 28 126郾 58 bb鄄鄄2 32郾 14 111郾 36 b鄄鄄2 36郾 40 114郾 55 0郾 45 g鄄鄄3 21郾 67 152郾 85 bb鄄鄄3 36郾 57 142郾 72 b鄄鄄3 38郾 95 126郾 49 0郾 50 g鄄鄄4 23郾 17 168郾 13 bb鄄鄄4 36郾 76 143郾 26 b鄄鄄4 45郾 63 130郾 85 注:P 为冲击气压,MPa. 3 岩石试样核磁共振试验结果分析 3郾 1 孔隙度分析 为减小岩石试样个体间的差异,对试样在冲击 试验前后的孔隙度进行对比,对于岩石在冲击前后 的孔隙度变化,见表 2. 定义孔隙度变化率 啄n为 啄n = nb - na nb (3) 式中:na为岩石试样冲击之前的孔隙度;nb为岩石试 样冲击之后的孔隙度. 可将式(3)的计算结果作为衡量岩石试样损伤 度的一个量值. 从表 2 中可以看出,同一含水状态 下的岩石试样的孔隙度变化率随着冲击能量的增加 而增大,冲击气压从 0郾 35 MPa 增加至 0郾 5 MPa 后, 干燥、半饱和以及饱和岩石芯样的孔隙度变化率增 幅分别为:4郾 60% 、5郾 04% 和 6郾 23% ,不同含水状态 岩石试验的孔隙度变化率均有增幅,说明岩石试样 的损伤度与所受的冲击能量呈正比. 在 0郾 35 MPa 的冲击气压下干燥岩石试验的孔隙度变化率仅有 2郾 21% ,而饱和岩石芯样的孔隙度变化率则达到了 10郾 35% . 由此可见岩石损伤度与岩石的含水量亦 呈正比. ·146·