冻融循环与动态力学加载耦合作用对砂岩微观结构的影响

寒区冻融环境的长期作用会导致基岩上覆岩土工程完整性的破坏。对于饱水岩石，当其温度低于0℃时，孔隙水结冰会产生9%的体积膨胀，对孔隙壁产生冻胀压力，导致孔隙的发育和扩展；当环境温度升高时，冰融化成水进入孔隙，使矿物颗粒之间的粘结力减弱；循环的冻融作用会使岩石孔隙结构变化，力学性质劣化，进而导致岩石破裂。

当已受冻融作用的岩石处于额外的动态扰动(如爆破、机械破碎、地震滑坡)中时，了解此时岩石的力学行为极为重要。此外，岩石是一种包含节理、裂隙、孔隙等地质缺陷的复杂天然材料，这些地质缺陷也会影响岩石的力学、物理和化学特性。因此，研究岩石在冻融循环和动态加载作用下的孔隙结构劣化特征，对于揭示寒区岩石的损伤机理具有重要意义。

研究岩石冻融循环后孔隙结构变化的测试方法有：CT、核磁共振、扫描电镜和超声等。冻融循环条件下岩石微观孔隙结构的变化是导致岩石宏观力学特性变化的主要原因。当前大多数关于冻融循环条件下岩石力学行为的研究主要集中在静态力学方面，关于动态力学特性的研究较少。实际冻融岩石的动力学强度特性与静态加载测试有很大差异。

本文对砂岩样本进行了一系列冻融循环处理，利用核磁共振测试了岩石的微观结构变化，对冻融前后岩石的质量、孔隙度和T2分布进行了分析；之后通过分离式霍普金森压杆系统对于样本进行了动态加载试验，得到了砂岩动力学参数随冻融循环的变化，研究了冻融循环过程岩石孔隙结构和动力学特性演化。

实验主要分为三个部分：冻融循环处理、核磁共振测试和动态力学加载。具体的实验平台如图1所示。

图1 实验平台示意

冻融循环处理：采用TDS-300型冻融机，根据岩石取样地区的实际环境温度，将岩石在-30℃下冻4h，在20℃融4h，即每个冻融循环为8h，每20次冻融循环作为一个测量循环，将样本取出称重，并记录岩样的表观变化。冻融140次后实验结束。

核磁共振测试：核磁共振可测量岩样的孔隙度、自由流体指数、孔径分布、横向弛豫时间T2分布等参数，广泛应用于岩石孔隙结构的研究。

本文通过苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的MacroMR12-150H-I型核磁分析仪对岩样的微观孔隙结构变化进行测试。在冻融前对样本进行初始状态核磁测试，然后每冻融20次后从冻融机中取出样本，擦拭掉表面水分之后再次进行核磁共振测试，从而得到整个冻融过程砂岩的微观孔隙结构变化。

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验：将岩样在核磁测试后进行动力学加载。采用0.45MPa压力发射气枪，动载荷采用半正弦波加载。冻融后砂岩的动力学参数数据通过连接在输入和输出杆的应变仪、GS10超动态信号调节器和DL750数字示波器采集。

岩样为黄砂岩，砂体胶结组成，取自中国甘肃省甘南地区，实验前仔细检查了样本的均匀性和完整性。根据岩石动力学实验要求，将岩石加工成直径50mm*高度50mm，高径比为1:1的圆柱形样本。样本的基本力学参数见表1。

表1 砂岩的基本力学参数