含水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖Ⅰ型斷裂的影響機(jī)理及試驗(yàn)研究

詹思博，劉祥鑫,2，張艷博，王曉雷

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

自然狀態(tài)下工程現(xiàn)場(chǎng)的巖體大部分含有一定水分[1]，在水的物理化學(xué)及力學(xué)作用下，巖體組分和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微細(xì)觀上的改變，進(jìn)而對(duì)巖石的物理、力學(xué)及破裂屬性產(chǎn)生一定影響，在施工過程中巖石內(nèi)部含水狀態(tài)對(duì)人員安全、工程進(jìn)行起著重要的作用。因此，研究不同含水狀態(tài)下巖石的力學(xué)特性以及破裂機(jī)制具有重要的工程意義。

近幾十年來，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛用于地下采礦等巖石工程礦壓監(jiān)測(cè)和失穩(wěn)預(yù)測(cè)中，通過對(duì)巖石聲發(fā)射信息進(jìn)行處理、分析和研究，進(jìn)而提取相應(yīng)的聲發(fā)射特征[2-4]，對(duì)推斷巖石內(nèi)部的破壞狀態(tài)，反演巖石的斷裂機(jī)制具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同含水狀態(tài)下巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律以及聲發(fā)射特征規(guī)律展開了大量研究。HASHIBA等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究水對(duì)單軸拉伸巖石性能的影響，發(fā)現(xiàn)單軸拉伸強(qiáng)度的降低率大于單軸抗壓強(qiáng)度，而各種巖石的壓縮率幾乎不變;BURSHTEIN[6]研究了含水率對(duì)含泥質(zhì)砂巖和泥巖的強(qiáng)度和變形的影響，含水率泥質(zhì)粉砂巖的強(qiáng)度對(duì)含水率的變化更為敏感，且強(qiáng)度快速衰減發(fā)生在低含水率狀態(tài)下;尤明慶等[7]對(duì)干燥狀態(tài)和飽和水狀態(tài)下砂巖圓盤和圓環(huán)進(jìn)行了巴西劈裂試驗(yàn)，分析研究飽水對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律及原因。

本研究選取工程現(xiàn)場(chǎng)中受水影響較明顯、較為常見的泥質(zhì)粉砂巖，開展三種含水梯度的巴西圓盤劈裂聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，探究含水狀態(tài)與聲發(fā)射時(shí)頻特性之間的關(guān)系，以期為水-力聯(lián)合作用下的巖體張性破裂的力學(xué)性能提供研究基礎(chǔ)。

1 不同含水狀態(tài)下劈裂試驗(yàn)

1.1 試樣制備

巖石樣品的制備將嚴(yán)格按照《工程巖體試驗(yàn)方法》操作，巖性選擇礦山中較為常見的泥質(zhì)粉砂巖，肉眼觀察無明顯層理，無風(fēng)化作用。將巖石加工成直徑為50 mm，厚度為25 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，并對(duì)切割后的泥質(zhì)粉砂巖用細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，確保截面的平行度控制在±0.02 mm以內(nèi)，端面與軸線的垂直偏差不超過±0.25°。對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行含水狀態(tài)處理，分為干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)，試樣數(shù)量設(shè)置為每個(gè)狀態(tài)下4個(gè)。

不同含水狀態(tài)試樣的處理如下所述。①干燥狀態(tài)：將試樣置于105 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥48 h；②自然狀態(tài)：將直接取自現(xiàn)場(chǎng)深處未風(fēng)化的巖樣用保鮮膜包裹；③飽水狀態(tài)：采用自由浸水法，將試件放入水槽先注水至試件高度的1/4處，以后每隔2 h分別注水至試件高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒試件，48 h后拭去表面的水分。經(jīng)過上述處理后計(jì)算得出3種含水狀態(tài)試件的平均含水率分別為0%、1.35%、4.08%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加載系統(tǒng)選擇長(zhǎng)春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-3000型電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備加載全過程可同時(shí)采集載荷、位移量、時(shí)間等數(shù)據(jù)。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司PAC生產(chǎn)的PCI-2型8通道全數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有全波形采集處理和實(shí)時(shí)聲發(fā)射定位功能，此外，通過高清高速相機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行錄制，記錄試樣的破裂形態(tài)。

采用特定的劈裂試驗(yàn)?zāi)＞?，所受的軸壓則由TAW-3000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)單獨(dú)自動(dòng)施加并記錄數(shù)據(jù)。巴西劈裂試驗(yàn)的受力狀態(tài)屬于圓盤對(duì)心受壓狀態(tài)(圖1(a))。采用力控方式，加載速率為10 N/s。聲發(fā)射前置放大器40 dB固定增益，檢測(cè)門檻40 dB。選用R6α型諧振式高靈敏度傳感器，將傳感器布置在試樣后方，其工作頻率范圍為35～100 kHz，采樣頻率為1 MHz/s，采樣長(zhǎng)度為2 K。傳感器與試件之間涂抹一層凡士林來增加傳感器與試件之間的耦合度，再用膠帶將其固定(圖1(b))。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最終破裂方式

1) 宏觀斷裂形態(tài)。觀察整個(gè)巖石破裂過程可以清晰看到，破裂時(shí)不同含水狀態(tài)下試件破裂現(xiàn)象較為一致，首先從兩端起裂，加載端最先出現(xiàn)裂紋，后形成大裂紋穿過圓盤中心直至貫通整個(gè)試件，出現(xiàn)Ⅰ型張拉破壞，屬于典型的脆性破壞。干燥狀態(tài)和自然狀態(tài)下試件在大裂紋貫通時(shí)伴有較大聲響，飽水試件在破壞時(shí)出現(xiàn)較為平靜的破壞，發(fā)生主破裂時(shí)發(fā)出的聲音較低沉。

泥質(zhì)粉砂巖試件發(fā)生了明顯的張開型斷裂，破裂產(chǎn)生的主裂紋經(jīng)過上下兩加載點(diǎn)與圓心連線，但不同含水狀態(tài)下最終試驗(yàn)結(jié)果有所不同，干燥狀態(tài)下破裂面較為光滑，貫通裂紋較為平直，飽和狀態(tài)下破裂面粗糙不平，雖然裂紋穿過加載試樣的中心，但裂紋擴(kuò)展得較為曲折，如圖2所示。

2) 聲發(fā)射AF-RA分布云圖。聲發(fā)射參數(shù)中的RA值(上升時(shí)間和幅值的比值)和平均頻率AF(振鈴計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間的比值)可以反映材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋類型[8]，高AF值、低RA值的聲發(fā)射信號(hào)通常代表張拉裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，低AF值、高RA值的聲發(fā)射信號(hào)則是剪切裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育。繪制聲發(fā)射RA-AF的散點(diǎn)分布密度云圖，如圖3所示。三種含水狀態(tài)均發(fā)生了純張拉破壞，即Ⅰ型斷裂模式。水雖然不會(huì)改變其破壞模式，但能夠影響其最終破裂形態(tài)。水對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的改變，使得巖石內(nèi)部出現(xiàn)軟化，這些薄弱區(qū)域更容易形成次生裂紋，在加載過程中次生裂紋不斷開裂、擴(kuò)展并且相互貫通，形成小范圍的閉鎖區(qū)進(jìn)而產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，促進(jìn)微觀裂紋向各個(gè)可能薄弱方向擴(kuò)展、匯集，直至形成宏觀破裂面，最終導(dǎo)致含水率較高的試樣破裂面的形態(tài)特征變得更為復(fù)雜、粗糙不平，貫通裂紋更加曲折。

圖1 加載示意圖和聲發(fā)射探頭布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading and acoustic emission probe arrangement

圖2 三種含水狀態(tài)下劈裂試驗(yàn)最終破壞方式Fig.2 The final failure mode of the split test under three water bearing states

圖3 聲發(fā)射RA-AF密度分布圖Fig.3 Density distribution map of acoustic emission RA-AF

2.2 力學(xué)響應(yīng)特征

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)程[9]，得到試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，見式(1)。

(1)

式中：σt為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；P為試樣破壞時(shí)最大的載荷，N；D為試樣直徑，mm；H為試樣厚度，mm。

從巖石試驗(yàn)機(jī)獲取加載全過程的載荷、位移量、時(shí)間等數(shù)據(jù)，按照式(1)進(jìn)行計(jì)算各試樣的抗拉強(qiáng)度。圖4為泥質(zhì)粉砂巖試件在不同含水狀態(tài)下的強(qiáng)度變化趨勢(shì)。圖4中用不同形狀的符號(hào)表示該含水狀態(tài)對(duì)應(yīng)編號(hào)試件的抗拉強(qiáng)度值，虛線為三種含水狀態(tài)下試件平均抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。由圖4可知，干燥狀態(tài)下泥質(zhì)粉砂巖試樣的抗拉強(qiáng)度最大，并且隨含水量的增大顯著降低，飽水狀態(tài)巖樣的平均抗拉強(qiáng)度僅為干燥狀態(tài)下的39.71%，試驗(yàn)結(jié)果表明水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖力學(xué)特性的弱化效應(yīng)十分明顯。

圖4 不同含水狀態(tài)下的強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of strength change under different water bearing states

3 不同含水泥質(zhì)粉砂聲發(fā)射時(shí)頻特征

3.1 巖樣聲發(fā)射參數(shù)分析

從聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)角度可以直觀地反映巖石在整個(gè)受力變形破壞階段的內(nèi)部損傷情況和微裂紋的孕育、萌生、擴(kuò)展、貫通的演化過程。本文選取聲發(fā)射能率和聲發(fā)射累積能量作為特征參量(圖5)，通過分析這類參量的時(shí)間序列特征，即巖石內(nèi)部破裂時(shí)聲發(fā)射能量參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)而總結(jié)得到巖石Ⅰ型張開型斷裂過程中能量釋放的演化規(guī)律，可分為以下幾個(gè)階段。

圖5 不同含水狀態(tài)下AE能率與AE累積能量Fig.5 AE energy rate and AE cumulative energy in different water bearing states

1) AB段：初始裂隙壓密階段，由于飽水和自然狀態(tài)下試樣因內(nèi)部含水聲發(fā)射活動(dòng)較弱，裂紋閉合時(shí)釋放能量普遍不高；干燥巖樣初始?jí)好茈A段持續(xù)時(shí)間短，出現(xiàn)從無到有的突增；巖石內(nèi)部裂隙閉合時(shí)顆粒摩擦或者滑移時(shí)釋放的能量較多，所以聲發(fā)射活動(dòng)一直保持十分活躍的狀態(tài)。

2) BC段：線彈性階段，各個(gè)狀態(tài)下巖樣主要發(fā)生彈性變形，巖石內(nèi)部聲發(fā)射事件增多，聲發(fā)射能率也逐漸提高；干燥試件的無水狀態(tài)，其內(nèi)部原生孔隙干燥無物，易產(chǎn)生壓縮而變形較大，出現(xiàn)的聲發(fā)射能率曲線上下波動(dòng)更為劇烈。

3) CD段：失穩(wěn)階段，巖石試樣內(nèi)部原生裂紋急速擴(kuò)張，巖石出現(xiàn)貫通試件的Ⅰ型張開型裂隙，伴生的次級(jí)裂紋較少；巖石失穩(wěn)破壞瞬間迅速釋放出大量能量，聲發(fā)射能率階躍式上升，聲發(fā)射能率峰值隨著含水率的增加而增加；此外，干燥試樣在加載全過程聲發(fā)射活動(dòng)始終保持著活躍狀態(tài)，在破裂期聲發(fā)射能率峰值反而小于飽水巖樣。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，干燥巖樣的聲發(fā)射活動(dòng)也更為活躍，能率表現(xiàn)更為劇烈，對(duì)外釋放的能量更多。干燥處理后的試樣質(zhì)地類比更為堅(jiān)硬，整體變形也同時(shí)變大，巖石內(nèi)部各礦物顆粒邊界間發(fā)生摩擦或者滑移時(shí)產(chǎn)生的損傷較多，損傷破裂時(shí)釋放的能量更多。自然及飽水巖石破裂演化過程較相似，由于含水軟化，溶解了顆粒間部分膠結(jié)物，削弱了礦物顆粒間的摩擦力，致使飽水巖石出現(xiàn)次生劈裂裂紋(圖2(c)中圓圈處)，其聲發(fā)射累積能量大于自然狀態(tài)。

3.2 聲發(fā)射信號(hào)主頻特征

聲發(fā)射信號(hào)時(shí)序特征分析具有一定的局限性，近年來許多學(xué)者從聲發(fā)射波形的角度對(duì)巖石破壞發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究[10-11]。對(duì)比不同含水狀態(tài)、不同時(shí)刻的主頻信息，分析主頻在加載過程中的變化趨勢(shì)及分布規(guī)律。圖6為巖石破裂載荷與聲發(fā)射信號(hào)主頻-時(shí)間的變化散點(diǎn)分布圖，可直觀地觀測(cè)主頻具體分布范圍以及有無突變主頻值出現(xiàn)的情況。為更清晰地觀測(cè)聲發(fā)射主頻密集程度隨著應(yīng)力加載變化時(shí)間演化規(guī)律，引入數(shù)學(xué)上隨機(jī)數(shù)據(jù)概率密度函數(shù)的概念，繪制出主頻分布密度散點(diǎn)圖，如圖7所示。

對(duì)比含水狀態(tài)與主頻分布特征及其差異性具體如下所述。

1) 主頻帶分布特征：干燥狀態(tài)下，主頻集中分布于90～103 kHz和38 kHz附近，在67 kHz也有少量分布；自然狀態(tài)下，主頻20～105 kHz呈條帶狀分布，在105 kHz和50 kHz附近密集分布；飽水狀態(tài)下在90～100 kHz分布減少，集中分布在40 kHz附近；隨著含水量增加，主頻帶分布經(jīng)歷由中高頻和中低頻集中分布到逐漸分散，再集中分布在中低頻的過程；飽水后低頻區(qū)域內(nèi)主頻數(shù)量占比增大，中頻、高頻區(qū)域內(nèi)主頻數(shù)量占比減小，表明飽水后巖石破裂過程主頻由中頻、高頻向低頻轉(zhuǎn)移。

2) 主頻分布密度演化特征：圖7中顏色越深表明主頻分布越稀疏，顏色越亮表明分布越密集。不同含水狀態(tài)下主頻在時(shí)間維度上分布都經(jīng)歷了從無到稀疏再到集中的過程，破裂過程中飽水狀態(tài)下主頻逐漸密集直至試件破壞達(dá)到峰值，而干燥和自然狀態(tài)下密度在經(jīng)歷峰值后都有所下降。試件宏觀破壞時(shí)刻相對(duì)于主頻密度峰值時(shí)間均有滯后，且含水量越低滯后越明顯。

3) 突發(fā)特異主頻特征：干燥狀態(tài)下臨近破壞時(shí)刻出現(xiàn)了175 kHz、270 kHz高頻主頻值，在飽水狀態(tài)下出現(xiàn)了20 kHz較低頻主頻值； 根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)高頻對(duì)應(yīng)于小尺度裂紋，低頻對(duì)應(yīng)于大破裂[12]；干燥狀態(tài)下試件在破裂時(shí)產(chǎn)生了微小裂紋，飽水試件在破裂時(shí)伴隨有較大尺度破裂產(chǎn)生，自然狀態(tài)無突變主頻值出現(xiàn)。

圖6 主頻分布散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of main frequency distribution

圖7 主頻分布密度示意圖Fig.7 Density plot of main frequency distribution

4 含水對(duì)Ⅰ型斷裂下泥質(zhì)粉砂巖的影響機(jī)理探討

4.1 水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖物理本體的影響

泥質(zhì)粉砂巖屬地質(zhì)軟巖，具有易崩解性、易軟化、易風(fēng)化、弱膨脹等工程屬性[13]。該巖石的主要礦物成分有石英、長(zhǎng)石、巖屑以及少量云母等，且富含黏土礦物。礦物的黏滯性對(duì)于含水率十分敏感，部分礦物溶于水以及與水反應(yīng)生成其他物質(zhì)，從而削弱了巖石顆粒間的凝聚力。含水率增大使得礦物間的黏結(jié)力減弱，增強(qiáng)了礦物集合體之間的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度隨著含水率升高而降低。

泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)部疏松多孔，水進(jìn)入試件內(nèi)部會(huì)填充一部分微裂隙和礦物顆粒間的孔隙，增加巖石孔隙間的連通性，進(jìn)而增加其孔隙度。巖樣內(nèi)部孔隙水壓力結(jié)合外部載荷對(duì)巖石產(chǎn)生了應(yīng)力作用而出現(xiàn)體積擴(kuò)張，進(jìn)而促進(jìn)巖石內(nèi)部徑向張力增加，誘發(fā)產(chǎn)生微裂隙加速了巖石的破裂。

結(jié)合不同含水狀態(tài)下巖石的抗拉強(qiáng)度、宏觀破裂模式、破裂形態(tài)特征等相關(guān)分析可得，含水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖Ⅰ型張拉斷裂的影響是一個(gè)巖石宏觀物理力學(xué)性質(zhì)劣化的過程。浸水后由于水的潤(rùn)滑、軟化以及溶解、浸蝕等水-巖物理、化學(xué)作用，以及受載巖石在外加載荷作用下巖石內(nèi)孔隙水壓發(fā)生改變是巖石遇水強(qiáng)度劣化的主要原因。水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖物理本體的影響可解釋為：水分子進(jìn)入微裂隙和顆粒之間的孔隙中，溶解了部分顆粒間的膠結(jié)物，削弱了巖樣內(nèi)部粒間聯(lián)結(jié)力。在外部載荷作用下，試件在不連續(xù)面的摩擦阻力減小，降低礦物集合體顆粒間的黏結(jié)力，加速了巖石的破裂。

4.2 水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖破裂過程中聲發(fā)射的影響

含水率不同表現(xiàn)在聲發(fā)射現(xiàn)象上差異也十分明顯。飽水和自然狀態(tài)下巖樣在加載開始到巖樣臨近失穩(wěn)破壞階段，聲發(fā)射活動(dòng)較之干燥試件微弱，聲發(fā)射能量一直處于較低水平。進(jìn)入巖石破壞階段主裂紋發(fā)生貫通，聲發(fā)射能率曲線呈階躍上升，直至巖石達(dá)到強(qiáng)度峰值失去承載力。干燥狀態(tài)試件從加載開始巖石內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)始終保持活躍狀態(tài)，隨著載荷不斷加大，能率曲線也逐漸上升，直至巖石發(fā)生破裂達(dá)到能率峰值。為此，泥質(zhì)粉砂巖在含水率較高的情況下產(chǎn)生破裂所需能量減少，巖石產(chǎn)生和發(fā)生裂隙擴(kuò)展時(shí)聲發(fā)射數(shù)量減少，即在受載過程中吸收的能量以及積聚的彈性應(yīng)變能隨著含水率的增加而減小。

5 結(jié) 論

1) 受水的軟化作用影響，泥質(zhì)粉砂巖峰值荷載降低，飽水狀態(tài)下巖樣的抗拉強(qiáng)度僅為干燥狀態(tài)下強(qiáng)度的39.71%，且三種含水狀態(tài)下巖石的破裂模式均為純Ⅰ型張開斷裂破壞。

2) 飽水巖石較之干燥巖石在巖樣劈裂過程的各個(gè)階段其內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)受到抑制，裂紋發(fā)育不明顯，能量釋放減小，巖石含水狀態(tài)不同其聲發(fā)射主頻特征也有所不同。在巖石臨近破裂時(shí)，干燥狀態(tài)下有高頻主頻值出現(xiàn)，飽水狀態(tài)下有低頻主頻值出現(xiàn)。

3) 隨著含水量增加，100 kHz附近高主頻帶逐漸減少，分布逐漸向中低主頻帶集中。20 kHz和50 kHz中低主頻帶隨時(shí)間變化具有“分布極少→集中出現(xiàn)→逐漸消失”的演化規(guī)律可作為本次泥質(zhì)粉砂巖Ⅰ型斷裂試驗(yàn)的敏感頻段。