干濕循環(huán)脆性紅砂巖的孔隙及聲發(fā)射特征研究

李達(dá)朗 楊根蘭 魯鯤鵬 龍登武

摘要：為研究脆性紅砂巖在干濕循環(huán)條件下，孔隙率變化情況、變形破壞特征以及聲發(fā)射特征，進(jìn)行了10次干濕循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，最初的孔隙變化主要是小開孔隙過渡為大開孔隙，隨循環(huán)進(jìn)程小開孔隙呈小幅度波動(dòng)，但大開孔隙呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng);干燥、飽和的單軸抗壓強(qiáng)度均呈對(duì)數(shù)降低趨勢(shì);而結(jié)合聲發(fā)射特征曲線可以更合理地把脆性紅砂巖單軸壓縮過程劃分為3個(gè)顯著階段：裂隙壓密階段、彈性變形階段、宏觀破壞階段。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，因孔隙的逐漸擴(kuò)大、增多，壓密階段的聲發(fā)射事件有逐漸增多的趨勢(shì);累計(jì)計(jì)數(shù)的突變可以作為彈性變形階段后巖石內(nèi)部關(guān)鍵斷裂初始擴(kuò)展、貫通的依據(jù);宏觀破壞階段聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)占比隨循環(huán)次數(shù)有降低趨勢(shì)，脆性紅砂巖低次干濕循環(huán)的變形破壞高度集中在宏觀破壞階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙的增大、增多，變形破壞有提前發(fā)生的趨勢(shì)，大量聲發(fā)射活動(dòng)逐漸提前，且破壞形式有脆性破壞向延性破壞的過渡趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：干濕循環(huán);紅砂巖;孔隙率;聲發(fā)射

中圖分類號(hào)：TU458+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用聲發(fā)射技術(shù)研究巖石的變形破壞過程，已取得了很多有意義的研究成果[1-5]。目前，對(duì)于聲發(fā)射在水巖作用、干濕循環(huán)條件下巖石受力變形破壞過程中的聲發(fā)射特征研究也有大量的試驗(yàn)成果。趙勇剛[6]等考慮水溫因素分四組試樣模擬風(fēng)化后的紅砂巖，在單軸壓縮條件下和原狀樣紅砂巖的聲發(fā)射特性進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了不同條件下紅砂巖破壞的聲發(fā)射機(jī)理;李地元[7]等為研究干濕循環(huán)作用下紅頁(yè)巖的靜態(tài)力學(xué)特性對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下的紅頁(yè)巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并進(jìn)行了變形破壞階段劃分;宋朝陽(yáng)[8-9]等對(duì)比分析了不同干濕循環(huán)作用次數(shù)后的巖樣的變形破壞特征，系統(tǒng)地討論了破壞過程中聲發(fā)射參數(shù)的變化特征，并對(duì)其細(xì)觀劣化機(jī)理進(jìn)行了分析。

已有的研究成果[10-17]為在特定環(huán)境中巖石受力變形破壞過程的聲發(fā)射特征研究提高了認(rèn)識(shí)、奠定了理論基礎(chǔ)。但結(jié)合孔隙變化趨勢(shì)對(duì)干濕循環(huán)條件的聲發(fā)射特征研究還較少，而經(jīng)歷干濕循環(huán)后巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙等均有改變，這種變化趨勢(shì)更能被聲發(fā)射特征所體現(xiàn)。所以，本文以脆性紅砂巖為研究對(duì)象，從孔隙因素討論其經(jīng)歷干濕循環(huán)后巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙的變化趨勢(shì)，以及分析在單軸壓縮過程中聲發(fā)射特征參數(shù)與應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系，本文的研究成果可以通過孔隙的演化規(guī)律進(jìn)一步認(rèn)識(shí)水巖作用下巖石的單軸壓縮過程及聲發(fā)射特征，可以為類似研究提供參考。

1試驗(yàn)材料及方案

1.1試驗(yàn)材料

所選取試樣為貴州赤水丹霞地貌區(qū)廣泛出露的白堊系嘉定群上段砂巖，該段砂巖呈巨厚至塊狀，近水平狀產(chǎn)出。取樣點(diǎn)為一采石場(chǎng)，可取較深微風(fēng)化砂巖進(jìn)行加工制樣，參照規(guī)范制作50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件。

在試驗(yàn)前對(duì)砂巖試樣進(jìn)行巖石薄片鑒定，鏡下鑒定結(jié)果為長(zhǎng)石石英砂巖。礦物的成分是影響巖石脆性的主要因素，而該試樣對(duì)脆性礦物石英的含量達(dá)78%。巖樣礦物含量見表1，鏡下顯微照片如圖1所示。

1.2試驗(yàn)方案

為研究干濕循環(huán)條件下脆性紅砂巖的聲發(fā)射特征，共設(shè)計(jì)完成10次干濕循環(huán)，并分別完成1、3、6、10次干濕循環(huán)后的干燥、飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，共制備4（擬定循環(huán)）×2（干燥、飽和）×4（平行試樣）=32個(gè)樣。將“烘干24 h—完全浸水靜置48 h—煮沸強(qiáng)制飽和6 h”視為1次干濕循環(huán)過程，在循環(huán)過程中測(cè)量砂巖試樣的質(zhì)量變化。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1孔隙率變化規(guī)律分析

巖石是一種多孔結(jié)構(gòu)材料，其孔隙及裂隙有大部分是相互連通、和大氣相通，而有少部分是獨(dú)立、形成密閉微空間，所以可把巖石中總的孔隙分為開孔隙和閉孔隙，其中開孔隙按開口規(guī)模細(xì)分為大開孔隙、小開孔隙。

干濕循環(huán)過程中試樣在大氣壓力和室溫條件下完全浸水靜置48 h，這一自由吸水過程是在常溫常壓下進(jìn)行，一般認(rèn)為水只能進(jìn)入試樣的大開孔隙。因此可用48 h的自由吸水率換算試樣的大開孔隙率nb，即：

nb=VbV×100%=ρdWaρw=ρdWa ，（1）

Wa=mw1ms×100%。 （2）

其中：Vb為大開孔隙體積;V為總體積;ρd為干密度;ρw為水的密度，取1 g/cm3;Wa為自由吸水率;mw1為常溫常壓下自由吸入水的質(zhì)量;ms為試樣干質(zhì)量。

一般認(rèn)為試樣在高溫高壓下能進(jìn)入所有開孔隙中，因此可用煮沸6 h強(qiáng)制飽和后的飽和吸水率換算試樣的總開孔隙率no，即：

no=VoV×100%=ρdWpρw=ρdWp ，（3）

Wp=mw2ms×100%。（4）

其中：Vo為總開孔隙體積;Wp為飽和吸水率;mw2為煮沸6 h強(qiáng)制飽和條件下吸入水的質(zhì)量;其余符號(hào)同上。而小開孔隙率na即：

na=no-nb。 （5）

對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，剔除異常后取平均值，根據(jù)10次干濕循環(huán)過程中的測(cè)量結(jié)果，并通過式（1）至（5）換算后，脆性紅砂巖試樣的總開孔隙率從13.59%增至14.34%，總體呈近線性增長(zhǎng)，增幅約55%，見圖2（a）;循環(huán)過程中試樣的大開孔隙率從887%增至9.66%，總體呈近對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，增幅約90%，見圖2（b）;而小開孔隙率在循環(huán)過程中呈不規(guī)律變化，且波動(dòng)幅度不大，基本在4.4%～48%間，見圖2（c）。

根據(jù)圖2各孔隙與干濕循環(huán)的關(guān)系曲線，干濕循環(huán)作用會(huì)在一定程度擴(kuò)大原有孔隙，或形成新孔隙。循環(huán)初期，即循環(huán)1至3次，部分小開孔隙加速擴(kuò)大過渡至大開孔隙，所以體現(xiàn)出小開孔隙率減小而大開孔隙增大，但總孔隙率變化不大;紅砂巖填隙物中有約7%為粘土礦物，隨著干濕循環(huán)推進(jìn)，3至7次循環(huán)在巖石內(nèi)部膠結(jié)薄弱的地方，親水性很強(qiáng)的粘土礦物被溶解，形成新的小開孔隙并且大開孔隙增多、增大，所以總孔隙率增長(zhǎng)幅度逐漸變大;而8至10次循環(huán)主要由小開孔隙逐步擴(kuò)大轉(zhuǎn)變?yōu)榇箝_孔隙，膠結(jié)薄弱的親水礦物已于前期被溶解帶走，剩下的物質(zhì)其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，新孔隙生成少，所以總孔隙增長(zhǎng)幅度小。

2.2單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分析

紅砂巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而呈對(duì)數(shù)降低，如圖3，擬合關(guān)系為：

干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度Rd=Rd1-7.69ln（n），

飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度Rw=Rd1-2.62ln（n）。

其中Rd1、Rd1分別為干濕循環(huán)1次干燥、飽和狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度。從對(duì)數(shù)系數(shù)大小來(lái)看干燥狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度降幅較飽和狀態(tài)大，即受干濕循環(huán)作用影響較大。

與未經(jīng)過干濕循環(huán)的單軸抗壓強(qiáng)度（72.5 MPa）相比，循環(huán)1次后飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度急劇下降，降幅達(dá)20%，循環(huán)越往后抗壓強(qiáng)度降低幅度越小。若按擬合關(guān)系計(jì)算，兩種狀態(tài)隨循環(huán)次數(shù)增多其抗壓強(qiáng)度均趨近于一漸進(jìn)值，飽和狀態(tài)趨近45 MPa、干燥狀態(tài)趨近75 MPa。從單軸抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，干濕循環(huán)6次前降幅較大，而后漸平穩(wěn)，也反映出前幾次循環(huán)對(duì)紅砂巖劣化影響最大，隨干濕循環(huán)的進(jìn)行，其內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)是一個(gè)不穩(wěn)定至漸穩(wěn)定的過程，初期的孔隙增大、增多，親水礦物被溶解、膠結(jié)能力降低等，均是不穩(wěn)定的因素。

而根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，無(wú)論是干燥或者飽和狀態(tài)，該類紅砂巖試樣即使在循環(huán)多次后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出在彈性變形階段后發(fā)生完全破壞均較突然、迅速。其峰值強(qiáng)度階段的應(yīng)變約2%～3%，在變形很小的情況下就趨于發(fā)生破壞，說(shuō)明試驗(yàn)所選研究對(duì)象即赤水紅砂巖脆性特征明顯。

2.3聲發(fā)射特征分析

試驗(yàn)中常用的聲發(fā)射參數(shù)有振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量等。一般說(shuō)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)即振鈴計(jì)數(shù)就是通過設(shè)置一個(gè)閾值電壓，超過此閾值電壓的那些電壓會(huì)形成矩形脈沖，我們對(duì)這些矩形脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在一定程度可以反映聲發(fā)射信號(hào)中的幅度，其變化趨勢(shì)可反映出試樣在單軸壓縮破壞過程中其內(nèi)部裂紋發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)烈程度。本文選擇用累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)行干濕循環(huán)條件下脆性紅砂巖的聲發(fā)射特征分析。

以飽和狀態(tài)為例，進(jìn)行單軸壓縮過程中的聲發(fā)射試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下脆性紅砂巖的時(shí)間-應(yīng)變-累計(jì)計(jì)數(shù)關(guān)系曲線，見圖4。

不考慮循環(huán)次數(shù)從時(shí)間-應(yīng)變-累計(jì)計(jì)數(shù)曲線的整體分析。起初，累計(jì)計(jì)數(shù)曲線小幅度上凸增長(zhǎng)的階段，為巖石單軸壓縮過程中的裂隙壓密階段，該階段聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)有小幅度突增，是因?yàn)閹r石孔隙和微裂隙被集中壓密所導(dǎo)致的聲發(fā)射事件激增。而壓密后，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密、均勻，表現(xiàn)出一定的彈性特征，聲發(fā)射活動(dòng)較少，累計(jì)計(jì)數(shù)曲線近似直線變化且增長(zhǎng)較為緩慢，該段為彈性變形

階段。累計(jì)計(jì)數(shù)直線段后緊接著有大幅度突變上升，該階段為塑性變形至完全破壞階段，隨荷載的加大巖石內(nèi)部大量裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通，該階段聲發(fā)射活動(dòng)頻繁、劇烈。

如圖3、圖4，若只根據(jù)單軸壓縮過程中的應(yīng)變-時(shí)間、應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線，常規(guī)變形破壞中的穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、累進(jìn)性破壞階段在脆性紅砂巖的單軸壓縮過程已不明顯，所以，結(jié)合聲發(fā)射特征曲線可以更合理地劃分為3個(gè)表現(xiàn)顯著的階段：裂隙壓密階段、彈性變形階段、宏觀破壞階段。

根據(jù)時(shí)間-應(yīng)變-累計(jì)計(jì)數(shù)曲線對(duì)脆性紅砂巖試樣在單軸壓縮過程中的階段進(jìn)行劃分后，可分別得到其在干濕循環(huán)1、3、6、10次單軸壓縮裂隙壓密階段累計(jì)計(jì)數(shù)占總比的8%、16%、24%、27%，即隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，壓密階段的聲發(fā)射事件有逐漸增多的趨勢(shì)，在前6次循環(huán)尤為明顯，再結(jié)合上述孔隙率的分析，即在前6次干濕循環(huán)中孔隙率的增大也最明顯，所以對(duì)裂隙壓密階段聲發(fā)射活動(dòng)影響較大，也進(jìn)一步驗(yàn)證了干濕循環(huán)后會(huì)造成孔隙增加或擴(kuò)大。

根據(jù)圖3、圖4，進(jìn)入彈性變形階段后從應(yīng)變變化趨勢(shì)是難以判斷巖石內(nèi)部關(guān)鍵斷裂擴(kuò)展及貫通的，而聲發(fā)射的突變現(xiàn)象可以作為該特征點(diǎn)的判斷依據(jù)。通過累計(jì)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，干濕循環(huán)1、3、6、10次在該特征點(diǎn)即進(jìn)入宏觀破壞階段時(shí)的累計(jì)計(jì)數(shù)占總體的比例分別約13%、29%、40%、41%，即在宏觀破壞階段中聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)占比分別為87%、71%、60%、59%，說(shuō)明脆性紅砂巖低次干濕循環(huán)的變形高度集中在宏觀破壞階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部孔隙、微裂隙增多、擴(kuò)大，壓縮過程中巖石內(nèi)部的變形破壞、聲發(fā)射活動(dòng)也逐漸提前。

而從脆性紅砂巖試樣在破壞時(shí)的特征來(lái)看（圖5），干濕循環(huán)低次的時(shí)候試樣破壞瞬間猛烈、碎石塊彈出很遠(yuǎn)，破壞面形態(tài)主要呈X狀共軛斜面以及垂直豎面，其破壞機(jī)制以張拉為主;循環(huán)到高次后破壞瞬間較溫和、碎石塊濺出距離較近，除低次循環(huán)的兩種破壞形態(tài)外，破壞面還有呈單斜面，這是由于破壞面上的剪切應(yīng)力大于其極限應(yīng)力，其破壞機(jī)制以剪切破壞為主。綜上分析，循環(huán)低次脆性紅砂巖內(nèi)部?jī)?chǔ)存應(yīng)變能的能力較強(qiáng)，而高次循環(huán)后，巖石內(nèi)部更趨于靠裂隙的擴(kuò)展、顆粒的錯(cuò)動(dòng)而釋放應(yīng)變能，所以脆性紅砂巖在干濕循環(huán)條件下，其破壞形式有脆性破壞向延性破壞的過渡趨勢(shì)。

3結(jié)論

（1）紅砂巖在干濕循環(huán)條件下，循環(huán)初期主要是小開孔隙向大開孔隙的過渡，總孔隙變化不大;循環(huán)中期因粘土礦物的溶解、膠結(jié)薄弱帶的破壞等導(dǎo)致小開、大開孔隙都有顯著的增長(zhǎng)，總孔隙在這一階段增幅明顯;循環(huán)后期巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物均逐漸穩(wěn)定，各孔隙增幅漸降低。

（2）干濕循環(huán)作用對(duì)脆性紅砂巖的影響程度隨著循環(huán)次數(shù)的增多而降低。循環(huán)初期、中期是因?yàn)榭紫兜闹饾u擴(kuò)大、增多，以及親水礦物逐步溶解及膠結(jié)薄弱帶的破壞;隨循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，孔隙增長(zhǎng)緩慢、巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，所以循環(huán)后期劣化幅度小、較平穩(wěn)。

（3）干濕循環(huán)條件下紅砂巖的單軸抗壓試驗(yàn)中，干燥、飽和狀態(tài)破壞時(shí)的應(yīng)變約2%～5%，脆性特征明顯;在彈性變形階段后發(fā)生完全破壞均較突然、迅速，應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變-時(shí)間曲線不能明顯地表現(xiàn)出常規(guī)變形破壞中的穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、累進(jìn)性破壞階段;根據(jù)聲發(fā)射特征曲線可以更合理地將脆性紅砂巖的單軸壓縮過程劃分為3個(gè)表現(xiàn)顯著的階段：裂隙壓密階段、彈性變形階段、宏觀破壞階段。

（4）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，壓密階段的聲發(fā)射事件有逐漸增多的趨勢(shì)，主要是因?yàn)榭紫兜闹饾u增大、增多導(dǎo)致;彈性變形階段后累計(jì)計(jì)數(shù)的突變可以作為巖石內(nèi)部關(guān)鍵斷裂初始擴(kuò)展、貫通的依據(jù)，且該特征點(diǎn)后的宏觀破壞階段聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)占比隨循環(huán)次數(shù)有降低趨勢(shì)，說(shuō)明脆性紅砂巖低次干濕循環(huán)的變形高度集中在宏觀破壞階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部孔隙、微裂隙增多、擴(kuò)大，所以變形破壞、聲發(fā)射活動(dòng)也逐漸提前，且破壞形式有脆性破壞向延性破壞的過渡趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：曾晶）