干燥-飽和循環(huán)作用下砂質(zhì)泥巖抗剪性能劣化試驗(yàn)研究

湯傳金，姚強(qiáng)嶺，王偉男，王烜輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

中西部生態(tài)脆弱礦區(qū)是我國煤炭資源開發(fā)的戰(zhàn)略重地，而該地區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)和缺水區(qū)，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，水資源的匱乏對當(dāng)?shù)氐木用裆钏?、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)特別是煤炭生產(chǎn)產(chǎn)生了非常大的制約作用。煤炭開采活動勢必會破壞地下部分巖層的結(jié)構(gòu)完整性，常常會破壞地下含水層，造成水位下降、地表水流失、地表植被破壞，地表水資源流失更加嚴(yán)重[1-2]。部分含水層的水沿著巖層導(dǎo)水裂隙滲透到各個層位，引起工作面滲水、巷道淋水、采空區(qū)存水等一系列問題，對安全高效生產(chǎn)提出了新的要求。保水開采和地下水庫技術(shù)在水資源保護(hù)和利用問題上提供了解決思路。中西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開發(fā)，一是在有工程條件的區(qū)域推廣保水開采，二是在沒有實(shí)現(xiàn)保水開采的區(qū)域推廣應(yīng)用，均應(yīng)重視煤水共采，在煤炭開采過程中實(shí)現(xiàn)對水資源的有效轉(zhuǎn)移儲存和利用[3-4]。該區(qū)域是國家的重要生態(tài)屏障，水資源的地位甚至高于煤炭，水資源的保護(hù)存在重要的戰(zhàn)略意義。但是煤炭開采破壞含水層后，水資源的儲存狀態(tài)發(fā)生改變，傳統(tǒng)保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)的方式無法進(jìn)一步解決已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)移的水資源問題。地下水庫技術(shù)則通過將采空區(qū)安全煤柱和巖柱通過人工壩體連接在一起，將采空區(qū)作為儲水空間，將礦井水進(jìn)行儲存和利用[5]。

地下水庫在存儲與抽取水的過程中涉及到水位的反復(fù)升降，對壩體邊界產(chǎn)生反復(fù)損傷作用。包括其他富水環(huán)境的井下作業(yè)，都涉及到水的反復(fù)入侵，對煤巖體造成弱化。由于煤巖體結(jié)構(gòu)成分存在差異，在遇水后呈現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)的變化具有不同的規(guī)律性。水能夠弱化煤巖體的峰值應(yīng)力、彈性模量、應(yīng)變軟化模量和峰后模量[6-7]，降低煤巖體抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角[8]，通過裂隙尖端材料發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)降低巖石強(qiáng)度并加速亞臨界裂紋的增長[9]，但對裂隙閉合閾值、裂隙初始發(fā)育閾值和裂隙損傷閾值的比例不產(chǎn)生影響[10]。在工程問題中，剪切破壞是最為常見的破壞形式。剪切載荷容易引起不同介質(zhì)連接面破壞[11]，促進(jìn)裂隙拓展和滲透性改變[12]，通常剪切破壞失穩(wěn)發(fā)生在短時間內(nèi)[13]，破壞形式包括剪切破壞、張拉和剪切復(fù)合破壞、剪切滑移3種形式[14]。為了評價煤巖體力學(xué)性能弱化和裂隙發(fā)展過程，聲發(fā)射技術(shù)被引入巖石力學(xué)的研究中。國內(nèi)外學(xué)者通過監(jiān)測不同加載方式煤巖試樣破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，研究了加載速率與裂隙數(shù)量[15]、裂隙類型[16]、累計(jì)損傷[17]的關(guān)系，并研究了聲發(fā)射定位裂隙的相關(guān)內(nèi)容[18]。

水對煤巖體的反復(fù)侵蝕，對水庫壩體、頂板、巷道圍巖等工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽視的影響。筆者基于砂質(zhì)泥巖的自然吸水性規(guī)律，研究不同整數(shù)次干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖試樣的抗剪強(qiáng)度特征，探討砂質(zhì)泥巖力學(xué)失效過程的裂隙發(fā)展規(guī)律，為涉及水作用反復(fù)侵蝕的煤巖體穩(wěn)定性評價的相關(guān)工程問題提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣的選取與制備

本文選用國家能源投資集團(tuán)神東礦區(qū)烏蘭木倫煤礦3-1號煤層頂板的砂質(zhì)泥巖作為研究對象。該煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，為植被稀少、水土流失嚴(yán)重區(qū)域。選取的巖石試樣通過保鮮膜包裝密封，存放于木箱中，底部和四周放入泡沫以減少在運(yùn)輸過程中造成的巖石損壞，至中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)巖石材料加工廠加工成50 mm×50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試樣[19]70塊。將3塊試樣單獨(dú)標(biāo)記為:No.1，No.2，No.3，用于測試巖樣的吸水性規(guī)律。其余45塊試樣分為5組，其標(biāo)記結(jié)構(gòu)見表1:試樣浸水次數(shù)-試驗(yàn)剪切角-試驗(yàn)的塊數(shù)，比如W0-1-1表示干燥試樣在45°壓模角下進(jìn)行壓剪試驗(yàn)的第1塊。余下22塊備用。

表1 標(biāo)簽含義Table 1 Meaning of the tag

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括干燥裝置、無損浸水裝置、應(yīng)力加載監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，如圖1所示。干燥裝置是上海市試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的101-2型電熱恒溫干燥箱;無損浸水裝置是自制的試驗(yàn)裝置，主要由保濕箱和加濕器2部分構(gòu)成，通過塑料管連接，避免了直接將試樣浸入水中而發(fā)生崩解破壞;加載系統(tǒng)采用中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的新三思CMT5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī);本試驗(yàn)使用Physical Acoustic Corporation的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測巖樣破壞過程中的整體材料變化，該系統(tǒng)主要包括:控制計(jì)算機(jī)、放大器、聲發(fā)射傳感器等，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石材料發(fā)生變化時的信號采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;試驗(yàn)所用聲發(fā)射探頭型號為Nano30，諧振頻率為140 kHz，頻率范圍為125～750 kHz。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test system

1.3 試驗(yàn)原理及方法

將干燥箱的烘干溫度設(shè)定為105 ℃，將試件烘干8 h后取出，放入干燥器中冷卻1 min至室溫，再進(jìn)行稱量，用保鮮膜密封之后保存。使用無損浸水裝置創(chuàng)造一個試樣可以自由吸水的密閉環(huán)境，進(jìn)行試樣吸水性試驗(yàn)。根據(jù)試樣的吸水性規(guī)律，確定試樣到達(dá)飽和狀態(tài)的時間。將試樣分為5組，每組至少準(zhǔn)備9塊。分組編號W0-1-1～W0-3-3，W1-1-1～W1-3-3，W2-1-1～W2-3-3，W3-1-1～W3-3-3，W4-1-1～W4-3-3。W0組為干燥試樣，后4組分別為干燥-飽和循環(huán)1次試樣、干燥-飽和循環(huán)2次試樣、干燥-飽和循環(huán)3次試樣、干燥-飽和循環(huán)4次試樣。

含水率的測定公式為

(1)

式中，wa為巖樣的含水率，%;ma為巖樣吸收水分之后的質(zhì)量，g;md為巖樣烘干之后的質(zhì)量，g。

圖2 剪切試驗(yàn)原理Fig.2 Shear test principle1—鋪墊板;2—滾柱;3—變角剪切夾具上座;4—試件;5—變角剪切夾具;6—變角剪切夾具下座

剪切試驗(yàn)和聲發(fā)射監(jiān)測同步進(jìn)行。將聲發(fā)射探頭布置在試樣的2個暴露面上，用膠帶固定。采用位移控制方式進(jìn)行加載，加載速度為0.8 mm/min。變角剪切夾具將作用在巖樣上的力P分解為與剪切面平行的剪應(yīng)力和與剪切面垂直的正應(yīng)力(圖2)。通過設(shè)置的α值和破壞載荷P，可以得到正應(yīng)力σ、剪應(yīng)力τ、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ等力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)式(2)，(3)可計(jì)算試樣所受的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ:

(2)

(3)

式中，σ為正應(yīng)力，MPa;τ為剪應(yīng)力，MPa;α為剪切面與水平方向的夾角，(°);P為破壞時的軸向載荷，N;A為剪切面積，mm2;f為摩擦因數(shù),f=1/(nd);n為滾軸根數(shù);d為滾軸直徑，mm。

2 力學(xué)弱化結(jié)果分析

2.1 試樣吸水性規(guī)律

結(jié)合圖3，巖樣的吸水性規(guī)律整體可分為3個階段:(Ⅰ)含水率加速增長階段、(Ⅱ)含水率減速速增長階段、(Ⅲ)含水率飽和階段。根據(jù)本文研究內(nèi)容的需求，需要獲得巖樣吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時的浸水時間。由圖3可得，浸水時間為42 h時巖樣達(dá)到飽和狀態(tài)。故后續(xù)干燥-飽和循環(huán)試驗(yàn)時巖樣將在無損浸水設(shè)備中自由吸水42 h，此狀態(tài)可認(rèn)為達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖3 浸水曲線Fig.3 Immersion curve

如圖4所示，巖樣飽和狀態(tài)的含水率與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)之間呈現(xiàn)規(guī)律性增長關(guān)系。通過擬合曲線發(fā)現(xiàn)，含水率隨著浸水次數(shù)的增加呈指數(shù)增長。在干燥狀態(tài)和第1次飽和狀態(tài)之間，含水率變化最大。隨著循環(huán)狀態(tài)的變化，試樣飽和狀態(tài)之間的含水率變化趨勢逐漸減小。故，含水率與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)之間整體呈現(xiàn)減速上升關(guān)系。

圖4 含水率與浸水次數(shù)之間關(guān)系Fig.4 Relationship between water content and immersion times

飽和含水率隨干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的增加符合指數(shù)關(guān)系:

w=0.07-0.07×0.15xR2=0.99

(4)

式中，w為巖樣的含水率，%;x為浸水次數(shù);R2為擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)。

2.2 抗剪強(qiáng)度和軸向位移與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖5可知，巖樣抗剪強(qiáng)度、軸向位移均浸水次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與剪切角度也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。擬合方程為

(5)

式中，τ45,τ55,τ65為試樣進(jìn)行45°，55°，65°剪切試驗(yàn)時隨浸水次數(shù)變化的抗剪強(qiáng)度;x為浸水次數(shù);R2為相關(guān)性系數(shù)。

圖5 試樣抗剪強(qiáng)度、軸向位移與浸水次數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength,axial displacement and number of immersion

浸水次數(shù)從0到4的過程中，45°剪切角加載的試樣抗剪強(qiáng)度從9.46 MPa衰減到2.59 MPa，衰減幅度為72.62%，軸向位移由3.16 mm降低到1.87 mm，降低幅度為40.82%。同理，在55°剪切角條件下對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為8.25 MPa，2.26 MPa，72.61%，2.41 mm，1.56 mm，35.27%，在65°剪切角條件下對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為6.87 MPa，1.96 MPa，71.47%，1.89 mm，0.96 mm，49.21%。

在3種剪切角度下，巖樣破壞時的抗剪強(qiáng)度、加載軸向位移隨干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律具有一致性，表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)降低趨勢，對應(yīng)的加載軸向位移也減小。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是水分子進(jìn)入試樣內(nèi)部，通過復(fù)雜的物理化學(xué)作用改變了巖樣內(nèi)部顆粒連接方式和結(jié)構(gòu)受力方式，降低試樣抵抗破壞的能力，表現(xiàn)為循環(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低，以相對較低的加載力就可以導(dǎo)致試樣破壞。需要指出，破壞時對應(yīng)的軸向加載位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，原因在于水對巖樣的軟化作用造成的變形增加效應(yīng)小于抗剪強(qiáng)度減小造成的低應(yīng)力破壞效應(yīng)，總體表現(xiàn)為破壞軸向位移減小。

2.3 黏聚力和內(nèi)摩擦角與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。該理論認(rèn)為巖石的破壞主要是剪切破壞，這與正應(yīng)力和剪應(yīng)力密切相關(guān)。經(jīng)大量試驗(yàn)總結(jié)與數(shù)學(xué)分析證明，巖石的抗剪能力由黏聚力和內(nèi)摩擦角組成，在壓剪狀態(tài)下可以利用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則簡單、快速判斷巖石或結(jié)構(gòu)在某一應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)生剪切破壞。Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則為

|τ|=c+σtanφ

(6)

式中，τ為最大剪應(yīng)力;c為黏聚力;σ為正應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角。

黏聚力和內(nèi)摩擦角是衡量工程巖體抗剪性能的重要依據(jù)，被廣泛用來評價工程巖體的力學(xué)性能。黏聚力指的是巖石材料內(nèi)部分子之間的相互吸引，與巖石材料的初期破壞有密切關(guān)系;內(nèi)摩擦角指的是巖石材料結(jié)構(gòu)之間的錯動和咬合，與裂隙發(fā)育和拓展有直接關(guān)系。不同次數(shù)干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化如圖6所示。

圖6 試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角與浸水次數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between cohesion,internal friction angle and number of immersion times

由上圖擬合曲線可知，巖樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角與浸水次數(shù)之間分別呈指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)為

c=4.11×0.28x+1.58R2=0.99

(7)

φ=-0.65x3+1.3x2+5.1x+21.36

R2=0.99

(8)

試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的變化，呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。黏聚力表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)下降趨勢，說明水分子運(yùn)動對巖樣初期破壞所需的加載力具有弱化作用，每增加循環(huán)一次，黏聚力就會有所降低，降低程度逐漸減小。水分子進(jìn)入試樣后，滲入到巖石材料內(nèi)部的微孔隙、縫隙中，在材料顆粒間形成水膜，削弱了微觀結(jié)構(gòu)間黏結(jié)力，使得破壞時需要克服的黏聚力減小。黏聚力從第1次干燥狀態(tài)下的5.69 MPa降低到干燥-飽和循環(huán)浸水4次狀態(tài)下的1.63 MPa，降幅達(dá)到71.35%。對于內(nèi)摩擦角，循環(huán)次數(shù)的增加使之先增加后減小。從圖6可知，第2次循環(huán)浸水和第3次循環(huán)浸水時內(nèi)摩擦角最大，為31.80°，第1次干燥和第4次循環(huán)浸水時內(nèi)摩擦角最小，為21.80°，比最大值減小10°。由此可見，循環(huán)浸水次數(shù)對內(nèi)摩擦角的影響并非單向變化。前期巖石材料的含水率相對較小，材料的成分分布以及裂隙的形態(tài)、尺寸、方向在浸水作用下發(fā)生改變，造成破裂面受力時易于傳導(dǎo)應(yīng)力，減小應(yīng)力集中，難以發(fā)生破裂面滑動摩擦，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大。隨著循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加，水對試樣的力學(xué)弱化作用顯著，破裂面本身強(qiáng)度變?nèi)?，?nèi)摩擦角迅速下降。

將式(7)及(8)代入式(6)，得到抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系為

|τ|=4.11×0.28x+1.58+σtan(-0.65x3+

1.3x2+5.1x+21.36)

(9)

水對巖石材料的力學(xué)性能具有復(fù)雜的作用。在物理層面上，巖石材料本身具有一定的吸水性，在原巖狀態(tài)也是和水共存的。水進(jìn)入巖石材料內(nèi)部，逐漸深入各個微孔隙、裂隙，產(chǎn)生孔隙水壓力，在受載時孔隙擴(kuò)容，強(qiáng)度降低。同時，水分子附著到微結(jié)構(gòu)表面，降低結(jié)構(gòu)間原有的連接能力，改變結(jié)構(gòu)的受力方式，使試樣容易受到破壞。在化學(xué)層面，水中含有一定量的氫離子和氫氧根離子，與材料中的酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)，造成部分物質(zhì)溶于水，削弱原有的材料結(jié)構(gòu)。在干燥-飽和循環(huán)浸水的作用下，水中溶解物質(zhì)被重新分配，在材料內(nèi)部形成新的架構(gòu)或隨著水分蒸發(fā)，使得每進(jìn)行一次循環(huán)浸水，巖石材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)就會發(fā)生一次微小的改變。這也可以進(jìn)一步佐證內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。

2.4 不同浸水狀態(tài)下試樣的破壞載荷-軸向位移和累計(jì)聲發(fā)射特征

不同干燥-飽和循環(huán)次數(shù)狀態(tài)下的試樣在55°剪切角度加載下的軸向載荷-軸向位移曲線如圖7所示。

圖7 不同浸水循環(huán)次數(shù)下軸向載荷-軸向位移關(guān)系Fig.7 Relationship between axial load and axial displacement under different water immersion cycles

根據(jù)軸向載荷-軸向位移曲線的變化，可以將試樣的整個受載破壞過程分為5個階段:裂隙壓密階段、彈性階段、裂隙穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、裂隙非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段和峰后階段。曲線中的裂隙壓密階段和彈性階段區(qū)間都相對較小，這與調(diào)試加載設(shè)備時預(yù)加的力和加載速度有關(guān)。在這2個階段內(nèi)，巖石試樣完成了初始裂隙的閉合以及彈性能的儲存。在裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段，原有裂隙開始擴(kuò)展，新的裂隙開始產(chǎn)生，軸向載荷-軸向位移曲線斜率增加，快速上升。經(jīng)過裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段的裂隙發(fā)育，加載力繼續(xù)增加，裂隙拓展程度增加，相互連通、影響，使得試樣的應(yīng)力結(jié)構(gòu)不斷改變，最終剪切面破壞，應(yīng)力達(dá)到最大值。破壞后軸向載荷-軸向位移曲線發(fā)生突降，幾乎無殘余強(qiáng)度。

對比干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下的軸向載荷-軸向位移關(guān)系曲線，循環(huán)次數(shù)的增加使得試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸下降。第1次干燥狀態(tài)到第1次飽和狀態(tài)破壞載荷降低34.85%，到第4次干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)時降幅達(dá)72.60%。干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)對巖石材料的弱化損傷效果非常明顯，循環(huán)次數(shù)增加會減少彈性區(qū)間、增加塑性區(qū)間，增強(qiáng)弱化損傷效果。

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣在55°剪切角加載時的聲發(fā)射計(jì)數(shù)如圖8所示。

圖8 累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)特征Fig.8 Cumulative acoustic emission count

聲發(fā)射計(jì)數(shù)指超過門檻信號的振蕩次數(shù)。通過對聲發(fā)射參數(shù)對時間的響應(yīng)過程與巖石試樣的加載力學(xué)特性曲線相對比，可以更加準(zhǔn)確區(qū)分試樣破壞過程中的內(nèi)部材料損傷、能量釋放、裂隙發(fā)育類型等，為研究巖石試樣的力學(xué)損傷及裂隙損傷對干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的響應(yīng)關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

由圖8可知，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)滿足隨著循環(huán)浸水次數(shù)增加而減少的規(guī)律。水對巖樣的弱化作用主要在于對力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過復(fù)雜的物理和化學(xué)作用削弱顆粒間的連接能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。加載初期的聲發(fā)射信號都相對較少，塑性階段時聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線斜率明顯增加，但仍具有一定的波動性。圖中最明顯的地方在于每條累計(jì)計(jì)數(shù)曲線的直線上升部分，對應(yīng)試樣的貫通破壞和聲發(fā)射計(jì)數(shù)的幾個最大值，其中干燥狀態(tài)的曲線圖中只展示部分。不同干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)巖樣的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)和應(yīng)力曲線具有較好的關(guān)聯(lián)性，能間接反應(yīng)試在剪切破壞過程中各個階段的裂隙發(fā)展?fàn)顩r。

3 裂隙發(fā)育結(jié)果分析

3.1 裂隙發(fā)育的聲發(fā)射計(jì)數(shù)特征

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣在55°剪切角加載時的聲發(fā)射計(jì)數(shù)如圖9所示。

圖9 巖樣在浸水循環(huán)次數(shù)條件下聲發(fā)射計(jì)數(shù)特征Fig.9 Acoustic emission count characteristics of rock samples under different conditions of immersion cycles

由圖9可知，聲發(fā)射計(jì)數(shù)對巖樣受載破壞過程最明顯的響應(yīng)是在巖樣剪應(yīng)力達(dá)到最大值時，試樣失穩(wěn)破壞，巖石材料內(nèi)部變化最為劇烈，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到整個過程中的最大值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他階段的計(jì)數(shù)值。巖樣的均勻性會產(chǎn)生影響，特別是原生裂隙、內(nèi)部構(gòu)造等不確定影響因素在加載后期裂隙的拓展、微結(jié)構(gòu)面之間的摩擦和試樣的貫穿破壞產(chǎn)生不可忽視的作用。需要指出，為了更清晰地顯示整個過程的聲發(fā)射計(jì)數(shù)值變化規(guī)律，設(shè)置的y軸上限小于部分聲發(fā)射計(jì)數(shù)值(試樣破壞位置)，這些數(shù)值在圖8中有所體現(xiàn)。

干燥狀態(tài)下，裂隙閉合階段的應(yīng)力增長緩慢，試樣的原生裂隙、孔隙閉合，裂隙不平整的表面相互摩擦，產(chǎn)生少量的聲發(fā)射信號。進(jìn)入彈性階段，剪應(yīng)力曲線近似呈線性關(guān)系，剪切模量近似為常數(shù)，聲發(fā)射信號明顯多于壓密階段。試樣進(jìn)入裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段，應(yīng)力曲線快速上升，但聲發(fā)射計(jì)數(shù)出現(xiàn)了下降趨勢。在裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段，應(yīng)力曲線的浮動性增加，出現(xiàn)多個小高峰，同時聲發(fā)射計(jì)數(shù)也出現(xiàn)多個明顯高于一般計(jì)數(shù)的數(shù)值。表明試樣內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)破壞過程劇烈，裂隙充分交叉連接。直到剪切面完全貫通，試樣失穩(wěn)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到最大。試樣在殘余應(yīng)力作用下繼續(xù)發(fā)生局部破壞，聲發(fā)射計(jì)數(shù)降低。

試樣第1次飽和與第1次干燥狀態(tài)最具有對比性。應(yīng)力曲線較之平緩，聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)值上和頻率上都較小，持續(xù)時間減少。這表明水進(jìn)入巖樣后，對聲發(fā)射信號的產(chǎn)生具有抑制作用。其根本原因是水弱化了試樣內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，從而材料損傷活動減弱，聲發(fā)射計(jì)數(shù)減少。

在第2～4次干燥-飽和循環(huán)浸水試驗(yàn)中，首先應(yīng)力曲線隨著循環(huán)浸水次數(shù)的增加逐漸平緩，最大值降低，試樣強(qiáng)度被削弱。在聲發(fā)射計(jì)數(shù)信號上，出現(xiàn)了更加明顯的水弱化現(xiàn)象。在裂隙閉合階段和彈性階段，幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射信號，裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段的信號也非常少，只在裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號，符合破壞時刻出現(xiàn)最大聲發(fā)射計(jì)數(shù)值的規(guī)律。其中，第2次循環(huán)浸水試樣的峰后階段出現(xiàn)較多聲發(fā)射信號，聲發(fā)射計(jì)數(shù)值在20以下居多，原因是該試樣裂隙交叉發(fā)展程度大，剪切面破裂時表面起伏程度較大，相對其他試樣能夠承擔(dān)較大的峰后應(yīng)力。

3.2 裂隙發(fā)展類型的RA-AF特征

脆性巖石破壞主要分為拉破壞和剪破壞。張拉裂隙產(chǎn)生的聲發(fā)射波上升時間短、頻率高，以高AF值(平均頻率，kHz)、低RA值(上升時間/幅值，μs/dB)為代表;剪切裂隙產(chǎn)生的聲發(fā)射波上升時間長、頻率低，以低AF值、高RA值為代表[16]。

不同干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)下巖樣在55°剪切角加載時的RA-AF關(guān)系如圖10所示。

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣的RA-AF值分布具有規(guī)律性:數(shù)據(jù)多沿著AF數(shù)軸分布，大部分小于2 μs/dB和400 kHz。數(shù)據(jù)大量集中在低RA、高AF區(qū)間內(nèi)，表明試樣整個過程的裂隙以張拉裂隙為基礎(chǔ)。在高RA、低AF區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)稀少且分散性大，主要對應(yīng)破壞時刻的剪切裂隙。個別AF值大于500 kHz或RA值大于40 μs/dB的數(shù)據(jù)未在圖中體現(xiàn)。

圖10 RA-AF關(guān)系Fig.10 Relationship of RA and AF

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣以張拉裂隙為基礎(chǔ)裂隙。在Griffith強(qiáng)度理論中，張拉裂隙尖端附近更容易應(yīng)力集中，促進(jìn)裂隙的擴(kuò)展破壞。由于巖石試樣內(nèi)部構(gòu)造和物質(zhì)組成不完全相同，造成了在循環(huán)浸水條件下，應(yīng)力重新分布后拉應(yīng)力成為造成損傷的原因。

隨著干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的增加，張拉裂隙和剪切裂隙的數(shù)量都在減小，循環(huán)浸水對試樣的影響是強(qiáng)度削弱和裂隙減少的綜合效果。試樣本身也存在各異性，裂隙分布、物質(zhì)組成等細(xì)微觀差異對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。循環(huán)飽和浸水通過物理和化學(xué)作用[20]，改變試樣顆粒間的膠結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力分布，增加塑性相對區(qū)間，對裂隙發(fā)展和試樣破壞起到緩沖作用。綜合表現(xiàn)為，多次循環(huán)浸水后，加載時間變短，破壞劇烈程度減小。

4 結(jié) 論

(1)巖樣的自然吸水階段分為:含水率加速增長階段、含水率減速增長階段及含水率飽和階段，飽和狀態(tài)的浸水時間確定為42 h。隨著循環(huán)浸水次數(shù)增加，試樣含水率減速增加。

(2)干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的增加使得試樣的抗剪強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)函數(shù)降低，軸向位移整體處于減小狀態(tài)。黏聚力隨循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)降低關(guān)系，而內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)冪函數(shù)先增后減的趨勢，并據(jù)此建立了考慮干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的砂質(zhì)泥巖Mohr-Coulomb模型。

(3)聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線與應(yīng)力曲線對應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)合累計(jì)計(jì)數(shù)曲線能夠輔助劃分試樣破壞過程的各個階段。試樣加載過程中產(chǎn)生的基礎(chǔ)裂隙是張拉裂隙，破壞時刻對應(yīng)的剪切裂隙是試樣失穩(wěn)的直接原因。循環(huán)浸水對巖石材料的裂隙發(fā)展具有抑制作用。