褚夫蛟等：基于SHPB的不同含水状态砂岩动态响应 ·1785· 度中间值所对应的岩石试样的应力一应变曲线，如图3 2试样制备及静载试验 所示。 试验所用砂岩试样取自山东临沂莒南县的采石 120 60 场，岩石为棕红色，中、细粒砂状结构，质地均匀.试样 100 40 端面平整度及端面与轴线的垂直度均满足规范要求， 试样表面用肉眼观察无节理、裂隙和缺陷 80 0 2.1岩石干燥试验 60 干燥岩石本构 为取得良好的试验结果，仅考虑含水量这一单一 ·半饱和岩石本构 40 -·一饱和岩石本构 因素，减小或消除其他因素的影响，将所有试样放入烘 干燥岩石弹性 模量 箱，在108℃的温度下烘烤24h-0后，待岩石试样冷 -80 却后取出称重，得到所有岩石试样的干重 2.2岩石饱水试验 0.0010.0020.0030.0040.0050.0000 应变 采用真空抽气饱和试件的方法对岩石试样进行饱 图3不同饱和系数岩石试样单轴抗压强度的应力一应变曲线 水试验.饱水时饱和容器内的水面高于试件上表面， Fig.3 Stress-strain curves of rock samples with different saturation 真空压力表盘度数接近一个大气压值(0.1MP),对饱 coefficients 水试样抽气时间为6h,待抽气结束后，将饱水岩石试 样放置水中30d进行养护，养护过程中保证水面高于 从图3可以看出，随着岩石试样饱和系数的增加， 岩石上表面至少2cm.对于半饱和岩石试样制备，同 曲线峰值有明显降低的现象，主要是由于岩石含水后 样将试样进行真空饱水，饱水时间为1h,待抽气结束 被水软化，其抵抗破坏的能力降低.以干燥岩石试样 后，采用保鲜膜对试样进行包裹，如图2所示，将包裹 的应力一应变曲线为例，为研究其损伤破坏规律，计算 好的试样放置在密封盒内30d进行养护. 出曲线各点的斜率，即岩石弹性模量，根据应力一应变 全程曲线可将其变形破坏分为5个阶段，O一A段曲线 为岩石内部微裂隙、孔隙逐渐闭合阶段，在此阶段内， 岩石逐渐被压密，岩石的弹性模量呈逐渐增加趋势. 到达A点后，岩石的弹性模量增加到极大值，在到达B 点之前，岩石处于弹性压缩阶段，应力一应变曲线呈直 线状态，此阶段内，岩石弹性模量基本保持不变，维持 在40GPa左右.B一C段主要为岩石的塑性变形阶段， 试样内部微裂隙开始扩展，甚至出现新的破裂.但由 于试验所选用的岩石较坚硬、质地密实，因此此阶段岩 石弹性模量变化不大，有略微减小的趋势，塑性变形较 图2试样包裹养护 小.进入C-D段后，岩石内部微破裂的发展出现了质 Fig.2 Maintenance of sample package 的变化，由于破裂的出现，岩石内部容易出现应力集中 的现象，随着荷载的不断增加，裂隙也在不断发展，在 试验前对所有岩石试样进行称重，通过下式计算 某些薄弱的部位出现了破坏现象.此时岩石在受压的 试样的含水状态 情况下开始扩容，岩石弹性模量也在逐渐减小，到达D m。-m。 0= ×100%, (4) 点时，岩石的承载力达到最大.此后随着压缩的继续 m。 进行岩石内部结构会完全破坏，岩石承载力下降，但由 K-” (5) 于压缩仍在继续，岩石的应变会迅速增大，在此阶段， 04 岩石裂隙会继续发展直至成为宏观断裂面，继而伴随 式中：m.为含水岩石试样质量，m,为干燥岩石质量， 着断裂面出现块体滑移造成岩石芯样破坏，但岩石应 kg;仙为岩石含水率，①为岩石饱和状态下的含水率； 力不会降到零，说明岩石在破坏后仍具有一定的承 K为岩石饱和系数，用来表征岩石饱和状态 载力. 2.3岩石静载试验 通过以上试验，得到本次试验不同含水状态岩石 静载试验所用砂岩试样尺寸为50mm×100mm, 试样的主要物理力学参数的平均值，见表1. 采用SHT4206微机控制电液伺服试验机对岩石试样 从表中可以看出，含水岩石试样的抗压强度明显 进行加载，加载速度为50N·s.整理每组试验抗压强 低于干燥岩石.相比干燥岩石试样，半饱和、饱和岩石褚夫蛟等: 基于 SHPB 的不同含水状态砂岩动态响应 2 试样制备及静载试验 试验所用砂岩试样取自山东临沂莒南县的采石 场，岩石为棕红色，中、细粒砂状结构，质地均匀． 试样 端面平整度及端面与轴线的垂直度均满足规范要求， 试样表面用肉眼观察无节理、裂隙和缺陷． 2. 1 岩石干燥试验 为取得良好的试验结果，仅考虑含水量这一单一 因素，减小或消除其他因素的影响，将所有试样放入烘 箱，在 108 ℃的温度下烘烤 24 h［20--21］后，待岩石试样冷 却后取出称重，得到所有岩石试样的干重． 2. 2 岩石饱水试验 采用真空抽气饱和试件的方法对岩石试样进行饱 水试验． 饱水时饱和容器内的水面高于试件上表面， 真空压力表盘度数接近一个大气压值( 0. 1 MPa) ，对饱 水试样抽气时间为 6 h，待抽气结束后，将饱水岩石试 样放置水中 30 d 进行养护，养护过程中保证水面高于 岩石上表面至少 2 cm． 对于半饱和岩石试样制备，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，如图 2 所示，将包裹 好的试样放置在密封盒内 30 d 进行养护． 图 2 试样包裹养护 Fig． 2 Maintenance of sample package 试验前对所有岩石试样进行称重，通过下式计算 试样的含水状态． ω = mw － ms ms × 100% ， ( 4) Kω = ω ωsa ． ( 5) 式中: mw 为含水岩石试样质量，ms 为干燥岩石质量， kg; ω 为岩石含水率，ωsa为岩石饱和状态下的含水率; Kω为岩石饱和系数，用来表征岩石饱和状态． 2. 3 岩石静载试验 静载试验所用砂岩试样尺寸为 50 mm × 100 mm， 采用 SHT4206 微机控制电液伺服试验机对岩石试样 进行加载，加载速度为50 N·s － 1 ． 整理每组试验抗压强 度中间值所对应的岩石试样的应力--应变曲线，如图 3 所示． 图 3 不同饱和系数岩石试样单轴抗压强度的应力--应变曲线 Fig． 3 Stress--strain curves of rock samples with different saturation coefficients 从图 3 可以看出，随着岩石试样饱和系数的增加， 曲线峰值有明显降低的现象，主要是由于岩石含水后 被水软化，其抵抗破坏的能力降低． 以干燥岩石试样 的应力--应变曲线为例，为研究其损伤破坏规律，计算 出曲线各点的斜率，即岩石弹性模量，根据应力--应变 全程曲线可将其变形破坏分为 5 个阶段，O--A 段曲线 为岩石内部微裂隙、孔隙逐渐闭合阶段，在此阶段内， 岩石逐渐被压密，岩石的弹性模量呈逐渐增加趋势． 到达 A 点后，岩石的弹性模量增加到极大值，在到达 B 点之前，岩石处于弹性压缩阶段，应力--应变曲线呈直 线状态，此阶段内，岩石弹性模量基本保持不变，维持 在 40 GPa 左右． B--C 段主要为岩石的塑性变形阶段， 试样内部微裂隙开始扩展，甚至出现新的破裂． 但由 于试验所选用的岩石较坚硬、质地密实，因此此阶段岩 石弹性模量变化不大，有略微减小的趋势，塑性变形较 小． 进入 C--D 段后，岩石内部微破裂的发展出现了质 的变化，由于破裂的出现，岩石内部容易出现应力集中 的现象，随着荷载的不断增加，裂隙也在不断发展，在 某些薄弱的部位出现了破坏现象． 此时岩石在受压的 情况下开始扩容，岩石弹性模量也在逐渐减小，到达 D 点时，岩石的承载力达到最大． 此后随着压缩的继续 进行岩石内部结构会完全破坏，岩石承载力下降，但由 于压缩仍在继续，岩石的应变会迅速增大，在此阶段， 岩石裂隙会继续发展直至成为宏观断裂面，继而伴随 着断裂面出现块体滑移造成岩石芯样破坏，但岩石应 力不会降到零，说明岩石在破坏后仍具有一定的承 载力． 通过以上试验，得到本次试验不同含水状态岩石 试样的主要物理力学参数的平均值，见表 1． 从表中可以看出，含水岩石试样的抗压强度明显 低于干燥岩石． 相比干燥岩石试样，半饱和、饱和岩石 · 5871 ·