高溫作用后2種層理砂巖的動態力學試驗及細觀分析

顧 超，許金余,2，孟博旭，聞 名，婁傳鑫

(1.空軍工程大學 機場建筑工程系，陜西 西安 710038; 2.西北工業大學 力學與土木建筑學院，陜西 西安 710072)

隨著我國油田、煤礦、地熱能等開發力度不斷加大，深部地質環境下施工不斷增多，高溫后巖石性質的改變成為研究熱點。巖石是一種由復雜成分組成的固態集合體，因形成于不同的物質環境，其內部含有不同的礦物、節理、裂隙和層理等結構面，導致其性質較為復雜[1]。紅砂巖具有不同的層理構造，主要有粒狀碎屑和泥狀膠結2種形式的結構，受荷載作用后，其破壞特征和力學特性表現為明顯的各向異性，高溫作用后，砂巖內部結構會發生很大改變[2-4]，其物理力學特性更加復雜，直接影響到巖體工程的安全性，以往高溫作用后各向同性巖石的研究成果難以滿足工程實際需求。

大量學者對高溫作用后巖石的物理特性進行了有針對性的研究:RUTQVIST J等[5]研究了巖石在溫度、水和力學耦合作用下的各種力學特性如斷裂特性、強度特性等與4種不同數值模型預測的比較。HAIPAL M[6]研究了來自德國和匈牙利的歷史古跡砂巖經熱處理后的物理特性。TIEN等[7]通過對不同層理的試件進行靜態壓力試驗，提出了各向異性巖石的破壞準則。蘇海健等[8]采用巴西劈裂抗拉強度試驗研究了溫度和尺寸對巖石抗拉強度的影響規律，提出了紅砂巖在不同溫度下的抗拉強度與圓盤厚徑比的線性衰減經驗公式。吳剛等[9]研究了在常溫及經歷100～1 200 ℃溫度作用后的力學特性，指出溫度會使焦作砂巖產生熱應力，改變其礦物成分和微結構，導致砂巖的力學特性發生改變。徐賠等[10]研究了高溫及裂隙傾角對巖體力學性能的影響并對比白砂巖實驗結果，建立了巖石高溫受荷損傷方程。李慶森等[11]利用單軸壓縮試驗研究分析了不同溫度作用后節理砂巖的物理力學性質，在壓縮過程中利用聲發射儀器實時監測巖石的聲發射分布特征，研究了不同溫度對變形破壞機理的影響規律。劉石等[12]利用單軸壓縮試驗研究了不同溫度作用后大理巖的縱波波速、抗壓強度、破壞形態以及損傷特性隨溫度的變化規律。翟松韜等[13]對不同溫度下及高溫作用后的喜馬拉雅山鹽巖進行單軸壓縮試驗，分析了一些力學參數的變化規律如峰值應力、峰值應變和彈性模量，著重研究了其應力-應變曲線在高溫下的特殊性。張傳虎等[14]采用YNS2000微機控制電液伺服試驗機對特殊地區花崗巖進行壓剪試驗、單軸壓縮試驗，研究了不同溫度作用后其物理力學特性的變化規律。戎虎仁等[15]進行了8種不同溫度后紅砂巖單軸壓縮的試驗，指出隨著溫度升高，紅砂巖的峰值強度呈先降低后上升再下降趨勢，峰值應變逐漸上升，彈性模量先增大后減小。

基于以上學者研究發現，目前對層理巖石在高溫作用后的各向異性及其動態力學特性的研究較少。筆者利用φ100 mm SHPB試驗系統，對高溫作用后的層理砂巖進行5種彈速的沖擊試驗，分析了其主要的動力學參數如應變率、動態壓縮峰值強度、動態壓縮峰值應變、動態壓縮變形模量等。借助SEM電鏡掃描顯微鏡，對3組溫度等級下最低與最高應變的層理砂巖試件進行破壞斷口形貌與能耗分析，并對提取出的微裂縫進行數值分析。試驗所得結論對高溫環境下層理砂巖的理論研究和工程實踐具有一定的參考意義。

1 試驗概述

1.1 試樣制備

巖樣采用紅砂巖，取自某橫斷山脈地下國防工程。本試驗依據《GBT 50266—2013工程巖體試驗方法標準》[16]和國際巖石力學學會(ISRM)建議，采用φ96 mm×48 mm的圓盤試件。為研究層理砂巖在2個方向上的物理力學特性的各向異性，先期根據紅砂巖原始層理，將巖石加工為平行層理面與垂直層理2種巖樣,如圖1所示?？紤]巖石非均質特性對巖石性質的影響，試驗巖樣中密度偏差均低于5%，以盡量減少巖石自身對試驗結果準確性的影響。

圖1 2種層理巖樣Fig.1 Two kinds of stratified samples

1.2 試驗方案

試驗整體共分為2步:第1步是巖樣加溫，第2步是動態壓縮試驗。巖樣加溫過程:采用RX3-20-12型箱式電阻爐加熱巖樣，設置加溫速率為10 ℃/min，達到預設溫度后恒溫3 h，關閉儀器使巖樣在爐膛內冷卻至室溫，將取出后的巖樣用于動態壓縮試驗。巖樣動態壓縮試驗過程:試驗采用沖擊裝置為直徑100 mm的分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB)，其打擊桿長0.5 m，彈性模量210 GPa，泊松比為0.25～0.30，密度為7.85 g/cm3，實測波速5 200 m/s，按預設彈速將巖樣進行動態壓縮試驗。

動態試驗中存在一定的波動特征，經過多次反復試打，發現溫度區間過密，對試驗結果影響較小，且為控制試樣數量，保證試驗結果可靠，綜合分析后設置3個溫度等級:25，400，800 ℃;設置5個彈速等級:11,12,13,14,15 m/s。每組巖石不少于7個試樣，將得到的試驗結果進行處理后取均值，具體試驗方案見表1。

2 試驗結果及分析

2.1 巖樣經過不同溫度后的物相分析

經原國土資源部西安礦產資源檢測中心檢測，得到該巖樣3種溫度后的主要礦物成分見表2。表中含量僅保留3位有效數字。

表1 沖擊試驗方案
Table 1 Impact compression test scheme

層理方向溫度等級/℃沖擊彈速/(m·s-1)平行層理25,400,80011,12,13,14,15垂直層理25,400,80011,12,13,14,15

表2 砂巖礦物成分
Table 2 Components of sandstone

溫度/℃含量/%石英鉀長石伊利石白云石滑石方解石透輝石2548.628.411.16.02.92.50.540047.929.09.05.71.82.14.580046.832.11.54.100.415.1

由表2可知，常溫和400 ℃條件下，巖樣的主要礦物成分相同，即為石英、鉀長石、伊利石，含量較少的填隙物有白云石、滑石、方解石;800 ℃條件下，巖樣的主要礦物成分為石英、鉀長石、透輝石，含量較少的填隙物有白云石、伊利石。不難發現，400 ℃作用后巖石內部的物質成份變化較少，一旦溫度達到800 ℃，巖石的物質成份變化十分明顯[17]，這對巖石的宏觀物理力學性質與微觀結構均會造成一定影響。

2.2 巖樣經過不同溫度后的表觀變化

不同溫度作用后砂巖試件的表觀形態如圖2所示。由圖2可知，在常溫下2種層理砂巖整體呈淡褐色，表面光滑致密無裂縫，層理均勻。當溫度達到400 ℃時，砂巖顏色變深，整體呈褐色，表面沒有明顯裂隙。當溫度達到800 ℃時，巖樣顏色呈桃紅色，表面出現明顯裂隙，整體性較差，出現缺陷，層理模糊，且質地變脆。800 ℃作用后平行層理巖樣在側面中部出現一條裂隙，垂直層理巖樣在側面出現多條裂紋，長度較短，但寬度較大，裂紋發展明顯?；趫D2與表2分析，800 ℃作用后巖樣組分發生明顯變化，導致其物理特性出現一定程度的變化[18]，其中透輝石含量大幅度提高，透輝石有明顯光澤，這是800 ℃作用后巖樣顏色變暖，色調變亮的主要原因。并且，相較于垂直層理，平行層理巖樣穩定性更好。

2.3 層理砂巖沖擊壓縮全應力-應變曲線

試驗得到了不同高溫作用后層理砂巖的動態壓縮全應力-應變曲線，如圖3所示，圖中字母H，V分別為水平層理和垂直層理;25，400，800為溫度,℃;11，12，13，14，15為沖擊彈速,m/s;例如H-400-13表示400 ℃作用后平行層理砂巖在沖擊彈速為13 m/s下的應力-應變曲線。由圖3可知，曲線大致可分為4個階段。以800 ℃作用后垂直層理砂巖在沖擊彈速為11 m/s下的應力-應變曲線為例，第1階段為非線性壓密階段OA，在沖擊壓力作用下，存在于巖石內的天然缺陷(微裂紋、孔隙等)閉合，試件剛度增大。第2階段為線彈性階段AB，應力與應變成正比，試件剛度為常數。第3階段為微裂縫穩定擴展階段BC，過B點以后，在巖石內的原生裂紋端部或巖石內部微缺陷處，發生局部應力集中或裂隙面的剪切運動，導致裂紋沿原有方向穩定發展。第4階段為非彈性變形階段CD。巖石的應力達到屈服極限以后進入軟化階段。在CD段中，變形隨應力下降而增加，巖體內大量微裂隙產生，不穩定擴展匯合而導致破壞。對比3種溫度可以發現，常溫和400 ℃應力-應變曲線走勢相近，而800 ℃作用后應力-應變曲線OA段的斜率明顯小于另外2種溫度，這是因為，巖樣在800 ℃作用后內部存在較多微裂縫。對比不同彈速可知，沖擊彈速較大，其應力-應變曲線BC段擴展更充分，原因是沖擊彈速越大，提供給巖樣能量越多，裂縫發展越充分。對比2種層理可知，較平行層理相比，垂直層理巖樣應力-應變曲線OA段斜率較小，這說明垂直層理內部裂縫更多。

圖2 不同溫度作用后砂巖試件的表觀形態Fig.2 Apparent morphology of sandstone specimens after different temperatures

圖3 沖擊荷載作用下不同溫度后砂巖的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of sandstone after different temperatures under impact loading

2.4 沖擊彈速對應變率的影響

巖樣的破碎響應與沖擊彈速密切相關[19]，不同溫度作用后層理砂巖的應變率與沖擊彈速的關系如圖4所示。由圖4可知，沖擊彈速與層理方向相同時，隨著溫度的升高，應變率逐漸增加，相較于經歷25 ℃常溫后巖樣的應變率，經歷400 ℃和800 ℃高溫后的平均漲幅約為17%和35%。這主要是因為不同礦物顆粒在高溫膨脹過程中變形不協調，因此造成大量次生裂隙、孔隙，溫度越高巖石越容易發生受力形變。沖擊彈速與溫度等級相同時，2種層理巖樣的應變率變化規律基本類似，但相較于垂直層理，水平層理巖樣的應變率普遍較高。這是因為，垂直層理巖樣受荷方向平行于層理面，受力時裂隙易沿著層理面擴展，致使材料破壞，相比于加載方向垂直于層理面的水平層理巖樣，垂直層理巖樣發生形變的潛能要弱很多，因而應變率低于水平層理巖樣。整體上，應變率隨著沖擊彈速的增加而增加，當子彈加載速率為11 m/s時，常溫下平行層理巖樣的應變率為105.2 s-1，當子彈加載速率達到15 m/s時，常溫下平行層理巖樣的應變率為200.6 s-1，增加了91%，增幅明顯。

圖4 應變率與沖擊彈速關系曲線Fig.4 Strain rate and impact speed curves

2.5 層理砂巖峰值強度曲線

不同溫度作用后層理砂巖的峰值強度曲線如圖5所示。對比3種溫度作用后層理砂巖峰值強度曲線圖可以得出:砂巖峰值強度變化規律基本相同，峰值強度隨著沖擊彈速的增加而增加，水平層理巖樣的峰值強度曲線均高于垂直層理。沖擊彈速與層理方向相同時，峰值強度基本隨著溫度的升高而減小;當層理方向為水平層理，彈速為11 m/s時，經歷400 ℃高溫作用后，巖樣峰值強度由常溫作用后的124 MPa降至116 MPa，減少6.5%，經歷800 ℃高溫作用后，巖樣峰值強度由400 ℃高溫作用后的116 MPa降至91 MPa，減少21.6%;當層理方向為垂直層理，彈速為11 m/s時，經歷400 ℃高溫作用后，巖樣峰值強度由常溫作用后的108 MPa降至94 MPa，減少13%，經歷800 ℃高溫作用后，巖樣峰值強度由400 ℃高溫作用后的94 MPa降至70 MPa，減少25.5%;巖樣經歷的溫度低于400 ℃時，隨受熱溫度的升高，峰值強度的變化較小，溫度超過400 ℃，峰值強度與溫度呈明顯的負相關關系。結合表2巖樣組分分析可知，400 ℃作用后巖石內部結構比較穩定，組分變化較小，其強度下降主要是因為砂巖受熱使內部自由水和結合水不斷脫出[20]，水蒸發膨脹使得巖樣內部微裂紋得以發展，減小巖石密實程度，導致巖樣峰值強度下降，但其下降程度較小。經歷溫度800 ℃時，其巖石組分發生明顯變化，伊利石、滑石、方解石含量大幅度減少，透輝石含量大幅度提高，四者的摩斯硬度分別為2，1，3，6，由此可知，高溫后巖樣強度顯著降低的主要原因為，溫度對內部結構的破壞而非礦物組分的改變。

圖5 峰值強度變化曲線Fig.5 Peak intensity curves

2.6 層理砂巖峰值應變曲線

層理砂巖峰值應變曲線如圖6所示。由圖6可知，砂巖峰值應變強度隨著沖擊彈速的增加而增加，水平層理巖樣的峰值應變曲線均高于垂直層理。層理砂巖經歷高溫后，峰值應變隨受熱溫度的升高而增加;經歷400，800 ℃高溫后，層理砂巖峰值應變平均漲幅分別為8.2%，41.2%，峰值應變與溫度呈正相關關系;且與400 ℃相比，800 ℃對層理砂巖的峰值應變影響更加顯著。

圖6 峰值應變變化曲線Fig.6 Peak strain curves

2.7 層理砂巖變形模量曲線

考慮到選取沖擊壓縮應力-應變全曲線的彈性階段時易出現誤差，本文選用變形模量來進行分析。圖7為層理砂巖變形模量曲線，砂巖變形模量隨著沖擊彈速的增加而增加，垂直層理巖樣的變形模量數據點部分高于水平層理，但大部分水平層理巖樣的變形模量數據點位于垂直層理上方。層理砂巖經歷高溫后，變形模量呈降低的變化趨勢，經歷400 ℃高溫作用后，變形模量數值與常溫相近。經歷800 ℃高溫作用后，變形模量較常溫作用后平均損失了約40%。

圖7 變形模量變化曲線Fig.7 Modulus of deformation modulus

3 斷口細觀分析

3.1 斷口細觀形貌分析

為分析不同溫度作用后各向異性砂巖試件的動態力學行為規律與裂紋擴展機理，對3組溫度等級下最低與最高應變的層理砂巖試件進行破壞斷口的SEM電鏡掃描試驗，如圖8～10所示。

(1)整體上看，3種溫度作用后層理砂巖在高應變率下破壞的斷口表面整體度差，形貌粗糙，在低應變率下破壞的斷口表面整體度好，平整光滑。巖樣顆粒保持均勻分布，接觸良好，排列緊密，膠結物質與顆粒黏結密實，裂隙裂紋較少，應變率較高時，顆粒接觸變差，少量裂隙發展變大。

(2)常溫作用后，水平層理巖樣在低應變率條件下，破壞斷口表面主要有代表沿晶破壞的晶粒多面體外形的塊狀花樣，并伴隨少量膠結物質的破壞，在高應變率條件下，還出現了解理平臺，表明該處破壞為穿晶破壞，破壞是沿晶破壞與穿晶破壞耦合的脆性破壞。垂直層理巖樣在低應變率條件下，有大量晶粒多面體外形的塊狀花樣，并伴有膠結物質破壞，在高應變率條件下，還出現了沿晶斷裂與穿晶斷裂重疊的現象，是一種特殊的脆性破壞(圖8)。

(3)400 ℃高溫作用后，水平層理巖樣在低應變率條件下，破壞斷口表面有大量晶粒多面體外形的塊狀花樣，局部出現解理平臺和膠結物質的破壞，在高應變率條件下，還出現了代表脆性破壞的河流式花樣。垂直層理巖樣在低應變率條件下，有大量晶粒多面體外形的塊狀花樣，并伴隨少量解理平臺和膠結物質的破壞，在高應變率條件下，有極少數的沿晶破壞，主要表現為穿晶破壞，存在大量解理平臺，伴有膠結物質的破壞(圖9)。

(4)800 ℃高溫作用后，水平層理巖樣在低應變率條件下，以膠結物質破壞為主，出現了貫穿多個顆粒的河流式花樣，在高應變率條件下，破壞形式主要是膠結物質的開裂，出現了代表塑性破壞的蛇形滑移分離狀花樣。垂直層理巖樣在低應變率條件下，以膠結物質破壞為主，同時在局部位置有少量晶粒多面體外形的塊狀花樣，在高應變率條件下，破壞形式主要是膠結物質的開裂，局部出現代表韌性破壞的窩坑(圖10)。

圖8 25 ℃條件下破壞斷口的典型細觀形貌Fig.8 Typical micro-structure of sandstone fracture of 25 ℃

圖9 400 ℃條件下破壞斷口的典型細觀形貌Fig.9 Typical micro-structure of sandstone fracture of 400 ℃

圖10 800 ℃條件下破壞斷口的典型細觀形貌Fig.10 Typical micro-structure of sandstone fracture of 800 ℃

3.2 破壞斷口的能耗分析

從斷裂力學角度，沖擊荷載作用下巖石損傷斷裂模式的耗能大小排列[21]為

將斷口細觀形貌分析列表，推出相應的損傷斷裂模式[22]，并對其耗能規律總結(表3)。由表3可得以下規律:

(1)砂巖在高應變率下破壞時能耗普遍高于低應變率破壞。這是因為，巖石在外力作用下具有整體的彈性應變能，彈性應變能做功、塑性功與表面能做功三者之和是裂紋擴展的能量閾值。在裂紋擴展的過程中，只有外部能量超過這一閾值，裂紋才能開始擴展。在低應變率條件下，外部能量輸入相對較小，在此期間只有能量閾值相對低的裂紋得以發育，參與破壞的裂紋數量少，損傷斷裂模式耗能相對較低。在高應變率條件下，能量輸入大，裂紋會呈分叉式擴展，并形成羽毛狀裂紋面[23]，目的是用最短的時間消耗最多的能量，當裂紋擴展速度達到極限時，便不能消耗多余的能量，此時能量閾值高的裂紋得到足夠能量而被激活，開始新一輪的裂紋擴展，因此高應變率條件下，巖樣的損傷斷裂模式耗能較高。

表3 砂巖斷口能耗的變化規律
Table 3 Variation of energy consumption in sandstone fracture

T/℃層理方向彈速/(m·s-1)斷口細觀形貌損傷斷裂模式耗能等級主要影響作用25水平垂直11主體:晶粒多面體局部:解理臺階、膠結物質開裂以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂、膠結物質斷裂一般荷載15主體:解理臺階、晶粒多面體局部:膠結物質開裂以穿晶與沿晶的耦合斷裂為主局部膠結物質斷裂較高荷載11主體:晶粒多面體局部:解理臺階、膠結物質開裂以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂、膠結物質斷裂一般荷載15主體:解理臺階、晶粒多面體局部:膠結物質開裂以穿晶與沿晶的耦合斷裂為主局部膠結物質斷裂較高荷載400水平垂直11主體:晶粒多面體局部:解理臺階、膠結物質開裂以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂、膠結物質斷裂一般荷載15主體:解理臺階(大量)、河流狀花樣局部:晶粒多面體、膠結物質開裂以穿晶斷裂為主局部有沿晶斷裂、膠結物質斷裂較高荷載11主體:晶粒多面體局部:解理臺階以沿晶斷裂為主局部有穿晶斷裂較低荷載15主體:解理臺階(大量)、膠結物質開裂局部:晶粒多面體以穿晶斷裂、膠結物質斷裂為主局部有沿晶斷裂一般荷載800水平垂直11主體:膠結物質開裂局部:晶粒多面體、河流狀花樣以膠結物質斷裂為主局部有沿晶斷裂、穿晶斷裂較低溫度-荷載15主體:膠結物質開裂局部:蛇形滑移花樣以膠結物質斷裂為主局部有韌性斷裂較高溫度-荷載11主體:膠結物質開裂局部:晶粒多面體以膠結物質斷裂為主局部有沿晶斷裂低溫度-荷載15主體:膠結物質開裂局部:韌窩以膠結物質斷裂為主局部有韌性斷裂較高溫度-荷載

(2)25 ℃與400 ℃條件下破壞耗能相近，略高于800 ℃條件下的破壞。這是因為，800 ℃高溫會對巖石造成熱破裂、熱熔融以及熱揮發作用，其礦物顆粒結構在未施加荷載前就已存在裂隙，在沖擊荷載作用下，顆粒很容易發生破裂，造成大量膠結物質開裂，以此來消耗輸入能量，導致其耗能反而較低。

(3)斷口以脆性破壞與膠結物質開裂為主要破壞模式，但在高溫、高應變率下出現局部的塑性斷裂特征，這也證實了溫度對此起了重要作用。

3.3 細觀結構數值化分析

僅依靠斷口細觀形貌的定性分析很難發現規律，為量化、確切地分析動荷載與溫度耦合作用下的巖石斷面裂隙特征的變化規律，選取3種沖擊彈速試樣，采用Image-Pro Plus(IPP)軟件對其SEM電鏡掃描后的細觀圖片進行量化處理，得到裂隙裂紋的相關數量信息。

首先對斷口細觀圖像進行預處理，如圖11所示，對圖像進行灰度檢測，灰度值指圖中點的顏色深度，數值范圍為從255代表的白色到0代表的黑色。由圖11可知，本組細觀圖像中裂隙的灰度值普遍低于80，故設置二值分割的界限灰度值為80，得到二值圖，如圖12(a)所示。然后調整其像素值及去除偽影點等雜質，最后將所得細觀圖像進行量化處理，得到裂隙網格計算圖，如圖12(b)所示，圖中白色塊狀物質即為裂隙。

圖11 灰度值檢測Fig.11 Gray value detection

圖12 圖像處理過程Fig.12 Image processing process

圖13 裂隙數量變化規律Fig.13 Variation regularity of crack quantity

(1)裂隙數量:對沖擊彈速為11，13，15 m/s的層理砂巖斷口細觀圖進行上述處理，得到3種彈速下裂隙數量的變化規律，如圖13所示。由圖可知，層理方向與溫度等級相同時，斷口裂隙數量與沖擊彈速成正比，這主要是因為裂隙的產生、發展需要消耗能量，當沖擊彈速較低時，只有消耗能量較少的裂隙才能產生，此時產生的裂紋較少，隨著沖擊彈速的增加，提供給巖樣的能量不斷升高，使得裂紋不斷產生，因而裂隙數量不斷增加;水平層理的裂隙數量普遍高于垂直層理;斷口裂隙數量與溫度等級并無明顯的變化規律。

(2)裂隙面積:定義平面微觀裂隙率P，P值代表斷面上的固體顆粒排列松散程度，其值越大表明排列越松散[24]。即P=Ab/Al,其中，Ab為斷口裂隙網絡面積，即圖12(b)中白色塊狀部分的面積;Al為整幅SEM圖像面積。經過先期對比發現，300倍的放大倍數適中，方便計數且具有準確性，適用于本次細觀參數量化試驗，結果如圖14所示。由圖14可知，整體上看，經過800 ℃高溫作用后，斷口微觀裂隙率最大，明顯高于25和400 ℃;25 ℃和400 ℃的斷口微觀裂隙率基本相同，差異較小;層理方向與溫度等級相同時，微觀裂隙率隨著沖擊彈速的增加而增加，所以沖擊彈速與巖樣的破碎響應有直接關系;沖擊彈速與溫度等級相同時，平行層理巖樣的微觀裂隙率曲線低于垂直層理巖樣。

圖14 微觀裂隙率變化規律Fig.14 Variation law of microscopic fracture rate

(3)裂隙形狀:定義裂隙形狀因子,表示裂隙形狀的規則程度，其值越大表明規則度越差，越接近1表明規則度越好。即η=Lx/Ly,其中，Lx為裂隙外包矩形沿長軸方向的長度;Ly為裂隙外包矩形沿短軸方向的長度。裂隙形狀因子η的變化規律如圖15所示,由圖15可知，整體上看，巖樣形狀因子大小處于1.0～1.4，說明本試驗所使用的紅砂巖樣的裂隙規則程度較好;沖擊彈速與溫度等級相同時，垂直層理的形狀因子普遍小于水平層理，表明裂隙的規則程度存在各向異性差異,這主要是因為，水平層理巖樣在動態破壞試驗過程中，施壓方向與層理方向垂直，裂隙在發展過程中受到層理面的阻礙，發生轉向，沿著層理方向擴展，當遇到層理缺陷處時，發生第2次轉向，導致裂隙規則度較差。而垂直層理巖樣施壓方向與層理平行，裂隙在發展過程中沿著層理弱面發展，受到阻礙較少，裂隙發展較為規則;將3種溫度等級下形狀因子的最小值和最大值畫線區分，可知隨著溫度的增加，形狀因子的大小逐漸變小，表明高溫處理后巖樣動態破壞斷口的裂隙形態趨于規則。

圖15 裂隙形狀因子變化規律Fig.15 Variation regularity of fracture shape factor

4 結 論

(1)高溫作用后各向異性砂巖的動態力學性能受沖擊彈速、溫度效應、層理各向異性的共同影響。沖擊彈速對砂巖力學性能有強化效應;隨著溫度的升高，砂巖峰值強度減小，峰值應變增大，而變形模量減小;當沖擊彈速為11 m/s，相較于常溫狀態下的峰值強度，經歷400 ℃和800 ℃高溫作用后的水平層理巖樣分別減少了6.5%，26.6%，垂直層理巖樣分別減少了13%，35.2%;相較于常溫狀態下的峰值應變，經歷400，800 ℃高溫后的層理砂巖的平均漲幅分別為8.2%，41.2%;相較于常溫狀態下，經歷400 ℃高溫作用后的砂巖變形模量與常溫相近，經歷800 ℃高溫作用后的砂巖變形模量平均損失了約40%。平行層理砂巖的峰值強度、峰值應變、變形模量普遍高于垂直層理巖樣，整體性更好。

(2)斷口細觀形貌能較好地反映出層理砂巖內部裂紋產生情況。層理砂巖在高應變率下破壞的斷口表面比在低應變率下整體度差，形貌更加粗糙。經歷溫度不大于400 ℃時，破壞面主要以沿晶破壞和穿晶破壞為主，表現為脆性斷裂。經歷溫度為800 ℃時，破壞面主要以膠結物質破壞為主，出現了代表塑性破壞和韌性破壞的滑移分離狀花樣和窩坑。砂巖在高應變率下破壞時能耗普遍高于低應變率破壞。

(3)從裂隙的數量、裂隙的面積、裂隙的形狀3個方面分析了高溫作用后砂巖動態破壞斷口的裂隙特征。裂隙的數量、裂隙的面積、裂隙的形狀三者均存在明顯的各向異性差異，水平層理的裂隙數量普遍高于垂直層理;水平層理巖樣的微觀裂隙率曲線低于垂直層理巖樣;垂直層理的裂隙形狀普遍比水平層理規則。高溫處理后巖樣動態破壞斷口的裂隙形態趨于規則。斷口裂隙數量與沖擊彈速成正比;微觀裂隙率隨著沖擊彈速的增加而增加;裂隙形狀與沖擊彈速無顯著關系。