随着矿产资源开采、水利水电建设、长距离大埋深交通隧道等各类地下工程深度不断增加，深部岩石开挖过程中，爆破、采动应力等对工作面和巷道周边的围岩产生动力作用，使得围岩承受静荷载的同时，也承受动荷载的作用。
基于这一科学认识，李夕兵和古德生[1]提出了岩石动静组合加载问题，自从岩石动静组合加载这一概念提出以后，许多研究人员进行了研究，并取得了一系列的研究成果。李夕兵等基于传统SHPB实验装置研制了动静组合加载实验系统，采用该实验系统，对不同动静组合搭配加载下岩石的动态破坏强度、变形特性、破坏模式与机理以及能量耗散等进行了大量的试验工作[2-6]。李占海[7]对磁铁矿和片麻岩进行相同的试验研究，并采用RFPA-Dynamics软件对岩石处于静态、动态和动静组合加载条件下破坏过程进行了数值模拟分析。刘少虹等[8-10]研究了动静组合加载下煤和组合煤岩力学特性、能量耗散和应力波传播机制。牛勇等[11]研究了4个轴压水平下红砂岩的动力学特性。同时，金解放等[12-13]、唐礼忠等[14-15]研究了轴压下循环冲击过程中的岩石动态强度、变形特性、应力波传播、破坏模式及其机理。
目前，这些试验研究对象都是完整岩石试样，而工程实践表明，深部岩石工程中，巷道及工作面周围的围岩在“三高一扰动”的作用下发生变形和破坏，形成断续破裂结构。达到峰值强度后的破裂围岩依然可以承受一定的荷载，对维护巷道的稳定起着十分重要的作用，但是，岩石开挖过程中，爆破、采动应力等动荷载对巷道和工作面周边的围岩产生动力作用，使得处于相对稳定状态的断续破裂岩体仍然存在失稳的安全隐患[16]。因此，研究岩石破裂后(峰后)的动力学行为具有重要理论意义和工程应用价值。
20世纪六、七十年代，人们已经开始对岩石峰后力学问题进行研究，但多集中在岩石一次静态压缩全过程中峰值后强度及变形的研究，而对岩石破裂后(峰后)再次承受荷载时，其力学特性研究还比较少。杨米加[17]、牛双建[18]、刘洋[19]等对不同预加载形式形成的峰后破裂岩样再次施加静荷载，研究峰后破裂岩样的强度衰减规律、变形破坏特性以及破坏机理等。张婧等[20]采用MTS 815岩石力学实验系统进行粉砂岩峰值后循环振动试验，研究振动荷载对峰后破裂岩石强度、变形及损伤等影响规律。祝文化和李元章[21]采用SHPB实验装置对爆破破裂影响区内的损伤岩体进行冲击压缩试验研究，并与完整岩石对比，研究损伤岩体动态强度特性。上述研究成果表明峰后破裂岩石力学特征已引起重视和研究，但有关岩石破裂后(峰后)再次承受冲击荷载时其力学特性研究则鲜见报道。
针对深部工程围岩常处于峰后破裂状态且遭受动力扰动影响的特点，利用MTS 815岩石力学实验系统对完整砂岩试样进行静态单轴压缩，越过峰值后卸载，制备峰后破裂砂岩试样。然后，利用动静组合加载SHPB实验装置对峰后破裂砂岩进行不同轴向静载条件下的冲击压缩试验，探讨峰后破裂砂岩强度及变形特性、能量耗散规律和破坏模式。
1 试样制备及试验设备
1.1 峰后破裂砂岩试样制备
根据国际岩石力学学会关于岩石动力学试验建议方法的要求[22]，试样长径比选为1。采用取芯机在同一砂岩大块上钻取均质性较好的φ50 mm×50 mm圆柱形试样，然后对试样两端进行磨平，保证两端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，制备完整砂岩试样，如图1(a)所示。
蔡美峰等[23]认为单轴压缩条件下，岩石承载力越过峰值强度后，岩石内部遭受破坏，但是试样外观基本保持整体状;到达残余强度前，裂纹快速发展，形成宏观断裂面。基于此，采用MTS 815岩石力学实验系统对完整砂岩试样进行静态单轴压缩制备峰后破裂试样。加载初期采用应力控制(60 kN/min)，接近峰值时转化为位移控制(0.15 mm/min)，在岩石应力越过其峰值后进行卸载，制备成的峰后破裂砂岩试样如图1(b)和(c)所示。完整砂岩试样形成破裂砂岩试样的应力-环向应变曲线如图2所示(因试样尺寸较小未安装轴向引伸计来测量轴向应变)。
图1 峰后破裂砂岩试样照片
Fig.1 Photos of post-peak cracked sandstone samples
图2 砂岩试样应力-环向应变曲线
Fig.2 Stress-circumferential strain curve of sandstone during preparation of post-peak cracked sandstone samples
1.2 试验设备及方案
试验设备采用中南大学杆径为φ50 mm的动静组合加载SHPB实验装置，其平面示意如图3所示。该装置在传统SHPB实验装置的基础上增加轴向静载装置，可以实现常规冲击和一维动静组合冲击，入射杆、透射杆和吸收杆采用40Cr合金钢，密度为7 810 kg/m3，纵波波速为5 410 m/s，直径50 mm，入射杆长度为2 m，透射杆长度为1.5 m。
图3 一维动静组合加载实验系统示意
Fig.3 Experimental apparatus sketch of one-dimensional coupled static and dynamic loads
试验方案及步骤:① 采用MTS 815岩石力学实验系统对完整砂岩进行单轴静态压缩，越过峰值点后，卸载至0，制备峰后破裂砂岩试样;② 将峰后破裂砂岩试样装入SHPB实验装置入射杆和透射杆之间，调节轴向加载设备，手动加载至设计轴向静压;③ 预先设置轴向静载分别为8，24和48 MPa，相当于静态抗压强度的10%，30%和60%，然后，进行不同应变率下冲击试验。
2 峰后破裂砂岩与完整砂岩力学特征差异性分析
为更加深入了解岩石破裂后再次承受动静组合荷载时其力学特征，试验前对峰后破裂砂岩和完整砂岩力学差异性进行分析。目前，已有大量关于完整岩石承受动静组合荷载的研究结果[2-15]，这里仅选取轴向静载为8 MPa条件下峰后破裂砂岩和完整砂岩力学特征的差异性进行讨论分析。
轴向静载8 MPa条件下，峰后破裂砂岩和完整砂岩试验结果见表1，冲击应力-应变曲线如图4所示。
表1 峰后破裂砂岩和完整砂岩试验结果对比(8 MPa)
Table 1 Contrast test results between post-peak cracked sandstone and intact sandstone(8 MPa)
图4 峰后破裂砂岩和完整砂岩冲击应力-应变曲线(8 MPa)
Fig.4 Impact stress-strain curves of post-peak cracked sandstone and intact sandstone(8 MPa)
从表1和图4中可以发现，随着应变率的增大，峰后破裂砂岩和完整砂岩的组合强度、冲击强度和峰值应变均增大，表现出明显的应变率效应。相近应变率下，峰后破裂砂岩的组合强度、冲击强度和峰值应变均小于完整砂岩，但是变形模量相差不大。这主要是因为与完整砂岩相比，峰后破裂砂岩含有裂纹，造成承载能力降低;同时在轴向荷载的作用下，裂纹闭合，所以变形模量变化不大。关于裂纹影响岩石强度及变形特性的结论，国内外研究者已经取得了比较一致的观点。
图5为轴向静载8 MPa下峰后破裂砂岩和完整砂岩单位体积吸收能Ev与入射能Ei关系对比。从中可以看出，轴向静载为8 MPa时，峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。
图5 峰后破裂砂岩和完整砂岩单位体积吸收能-入射能关系对比
Fig.5 Comparison of energy absorption per unit volume between post-peak cracked sandstone and intact sandstone
3 试验结果及分析
3.1 常规冲击试验结果
常规冲击下(轴向静载0 MPa)峰后破裂砂岩试验结果见表2，从表中可以看出常规冲击下峰后破裂砂岩动态强度尽管离散，但是仍然呈现出随着应变率增大强度增强的现象;峰值应变随着应变率的增大而增大，而变形模量则表现出无关性。
3.2 动静组合冲击试验结果
动静组合加载下峰后破裂砂岩试验结果见表3，不同轴向静载下冲击应力-应变曲线如图6所示。
表2 常规冲击下峰后破裂砂岩试验结果
Table 2 Test results of post-peak cracked sandstoneunder conventional impact load
表3 动静组合加载下峰后破裂砂岩试验结果
Table 3 Test result of post-peak cracked sandstone undercoupled static and dynamic loads
图6 不同轴向静载下冲击应力-应变曲线
Fig.6 Impact stress-strain curves of post-peak cracked sandstone under different axial static stress
3.3 轴压影响峰后破裂砂岩强度特性分析
不同轴向静载下峰后破裂砂岩动静组合强度随应变率的变化规律如图7所示。由图7可知，轴向静载相同的条件下，在试验所处的应变率范围内，峰后破裂砂岩的动静组合强度随着应变率的增大而增强，表现出应变率效应。相近应变率条件下，改变轴向静载，峰后破裂砂岩动静组合强度随之变化，呈现随着轴向静载增大而增大的现象，这与完整岩石的试验结果是一致的。
图7 峰后破裂砂岩动静组合强度-应变率变化规律
Fig.7 Variations in the combined strength with strain rate of post-peak cracked sandstone under different axial static stress
图8给出了不同轴向静载下峰后破裂砂岩冲击强度与应变率的关系。由图8可知，轴向静载相同的条件下，在试验所处的应变率范围内，峰后破裂砂岩的冲击强度随着应变率的增大而增强，表现出明显的应变率效应。相近应变率下，轴向静载24 MPa时峰后破裂砂岩冲击强度高于轴向静载8 MPa下峰后破裂砂岩的冲击强度，并且与常规冲击下试验结果对比不难发现，轴向静载对峰后破裂砂岩冲击强度产生重要影响，随着轴向静载的增加峰后破裂砂岩冲击强度也随之增大，而轴向静载为48 MPa时峰后破裂砂岩冲击强度反而降低，这可能是因为低轴向静载条件下，轴向静载的存在使破裂砂岩原始裂纹闭合，从而提高峰后破裂砂岩的强度，处于高轴向静载条件下，轴向静载使原始裂纹闭合的同时也促进裂纹的扩展，从而导致其强度不增反降。但是当应变率大于100 s-1后，峰后裂隙砂岩冲击强度相差不大，表现出与轴向静载无关的现象。
图8 峰后破裂砂岩冲击强度-应变率变化规律
Fig.8 Variations in impact strength with strain rate of post-peak cracked sandstone under different axial static stress
3.4 轴压影响峰后破裂砂岩变形特性分析
不同轴向静载下峰后破裂砂岩峰值应变及变形模量随应变率的变化规律分别如图9和图10所示。
图9 峰后破裂砂岩峰值应变-应变率变化规律
Fig.9 Variations in peak strain with strain rate of post-peak cracked sandstone under different axial static stress
图10 峰后破裂砂岩变形模量-应变率变化规律
Fig.10 Variations in deformation modulus with strain rate of post-peak cracked sandstone under different axial static stress
从图9可以看出，相同轴向静载时，峰后破裂砂岩峰值应变随着应变率的增大而增大。相近应变率下随着轴向静载的增大，峰值应变先增大后减小，轴向静载24 MPa时峰值应变最大，这与冲击强度的变化趋势是一致的。
从图10可以发现，轴向静载下峰后破裂砂岩变形模量多数处于20～30 GPa的范围，与常规冲击下峰后破裂砂岩变形模量相比，离散性变小。并且由图6可以看出，轴向静载8和24 MPa时，峰后破裂砂岩初始加载曲线出现比较重合的现象，而轴向静载48 MPa作用下初始加载曲线比较离散，这一现象也间接说明低轴向静载的存在使原始裂纹闭合，增大峰后破裂砂岩抵抗外部冲击的能力。
3.5 轴压影响峰后破裂砂岩吸能特性分析
图11给出了不同轴向静载下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能的关系。从图11可以看出，相同轴向静载时，随着入射能的提高，峰后破裂砂岩单位体积吸收能也随之增加。较低入射能冲击时，峰后破裂砂岩单位体积吸收能随着轴向静载的增大变化不大，而较大入射能冲击时，峰后破裂砂岩单位体积吸收能随着轴向静载的增大而增大。
图11 峰后破裂砂岩入射能与单位体积吸收能关系曲线
Fig.11 Relationship of absorbed energy-incident energy of post-peak cracked sandstone under different axial static stress
3.6 冲击破坏过程
为了观测峰后破裂砂岩在动静组合加载下的破坏过程，获得试样表面裂纹扩展的动态画面，采用FASTCAM SA1.1高速数字式摄像机系统对冲击试验过程进行摄像，图12为峰后破裂砂岩动静组合加载下破坏过程的典型图片。
图12 动静组合加载下峰后破裂砂岩的破裂过程
Fig.12 Failure process of post-peak cracked sandstone under coupled static and dynamic loads
图13 低能量冲击时峰后破裂砂岩的破裂过程
Fig.13 Failure process of post-peak cracked sandstone with low incident energy
从图12可以看出，透射杆端出现细小分叉裂纹，并逐步发展为明显与应力波传播方向平行的轴向裂纹，且表现出向透射杆端滑移破坏。从破坏的程度看，透射杆端破碎严重，而入射杆端部破碎较轻。
为更好地了解动静组合加载下峰后破裂砂岩原始裂纹扩展情况，采用较低冲击能量进行冲击试验，且拍摄角度正对原始宏观裂纹面，破坏过程如图13所示。
虽然原始裂纹扩展缓慢且扩展宽度较小，所拍摄图片中很难像图12那样直观看到裂纹扩展，但仍然可以看出，岩石试样受到冲击作用时，沿原始裂纹边界线，试样表面从透射杆端部出现细小裂纹并逐步扩展，但止于试样中部，未形成贯通裂纹。
3.7 破坏模式
图14为动静组合加载下峰后破裂砂岩破坏形态图。
图14 动静组合加载下峰后破裂砂岩的破坏形态
Fig.14 Failure pattern of post-peak cracked sandstone under coupled static and dynamic loads
从图14可以看出，动静组合加载下峰后破裂砂岩破裂面沿岩石轴向方向，且为锥形剪切面。相同轴向静载时，低应变率情况下，破裂面沿着原始裂纹扩展破坏;随着应变率的增大，碎块尺寸变小、数量增加。不同轴向静载时，相近应变率情况下，峰后破裂砂岩破坏程度随着轴向荷载的增大而增大，碎块尺寸变小、数量增加。
动静组合加载下峰后破裂砂岩试样外侧出现剪切面，这主要是因为轴向静载导致砂岩内部微裂纹扩展、贯通，形成潜在的剪切面，在冲击荷载作用下，发生剪切破坏;而峰后破裂砂岩已经存在一条剪切破裂面，承受冲击荷载时，破坏面沿着原始宏观裂纹发展，这在图中轴向静载8 MPa和图13中更能体现出来。
4 结 论
(1)轴向静载8 MPa和相近应变率条件下，峰后破裂砂岩组合强度、冲击强度和峰值应变均低于完整砂岩，两者变形模量相差不大，但峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。
(2)相同静载时，峰后破裂砂岩组合强度和冲击强度均随着应变率的增大而增大;不同静载时，组合强度随着轴向静载的增大而增大，但是冲击强度随着轴向静载的增大先增大后减小。
(3)相同轴向静载时，峰后破裂砂岩峰值应变随着应变率的增大而增大。相近应变率下随着轴向静载的增大，峰值应变先增大后减小。低轴向静载促进原始裂纹闭合，提高峰后破裂砂岩初始变形模量，高轴向静载促进原始裂纹扩展。
(4)轴向静载影响峰后破裂砂岩单位体积吸收能，随着轴向静载的增大，单位体积吸收能也随之增大。
(5)动静组合加载下，峰后破裂砂岩破坏模式为剪切破坏。相近应变率条件下，随着轴向荷载的增加，峰后破裂砂岩破坏程度也随之增大。
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