Dynamic characteristics and damage mechanism of freeze-thaw treated red sandstone under cyclic impact
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摘要: 为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理，开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验，研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律；基于Lemaitre应变等效原理，提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法，分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明：循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式；红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关，冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态；循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅，而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大；红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律；冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。
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关键词:
- 循环冲击 /
- 红砂岩 /
- 冻融循环 /
- 分离式Hopkinson压杆 /
- 累积损伤因子
Abstract: To study the strength, deformation characteristic and damage mechanism of freeze-thaw treated rock mass under the action of cyclic dynamic disturbance, the cyclic impact tests of freeze-thaw treated red sandstone under two kinds of impact pressure were carried out to investigate the effects of cyclic impact number and freeze-thaw number on stress wave propagation, dynamic stress-strain curve, peak stress, and peak strain. In addition, the calculation method of cumulative damage factor, which can comprehensive consider the effects of cyclic impact and freeze-thaw, is proposed based on the Lemaitre strain equivalence principle. Finally, the microstructure characteristics of red sandstone after freeze-thaw and cyclic impact are analyzed in detail. Results show that red sandstone specimens treated with different freeze-thaw number show tensile failure mode under cyclic impact load. The cyclic impact number that red sandstone specimen can withstand is negatively correlated with freeze-thaw cycle number, and red sandstone specimen after 75 freeze-thaw cycles treatments reaches the failure state after the first impact loading. Moreover, the cyclic impact number mainly affects the jump point, abscissa corresponding to peak point and amplitude of transmitted waves, and the amplitude of reflected waves. While the freeze-thaw number shows a great effect on the jump point, abscissa corresponding to peak point, and amplitude of transmitted waves during the first impact process. The cumulative damage factor of red sandstone specimen exhibits a good negative correlation with the dynamic peak stress. After the combination effects of freeze-thaw and cyclic impact, the cracks inside red sandstone spread along the grain boundary and connect with the pores to form a complex network. -
在寒区，频繁的温度变化会导致工程岩体承受反复的冻融循环（freeze-thaw cycle, F-T cycle）作用。岩体包含了许多裂隙和孔洞等初始缺陷，这些缺陷成为了良好的储水空间和导水通道[1-3]，内部孔隙水的反复冻融会造成岩体性能的劣化，导致寒区岩体的冻融灾害十分严重[4]。钻爆法是目前硬岩开挖最常用的方法之一[5]，由于单次爆破开挖进度有限，岩体需要进行重复或循环爆破作业，导致周围岩体承受循环冲击载荷的作用，因此岩体及其支护结构在频繁冲击扰动作用下的破坏问题非常普遍[6-7]，如钻爆掘进时隧道围岩会承受多次爆破载荷导致其承载力降低乃至失稳破坏，寒区露天采场频繁爆破极易诱发边坡崩塌和滑移等工程地质灾害。因此，研究循环动力扰动作用下冻融岩体的应力波传播规律和力学响应特征，掌握累积损伤演化规律，对减少寒区岩体工程灾害、提高破岩效率具有重要意义。
近年来，许多学者利用分离式Hopkinson压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）开展了循环动力扰动作用下岩石的冲击压缩实验，取得了系列研究成果[8-11]。Li等[12]研究发现当入射波峰值应力超过阈值时循环扰动才会导致岩石内部产生明显的损伤，且该阈值约为岩石单轴抗压强度的60%；王志亮等[13]通过对花岗岩开展4种入射波幅值的循环冲击实验，也得到了类似的规律，并提出了岩样动态裂纹起裂应力的近似确定方法。Wang等[14]利用LS-DYNA建立了能够模拟循环冲击加载的数值模型，并开展了恒速和变速加载条件下大理岩的数值冲击实验，分析了冲击次数和冲击速度对大理岩应力-应变曲线、峰值应力和破坏模式的影响规律。李地元等[15]利用声发射技术测试了经历不同循环冲击次数后花岗岩试样内部的损伤特征，发现随着冲击次数的增加，试样声发射峰值数量逐渐增大且损伤加剧。在冻融岩体的微观损伤研究方面，Meng等[16]分析了红砂岩微观结构随冻融循环次数的变化，发现随着循环次数的增加，红砂岩内部结构出现渗透膨胀现象，导致孔隙度增大。Niu等[17]从微观角度研究了动荷载作用下冻融红砂岩的断裂机理，发现冻融次数的增加会导致红砂岩晶体颗粒的边界感增强，矿物颗粒逐渐分离，进而引起孔隙数量增多、尺寸增大。肖鹏等[18]发现，冻融循环后红砂岩的表面颗粒趋于圆滑，颗粒间的连接减弱。考虑到工程岩体承受的预静载受力状态，学者们研究了环向和轴向预静载作用下岩体的抗循环冲击性能[19-21]，发现围压能够限制岩样的侧向变形并降低其在循环冲击作用下的损伤程度[22]，而当轴压高于裂纹起裂应力时，岩石的损伤增长速率会增加[23]。金解放等[24]发现岩样的残余应变和波阻抗可用于定义循环冲击损伤变量，建立了能够考虑预静载和循环载荷的岩石损伤累积演化模型。
除动力扰动幅值和次数以及岩体所处的应力状态外，岩体所处的地质环境对其宏细观结构的影响很大，影响这岩体的力学特性和应力波在岩体内的传播规律。Shu等[25]考虑深部岩体所处的高地温环境，开展了不同高温处理后花岗岩的循环冲击实验，发现花岗岩试样破坏时对应的循环冲击次数与处理温度呈负相关，且温度对试样破坏模式影响较大。Wang Z. L. 等[26]也得到了类似的规律，且发现实验用花岗岩在温度达到600 ℃时力学性能明显劣化，而200 ℃处理后的花岗岩试样内部微裂隙数量减少，表现出较强的抗循环冲击能力[27]。Wang P.等[28]发现，400 ℃是实验用花岗岩的热损伤温度阈值，当温度低于阈值温度时，循环扰动作用下试样的损伤演化可分为初始阶段、稳定发育阶段和急剧增加阶段，而高于阈值时损伤累积速率急剧增大。除高地温外，冻融循环对岩体内部产生明显的不可逆损伤，但目前针对动力扰动作用下冻融岩体力学响应的研究主要集中在单次冲击作用下，如贾蓬等[29]开展了0～100次冻融循环后绿砂岩的SHPB实验，发现冻融次数对绿砂岩的动态抗压强度具有明显的弱化作用，其他学者发现对于砂岩[30]、红砂岩[31]和泥岩[32]也存在相似的影响规律。Wang等[33-34]详细分析了冻融循环对红砂岩动态抗压强度和变形模量的影响，并建立了能够考虑应变率效应的衰减函数模型，发现冻融循环不仅影响红砂岩的初始损伤，还影响加载过程中的损伤演化规律。Zhai等[35]发现冻融循环后砂岩内部大孔隙数量未出现明显增多，砂岩动态峰值应力变化的拐点出现在80次冻融循环时，冻融循环会导致岩石破碎后的分形维数增大。
综上所述，目前针对循环动力扰动和冻融复合作用下岩石力学性能和损伤演化的研究较为缺乏。因此，本文中选取寒区红砂岩为研究对象，利用SHPB系统开展冻融后红砂岩的等幅循环冲击实验，分析冲击次数、冲击气压和冻融循环次数对红砂岩试样应力波传播特性、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响，基于动态变形模量的变化规律定义冻融损伤因子和循环冲击损伤因子，研究冻融红砂岩在循环冲击荷载作用下的损伤演化规律。
1. 试样制备和实验方案
1.1 试样制备
试样取自青海某露天矿完整性和均匀性较好的红砂岩块，采用水钻法从岩块上钻孔取芯，然后挑选出无明显层理、孔隙和裂纹的岩芯进行切割打磨。根据国际岩石力学学会标准的推荐尺寸[36]，红砂岩试样的长径比为0.5，即加工成直径50 mm、高25 mm的标准圆柱体。红砂岩试样端面经打磨处理后确保试样的端面不平行度控制在0.05 mm以内。制作完成的试样见图1。将加工好的试样放入105 ℃的烘箱中烘干48 h以上，冷却后测量试样的干密度，将离散性较大的试样剃除，最终选取合格的试样并测量了其物理力学参数，见表1。
表 1 红砂岩试样物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of red sandstone specimen密度/（kg·m−3） 孔隙率/% 静态抗压强度/MPa 静态变形模量/GPa 动态抗压强度/MPa 动态变形模量/GPa 2391 7.61 76.65 4.65 97.53 19.32 注：准静态应变率为1.67×10−4 s−1，动态应变率为212 s−1。 1.2 冻融循环实验方案
冻融循环采用高低温循环实验箱完成。岩石冻融循环实验参数相关标准[37]和建议[38]中指出：对于孔隙率小于10%且无显著开口孔隙的致密坚硬岩石，冻结和融解时长应不少于1 h。此外，相对于循环次数、岩性及孔隙率等因素，冻融温度对岩石性能的影响不大。参照红砂岩取样地区的气候条件，设置冻结温度为−15 ℃，冻结时间为8 h，融化温度为20 ℃，融化时间为4 h，一次冻融循环总时间为12 h，如图2所示。冻融时红砂岩试样放置在饱水容器中，且达到所需的冻融次数后将试样用密封袋包裹，使其在循环冲击前处于饱水状态，共设置了6组冻融次数，分别为0、10、25、40、55和75次。
1.3 循环冲击实验方案
采用SHPB实验系统开展循环冲击实验。实验系统如图3所示，该系统的组成、实验方法和材料参数见文献[39]。为实现红砂岩试样在循环冲击荷载作用下破坏的目标，防止试样经一次冲击而直接破坏，需开展预实验以确定临界冲击气压。关于临界冲击气压的选取，王宇等[40]从表观破坏形态和应力波形两个方面给出了建议方法，经反复实验后确定红砂岩试样的临界冲击气压约为0.2 MPa，最终选取0.16和0.18 MPa的冲击气压对冻融劣化后的红砂岩试样进行循环冲击实验。
2. 实验结果与分析
2.1 破坏形态与循环冲击次数
图4为不同冻融次数红砂岩试样在0.18 MPa气压循环冲击后的最终破坏形态。不同冻融循环次数后的红纱岩试样在循环冲击过程中受动态压缩作用呈拉伸破坏。随着冻融循环次数的增加，试样破坏时碎块的数量增多且形态趋于复杂，0、10和25次冻融后的试样破坏主要是单一主裂缝，40次冻融后的试样破坏时裂缝数量增加且出现部分小块碎块。
图 4 循环冲击下不同冻融循环次数红砂岩破坏形态Figure 4. Failure modes of red sandstone after different F-T numbers under cyclic impact图5为两种气压下红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融循环次数之间的关系。相同冲击气压下，随着冻融次数的增加，循环冲击次数呈下降趋势，0和10次冻融处理后的红砂岩试样可承受的循环冲击次数相同，0.16和0.18 MPa冲击气压下分别为8和7次；不同气压下，冻融25次后试样的循环冲击次数均出现明显下降，直至冻融75次后试样均呈现首次冲击即破坏的现象。以0.16 MPa为例，冻融0、10、25、40、55和75次后红砂岩试样可承受的循环冲击次数分别为8、8、7、5、3和1次。相同冻融次数条件下，红砂岩试样在0.16 MPa条件下可承受的循环冲击次数略高于0.18 MPa。分析认为，试验用红砂岩的孔隙率为7.61%，较为致密，10次冻融循环对试样内部损伤较小；25次冻融处理过后，试样内部损伤开始加剧，抗冲击性能衰退，直至75次循环后试样损伤非常严重，仅1次冲击即达到破坏状态，此部分将结合后续冻融引起红砂岩微观形貌变化进行详细分析。此外，高冲击气压产生的入射波携带更多的入射能，会加快岩石内部新裂纹的产生和原生裂纹的扩展，引起内部损伤发育加快，最终导致试样抗循环冲击次数降低。
图 5 冻融次数与循环冲击次数的关系Figure 5. Relationship between F-T cycle number and cyclic impact time2.2 原始波形和应力平衡
图6(a)为0.18 MPa冲击气压下经历不同冻融次数红砂岩试样在第一次冲击时的原始波形，为明确各特征点代表的含义，取代表性波形进行分析，如图6(b)所示。可以看出，入射波基本相同情况下，冻融循环次数对反射波和透射波的波形影响较小，而对透射波的起跳点、峰值点的时刻及振幅影响较大。与未冻融试样的波形相比，10次冻融处理后红砂岩试样的反射波与透射波的波形、起跳点、峰值点的时刻和振幅无明显变化。25次冻融循环后，随着冻融次数的增加，反射波的起跳点基本相同，但峰值点的时刻和振幅均明显增大，透射波的峰值点和起跳点出现了延迟趋势，且振幅减小。图6(c)为0.18 MPa冲击气压下、40次冻融处理后的红砂岩试样在循环冲击作用下的原始波形，相近入射波条件下，反射波的起跳点和峰值点对应的横坐标受冲击次数的影响很小，随着循环冲击次数的增多，透射波的振幅减小、起跳点和峰值点的时刻延迟，反射波振幅增大。分析认为，多次冻融循环和循环冲击后，红砂岩试样内部裂纹和孔隙扩展，导致试样的波阻抗降低，则反射的应力波增多，透射的应力波减少，且应力波通过试样内部所需时间增加，导致以上现象的发生。
此外，对动态应力平衡进行了校核，如图7所示，可以看出不同试验条件下的动态应力平衡曲线效果较好，试验数据是有效的。
2.3 动态应力-应变曲线
图8和图9分别为0.16和0.18 MPa冲击气压下冻融后红砂岩试样的循环冲击动态应力-应变曲线。曲线大致可分为峰前上升和峰后卸载两个阶段：在峰前上升阶段，应力-应变曲线初始斜率较大，随着应力不断增加，曲线斜率逐渐降低，红砂岩试样内部裂隙不断扩展；到达峰值后，进入峰后卸载阶段，应力开始下降，应变持续增加，称为第一卸载阶段；在应变到达最大值后，应力与应变均逐渐减小，曲线出现“回弹”现象，称为第二卸载阶段。刘伟等[41]和金解放等[42]也发现了相同的规律。由于单次冲击的入射应力较小，红砂岩试样受一次冲击后未完全破坏，试样在应力波加载结束后仍具有抵抗变形的能力，其内部储存的弹性应变能释放，宏观上表现为第二卸载阶段的“回弹”现象。
图 8 0.16 MPa冲击气压下冻融后红砂岩试样的循环冲击动态应力-应变曲线Figure 8. Cyclic impact dynamic stress-strain curves of freeze-thaw cycles treated red sandstone specimen under 0.16 MPa impact pressure随着循环冲击次数的增多，动态应力-应变曲线整体向右下方移动，峰前上升阶段的切线斜率减小，具体表现为变形模量和峰值应力降低，而峰值应变和极限应变增大。此外，从图8(a)可以看出，对于0.16 MPa冲击气压下的未冻融红砂岩试样，在第2次冲击时应力-应变曲线的峰值应力和峰前上升阶段的切线斜率均大于第1次冲击，此后自第3次冲击开始出现了强度参数衰减规律，直至第8次冲击时试样破坏；而在0.18 MPa冲击气压下则未出现上述现象。分析认为，0.16 MPa冲击气压下，未冻融的红砂岩试样内部微裂纹与孔隙数量较少，在第1次冲击作用下，弱应力波能够使岩石内部微裂纹和孔隙发生闭合[13, 26, 40]，即产生了压密作用，提高了红砂岩试样的抗冲击能力，随着循环冲击次数的增加，岩石内部损伤逐渐加剧，导致其物理力学性质降低，承载能力下降。而0.18 MPa冲击气压下，入射波携带的能量较大，红砂岩试样内部的裂纹与孔隙吸收了较多的能量，裂纹扩张速度大于闭合速度，随着冲击次数的增加，岩石内部损伤加剧，最终破坏。
图 9 0.18 MPa冲击气压下冻融后红砂岩试样的循环冲击动态应力-应变曲线Figure 9. Cyclic impact dynamic stress-strain curves of freeze-thaw cycles treated red sandstone specimen under 0.18 MPa impact pressure2.4 峰值应力与峰值应变
图10为不同冲击气压条件下红砂岩试样动态峰值应力与循环冲击次数的关系。图10(a)表明，0.16 MPa冲击气压下，未冻融处理的红砂岩试样在第二次冲击时的动态峰值应力有所上升，之后峰值应力随冲击次数的增加不断降低，该现象产生的原因已在之前进行分析；冻融处理后红砂岩试样的动态峰值应力均随循环冲击次数的增加而减少，表现出明显的动态疲劳特性；0.18 MPa冲击气压下，随着循环冲击次数的增多，未冻融和冻融处理后红砂岩试样的动态峰值应力均不断下降，见图10(b)。此外，相同冻融循环和冲击次数条件下，0.18 MPa冲击气压下红砂岩试样的动态峰值应力高于0.16 MPa，表现出应变率增强效应。
图 10 红砂岩试样动态峰值应力与循环冲击次数的关系Figure 10. Relationship between dynamic peak stress of red sandstone specimen and cyclic impact number图11为不同冲击气压条件下红砂岩试样动态峰值应变与循环冲击次数的关系。0.16 MPa冲击气压、未冻融红砂岩试样在第二次冲击时的动态峰值应变出现了下降的变化规律，其余试验条件下红砂岩试样的动态峰值应变均随冲击次数的增加而增大。这表明在冲击入射能基本相同的条件下，随着冲击次数的增加，越来越多的能量被吸收用于试样内部裂纹的形成和扩展，导致红砂岩试样内部损伤加剧，其抵抗变形的能力不断减弱。
图 11 红砂岩试样动态峰值应变与循环冲击次数的关系Figure 11. Relationship between dynamic peak strain of red sandstone specimen and cyclic impact times2.5 累积损伤
红砂岩试样经冻融和循环冲击复合作用后，从损伤进入到破坏状态，因此，其内部损伤由冻融损伤和循环冲击损伤共同构成。在此，基于动态变形模量的变化分别对两种损伤因子进行计算，冻融损伤因子为：
DM=1−Em/E0 (1) 式中：E0和Em分别为红砂岩试样在0.2 MPa冲击气压条件下经历0和m次冻融循环后第1次冲击即破坏时的动态变形模量。
循环冲击损伤因子为：
DI=1−Ei/Em (2) 式中：Ei为第i次循环冲击时红砂岩试样的动态变形模量。
利用Lemaitre应变等价原理[43]，冻融和循环冲击产生的累积损伤因子D为：
D=1−(1−DI)(1−DM)/(1−DIDM) (3) 针对动态变形模量的定义方法，参考相关标准[44-45]，取应力-应变曲线中原点与50%峰值应力连线的斜率作为动态变形模量。
表2和表3列出了不同实验条件下红砂岩试样的动态峰值应力、动态峰值应变和动态变形模量，用于计算累积损伤因子。图12为不同冲击气压下红砂岩试样累积损伤因子与循环冲击次数的关系。可以看出，随着冻融循环次数的增加，冻融损伤因子逐渐增大，10次冻融循环后，冻融作用对红砂岩试样的损伤较小，冻融损伤因子仅为0.1；25、40和55次冻融循环后，红砂岩试样在受到循环冲击作用前的冻融损伤因子分别为0.19、0.28和0.35，说明冻融作用对红砂岩产生了不可逆的损伤；75次冻融循环后冻融损伤因子已达到0.42，试样首次冲击后即达到破坏状态，说明75次冻融循环后试样内部损伤非常严重。0.16 MPa冲击气压下未冻融试样在第2次冲击时累积损伤因子下降，主要是压密作用的影响；其他试验条件下，累积损伤因子均随循环冲击次数的增加不断增大。图13为红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力的关系，随着累积损伤因子的增加，红砂岩的动态峰值应力逐渐下降，二者呈现较好的负相关变化规律。
表 2 冲击气压为0.16 MPa时红砂岩试样的动态峰值应力、峰值应变和变形模量Table 2. Dynamic peak stresses, peak strains, and deformation moduli of red sandstone specimens at the impact gas pressure of 0.16 MPa冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa0 1 29.08 0.0038 11.13 25 1 28.36 0.0043 9.35 2 30.12 0.0035 12.48 2 26.63 0.0044 8.02 3 28.40 0.0042 9.35 3 26.58 0.0046 7.84 4 26.59 0.0045 8.01 4 25.97 0.0051 7.48 5 24.08 0.0050 7.60 5 24.78 0.0052 6.23 6 23.49 0.0052 6.53 6 20.13 0.0052 5.73 7 21.39 0.0056 5.14 7 19.79 0.0058 3.39 8 20.56 0.0061 4.48 40 1 27.30 0.0045 8.49 10 1 29.24 0.0041 10.25 2 26.46 0.0048 8.01 2 28.76 0.0043 9.36 3 25.90 0.0049 7.48 3 28.36 0.0044 7.84 4 23.52 0.0052 6.54 4 27.11 0.0044 7.45 5 19.04 0.0054 4.98 5 26.76 0.0045 6.76 55 1 22.08 0.0051 6.06 6 26.73 0.0054 5.36 2 21.38 0.0057 5.12 7 21.39 0.0056 5.13 3 20.52 0.0060 4.48 8 17.64 0.0058 3.56 75 1 13.41 0.0063 4.98 表 3 冲击气压为0.18 MPa时红砂岩试样的动态峰值应力、峰值应变和变形模量Table 3. Dynamic peak stresses, peak strains, and deformation moduli of red sandstone specimens at the impact gas pressure of 0.18 MPa冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa0 1 39.35 0.0035 13.25 25 1 36.23 0.0043 10.83 2 38.93 0.0038 12.35 2 34.57 0.0051 8.91 3 37.88 0.0042 10.98 3 32.57 0.0053 8.00 4 36.21 0.0044 9.74 4 27.31 0.0054 7.39 5 34.42 0.0047 8.18 5 24.83 0.0058 5.61 6 31.50 0.0053 6.51 6 24.34 0.0064 4.78 7 22.48 0.0054 4.56 40 1 34.69 0.0048 8.56 10 1 39.93 0.0040 12.66 2 29.24 0.0051 6.86 2 39.33 0.0042 11.92 3 26.31 0.0055 5.33 3 36.21 0.0044 10.83 4 21.87 0.0061 4.49 4 31.90 0.0045 9.35 55 1 27.92 0.0051 7.53 5 29.62 0.0049 7.58 2 20.65 0.0055 5.34 6 26.68 0.0052 5.16 75 1 21.14 0.0062 5.23 7 25.25 0.0057 4.76 
图 12 红砂岩试样累积损伤因子与循环冲击次数的关系Figure 12. Relationship between cumulative damage factor of red sandstone and cyclic impact time
图 13 红砂岩试样累积损伤因子与峰值应力的关系Figure 13. Relationship between cumulative damage factor of red sandstone and peak stress2.6 微观结构
利用扫描电子显微镜（scanning electron microcope, SEM）技术对经冻融和循环冲击后红砂岩试样的微观结构进行了拍摄，并将得到的微观结构图像进行二值化处理，图14～19为不同冻融次数后的红砂岩试样在0.18 MPa循环冲击后的电镜扫描和二值化处理图。红砂岩是一种包含矿物颗粒和胶结物的多相体，其宏观力学性能与微观结构紧密相关，作为一种天然材料，内部含有大量微孔隙和微裂纹，不同冻融次数处理后裂纹和孔隙数量以及裂纹和孔隙的连接方式均有所不同。图14和图15表明，冻融0和10次后，红砂岩试样内部孔隙与裂纹发育良好，其尺寸较大，孔隙与裂缝之间表现出一定的关联性，试样经循环冲击后表现为以主裂纹为主的破坏模式。从图16和图17可以看出，冻融达到25和40次时，矿物颗粒的胶结作用减弱，部分矿物颗粒边界更加明显，微裂缝和微孔隙的数量增加、尺寸增大，裂纹逐渐延伸并与孔隙相连。冻融达75次时，矿物颗粒边界感非常明显，其内部胶结物持续流失，矿物颗粒与胶结物的整体性降低，孔隙裂缝尺寸继续增大、数量急剧增多；循环冲击后，裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络，部分矿物颗粒破碎且形成细小裂纹（见图19），循环冲击后试样破坏时裂纹明显增多。
图 14 未经历冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构Figure 14. Microstructure of a red sandstone specimen after cyclic impacts without F-T cycle
图 15 经历10次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构Figure 15. Microstructure of a red sandstone specimen after 10 F-T cycles and then cyclic impacts
图 16 经历25次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构Figure 16. Microstructure of a red sandstone specimen after 25 F-T cycles and then cyclic impacts
图 17 经历40次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构Figure 17. Microstructure of a red sandstone specimen after 40 F-T cycles and then cyclic impacts
图 18 经历55次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构Figure 18. Microstructure of a red sandstone specimen after 55 F-T cycles and then cyclic impacts
图 19 经历75次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构Figure 19. Microstructure of a red sandstone specimen after 75 F-T cycles and then cyclic impacts3. 结 论
(1) 红砂岩试样在循环冲击过程中受动态压缩作用呈拉伸破坏模式，随着冻融循环次数的增加，试样破坏模式由单一主裂纹转换为多裂纹；相同冲击气压下，随着冻融次数的增加，试样可承受的循环冲击次数呈下降趋势，0次和10次冻融处理后的红砂岩试样可承受的循环冲击次数相同，冻融75次后试样仅可承受1次冲击即达到破坏状态。
(2) 冻融循环次数对红砂岩试样第一次冲击时的反射波和透射波的波形影响较小，而对透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大：25次冻融循环后，随着冻融次数的增加，反射波的峰值点对应的横坐标和振幅增大，透射波的峰值点对应的横坐标和起跳点出现了右移趋势，且振幅减小；相同冻融循环次数条件下，随着循环冲击次数的增多，反射波的起跳点和峰值点对应的横坐标变化较小，而透射波振幅减小、起跳点和峰值点对应的横坐标右移，反射波振幅增大。
(3) 在0.16 MPa冲击气压下，未冻融处理的红砂岩试样因孔隙闭合导致第二次冲击时的动态峰值应力上升而动态峰值应变下降，其余试验条件下，随着循环冲击次数的增加，红砂岩的动态峰值应力减小而动态峰值应变增大。冻融循环会导致红砂岩内部矿物颗粒的胶结作用减弱，75次冻融后，试样经循环冲击后内部微裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络，破坏时裂纹明显增多。
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图 4 循环冲击下不同冻融循环次数红砂岩破坏形态
Figure 4. Failure modes of red sandstone after different F-T numbers under cyclic impact
图 5 冻融次数与循环冲击次数的关系
Figure 5. Relationship between F-T cycle number and cyclic impact time
图 8 0.16 MPa冲击气压下冻融后红砂岩试样的循环冲击动态应力-应变曲线
Figure 8. Cyclic impact dynamic stress-strain curves of freeze-thaw cycles treated red sandstone specimen under 0.16 MPa impact pressure
图 9 0.18 MPa冲击气压下冻融后红砂岩试样的循环冲击动态应力-应变曲线
Figure 9. Cyclic impact dynamic stress-strain curves of freeze-thaw cycles treated red sandstone specimen under 0.18 MPa impact pressure
图 10 红砂岩试样动态峰值应力与循环冲击次数的关系
Figure 10. Relationship between dynamic peak stress of red sandstone specimen and cyclic impact number
图 11 红砂岩试样动态峰值应变与循环冲击次数的关系
Figure 11. Relationship between dynamic peak strain of red sandstone specimen and cyclic impact times
图 12 红砂岩试样累积损伤因子与循环冲击次数的关系
Figure 12. Relationship between cumulative damage factor of red sandstone and cyclic impact time
图 13 红砂岩试样累积损伤因子与峰值应力的关系
Figure 13. Relationship between cumulative damage factor of red sandstone and peak stress
图 14 未经历冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构
Figure 14. Microstructure of a red sandstone specimen after cyclic impacts without F-T cycle
图 15 经历10次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构
Figure 15. Microstructure of a red sandstone specimen after 10 F-T cycles and then cyclic impacts
图 16 经历25次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构
Figure 16. Microstructure of a red sandstone specimen after 25 F-T cycles and then cyclic impacts
图 17 经历40次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构
Figure 17. Microstructure of a red sandstone specimen after 40 F-T cycles and then cyclic impacts
图 18 经历55次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构
Figure 18. Microstructure of a red sandstone specimen after 55 F-T cycles and then cyclic impacts
图 19 经历75次冻融循环的红砂岩试样在循环冲击作用后微观结构
Figure 19. Microstructure of a red sandstone specimen after 75 F-T cycles and then cyclic impacts
表 1 红砂岩试样物理力学参数
Table 1. Physical and mechanical parameters of red sandstone specimen
密度/（kg·m−3） 孔隙率/% 静态抗压强度/MPa 静态变形模量/GPa 动态抗压强度/MPa 动态变形模量/GPa 2391 7.61 76.65 4.65 97.53 19.32 注：准静态应变率为1.67×10−4 s−1，动态应变率为212 s−1。 
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表 2 冲击气压为0.16 MPa时红砂岩试样的动态峰值应力、峰值应变和变形模量
Table 2. Dynamic peak stresses, peak strains, and deformation moduli of red sandstone specimens at the impact gas pressure of 0.16 MPa
冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa0 1 29.08 0.0038 11.13 25 1 28.36 0.0043 9.35 2 30.12 0.0035 12.48 2 26.63 0.0044 8.02 3 28.40 0.0042 9.35 3 26.58 0.0046 7.84 4 26.59 0.0045 8.01 4 25.97 0.0051 7.48 5 24.08 0.0050 7.60 5 24.78 0.0052 6.23 6 23.49 0.0052 6.53 6 20.13 0.0052 5.73 7 21.39 0.0056 5.14 7 19.79 0.0058 3.39 8 20.56 0.0061 4.48 40 1 27.30 0.0045 8.49 10 1 29.24 0.0041 10.25 2 26.46 0.0048 8.01 2 28.76 0.0043 9.36 3 25.90 0.0049 7.48 3 28.36 0.0044 7.84 4 23.52 0.0052 6.54 4 27.11 0.0044 7.45 5 19.04 0.0054 4.98 5 26.76 0.0045 6.76 55 1 22.08 0.0051 6.06 6 26.73 0.0054 5.36 2 21.38 0.0057 5.12 7 21.39 0.0056 5.13 3 20.52 0.0060 4.48 8 17.64 0.0058 3.56 75 1 13.41 0.0063 4.98
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表 3 冲击气压为0.18 MPa时红砂岩试样的动态峰值应力、峰值应变和变形模量
Table 3. Dynamic peak stresses, peak strains, and deformation moduli of red sandstone specimens at the impact gas pressure of 0.18 MPa
冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa冻融循环
次数循环冲击
次数动态峰值
应力/MPa动态峰值
应变动态变形
模量/GPa0 1 39.35 0.0035 13.25 25 1 36.23 0.0043 10.83 2 38.93 0.0038 12.35 2 34.57 0.0051 8.91 3 37.88 0.0042 10.98 3 32.57 0.0053 8.00 4 36.21 0.0044 9.74 4 27.31 0.0054 7.39 5 34.42 0.0047 8.18 5 24.83 0.0058 5.61 6 31.50 0.0053 6.51 6 24.34 0.0064 4.78 7 22.48 0.0054 4.56 40 1 34.69 0.0048 8.56 10 1 39.93 0.0040 12.66 2 29.24 0.0051 6.86 2 39.33 0.0042 11.92 3 26.31 0.0055 5.33 3 36.21 0.0044 10.83 4 21.87 0.0061 4.49 4 31.90 0.0045 9.35 55 1 27.92 0.0051 7.53 5 29.62 0.0049 7.58 2 20.65 0.0055 5.34 6 26.68 0.0052 5.16 75 1 21.14 0.0062 5.23 7 25.25 0.0057 4.76
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