不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.01.014

摘要/Abstract

摘要：

为研究加载速率和冻融循环对砂岩动态劈裂特性的影响，对冻融0，25，50，75，100次的砂岩进行了静态和不同加载速率的动态劈裂试验，分析了冻融砂岩的静动态抗拉强度及冲击荷载作用下耗散能变化规律.研究结果表明：冻融砂岩的静动态抗拉强度、纵波波速、质量损失率均随冻融次数增加而劣化.随冻融次数、加载速率增加，动强度增加因子（DIF）不断增大，且砂岩冻融损伤越大，DIF随加载速率增加越明显.建立的基于冻融损伤和加载速率的动态抗拉强度预测模型可以很好地反映砂岩的强度变化.砂岩的冻融损伤越大，动态抗拉强度随加载速率的变化速率越快；冲击荷载作用下的耗散能随冻融次数增加而减小，随加载速率增加而增大.

关键词: 冻融循环, 加载速率, 损伤, 动态抗拉强度, 能量耗散

Abstract:

In order to study the effects of loading rate and freeze-thaw cycles on the dynamic splitting characteristics of sandstone，static and dynamic splitting tests with different loading rates were conducted on sandstone subjected to 0， 25， 50， 75 and 100 freeze-thaw cycles，and the static and dynamic tensile strength of freeze-thaw sandstone，as well as the change law of dissipation energy under impact load were discussed.The results show that the static and dynamic tensile strength，the P-wave velocity and the mass loss rate of freeze-thaw sandstone deteriorate with an increase in the number of freeze-thaws cycles.The dynamic strength increase factor（DIF）increases with the increase of freeze-thaw cycles and loading rate，and a higher degree of the freeze-thawing damage in sandstone results in a more significant increase in DIF with loading rate.The dynamic tensile strength prediction model based on freeze-thaw damage and loading rate can reflect the strength change of sandstone effectively.The greater the freeze-thaw damage of sandstone，the faster the change of dynamic tensile strength with loading rate.The dissipation energy under impact load decreases with the increase of freeze-thaw cycles and increases with higher loading rate.

Key words: freeze-thaw cycle, loading rate, damage, dynamic tensile strength, energy dissipation

中图分类号:

TU 452

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图/表 18

图1 冻融循环测试（a）—HDD全自动冻融机；（b）—冻融循环温度曲线.

Fig. 1 Freeze‐thaw cycle test

图2 静态力学加载装置

Fig. 2 Static mechanical loading device

图3 SHPB加载装置

Fig. 3 SHPB loading device

图4 波形平衡图

Fig. 4 Waveform balance diagram

图5 加载速率计算原理

Fig. 5 Calculation principle of loading rate

图6 冲击速度与加载速率的关系

Fig. 6 Relationship between impact velocity and loading rate

图7 静态条件下冻融砂岩的力学性能

Fig. 7 Mechanical properties of freeze‐thaw

图8 物理参数变化（a）—质量损失率；（b）—纵波波速；（c）—含水率.

Fig. 8 Physical parameters variation

图9 不同冲击速度下冻融砂岩的时间-应力曲线

Fig. 9 Time‐stress curves of freeze‐thaw sandstone

图10 冻融次数与动态抗拉强度的关系

Fig. 10 Relationship between number of freeze‐thaws and dynamic tensile strength

图11 冻融次数与动强度增加因子的关系

Fig. 11 Relationship between number of freeze‐thaws and dynamic strength increase factor

图12 动态劈裂破坏模式注： FT*-#，其中“*”表示冻融次数；“#”表示冲击速度，m/s.

Fig. 12 Dynamic splitting damage model

图13 基于纵波波速的冻融损伤因子变化规律

Fig. 13 Freeze‐thaw damage factor variation law based on P‐wave velocity

表1 经验方程拟合参数

Table 1 Fitting parameters of empirical equation

冻融次数	冻融损伤因子	$α$	$β$	拟合度 $R 2$
0	0	0.019	0.37	0.91
25	0.13	0.011	0.41	0.89
50	0.21	0.007	0.45	0.95
75	0.33	1.64×10^-4	0.78	0.99
100	0.40	5.89×10^-5	0.86	0.92

表1 经验方程拟合参数

Table 1 Fitting parameters of empirical equation

冻融次数	冻融损伤因子	$α$	$β$	拟合度 $R 2$
0	0	0.019	0.37	0.91
25	0.13	0.011	0.41	0.89
50	0.21	0.007	0.45	0.95
75	0.33	1.64×10^-4	0.78	0.99
100	0.40	5.89×10^-5	0.86	0.92

图14 不同加载速率下冻融砂岩的动强抗拉强度

Fig. 14 Dynamic tensile strength of freeze‐thaw sandstone at different loading rates

图15 耗散能演化曲线

Fig. 15 Evolution curves of dissipated energy

图16 冻融次数与耗散能的关系

Fig. 16 Relationship between number of freeze‐thaw and dissipated energy

图17 加载速率与耗散能的关系

Fig. 17 Relationship between loading rate and dissipated energy

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