凍融循環(huán)條件下砂巖物理力學(xué)劣化特性的實(shí)驗(yàn)研究

王創(chuàng)業(yè)，李仕璋，劉沂琳

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，包頭 014010)

內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部礦產(chǎn)資源豐富，區(qū)內(nèi)分布有大量的露天礦。受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊?，露天礦邊坡巖體易風(fēng)化，由此造成邊坡淺部災(zāi)害，影響礦山安全生產(chǎn)。這其中，凍融作用通常被認(rèn)為是巖石風(fēng)化劣化的主要影響因素之一[1]。因而研究巖石的凍融損傷機(jī)制對(duì)于內(nèi)蒙古中西部露天礦邊坡淺部災(zāi)害的預(yù)防具有重要意義。

巖石凍融試驗(yàn)是研究巖石凍融損傷機(jī)制的重要手段之一，經(jīng)歷凍融循環(huán)試驗(yàn)后，巖石的宏觀表象和性能變化特征發(fā)生較大變化。李杰林等[2]對(duì)風(fēng)化花崗巖的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，巖石物理力學(xué)性質(zhì)劣化，其風(fēng)化程度加強(qiáng)。張慧梅等[3-4]與Momeni等[5]對(duì)飽水紅砂巖和花崗巖的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，巖石的質(zhì)量、密度、縱波波速、壓縮性、峰值應(yīng)變、殘余強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)明顯變化，且破壞形式由脆性轉(zhuǎn)化為延性。Tan等[6]對(duì)花崗巖的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)同樣表明，巖石的強(qiáng)度、變形特性、彈性模量及黏聚力均發(fā)生顯著變化。巖石經(jīng)歷凍融循環(huán)后，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而顯現(xiàn)出宏觀力學(xué)特性的變化，這一點(diǎn)已得到廣泛證實(shí)[7-9]。Zhou等[10]開(kāi)展了凍融循環(huán)后砂巖的核磁共振(nudear magnetic resonance, NMR)和沖擊加載試驗(yàn)，孔隙尺度與孔隙度隨凍融循環(huán)次數(shù)動(dòng)態(tài)變化，且孔隙度與峰值強(qiáng)度呈多項(xiàng)式關(guān)系。李杰林等[11]對(duì)每輪凍融循環(huán)后的巖樣進(jìn)行NMR測(cè)量，表明NMR結(jié)果能夠地顯示巖石的凍融損傷過(guò)程。

以上研究在一定程度上揭示了凍融循環(huán)對(duì)巖石的損傷影響機(jī)制，對(duì)巖石的凍融損傷問(wèn)題具有借鑒意義。但是上述研究大多只是針對(duì)巖石的一種或者多種物理力學(xué)參數(shù)在凍融循環(huán)前后進(jìn)行對(duì)比分析，而目前，對(duì)巖石經(jīng)歷凍融循環(huán)后，其受力破壞的損傷演化過(guò)程研究較少，而聲發(fā)射(acoustic emission, AE)可以對(duì)巖石在受力全過(guò)程下內(nèi)部微小損傷演化做出直觀反映[12]。鑒于此，以?xún)?nèi)蒙古中西部某露天礦為工程研究背景，對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的砂巖首先進(jìn)行核磁共振測(cè)量，獲取其孔隙率和水分遷移變化規(guī)律；其次進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射事件率和聲發(fā)射能率進(jìn)行綜合分析，探索凍融循環(huán)作用對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)和巖石破裂機(jī)理的影響機(jī)制，為內(nèi)蒙古中西部露天礦邊坡淺部災(zāi)害防治提供參考。

2 試樣制備與試驗(yàn)方案

2.1 試樣的制備

本次試驗(yàn)的砂巖取自?xún)?nèi)蒙古中西部某露天礦區(qū)，首先對(duì)砂巖巖塊用ZS-200巖芯取樣機(jī)取巖芯，接著用切割機(jī)切平巖芯兩端，最后用SHM-200雙端面磨石機(jī)打磨兩端面，制成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖石試樣。

2.2 試驗(yàn)方案

依據(jù)規(guī)程操作要求[13]，結(jié)合研究區(qū)的氣候狀況，將試件放置在ZYB-Ⅱ型真空加壓飽和裝置飽水后，在溫度為-40 ℃的環(huán)境下凍結(jié)4 h，然后在40 ℃的環(huán)境下溶解4 h，記為一次循環(huán)，每次凍融循環(huán)為8 h。試件分為5組，編號(hào)依次為DR0、DR10、DR20、DR30、DR40，分別經(jīng)歷0、10、20、30、40次凍融循環(huán)。每組3個(gè)試件，按1、2、3順序編號(hào)。試件經(jīng)歷每輪凍融循環(huán)后，使用紐邁MiniMR-60核磁共振系統(tǒng)進(jìn)行NMR測(cè)量。

單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備如圖 1所示。

圖1 單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備

試件完成預(yù)定凍融循環(huán)后，采用SAS-2000型巖石剛性壓縮試驗(yàn)機(jī)[圖1(a)]進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將兩個(gè)聲發(fā)射傳感器使用耦合劑和膠帶固定在試件表面，然后將試件置于引伸計(jì)[圖1(b)]中；壓力試驗(yàn)機(jī)以軸向位移控制，0.1 mm/min的加載速度加載，直到試件破壞。試驗(yàn)期間，采用SAEU2S型聲發(fā)射儀[圖1(c)]采集聲發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)采樣頻率:1 MHz，采樣時(shí)間間隔:2 000 μs，波形門(mén)限:40 dB，前放增益:40 dB。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

3.1 試件外觀劣化

試件經(jīng)過(guò)10、20次的凍融循環(huán)后，外觀上沒(méi)有發(fā)生明顯變化；而經(jīng)過(guò)30、40次凍融循環(huán)的試件外觀上發(fā)生劣化，劣化部分的局部圖如圖2所示。

圖2 試件凍融循環(huán)后的劣化形態(tài)

圖2(a)、圖2(b)中，經(jīng)過(guò)30次凍融循環(huán)后的試件分別出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的細(xì)小且較長(zhǎng)的水平裂紋或垂直裂紋；經(jīng)過(guò)40次凍融循環(huán)后的試件出現(xiàn)了多種劣化形式共存的現(xiàn)象:圖2(c)中，試件上出現(xiàn)了明顯的網(wǎng)絡(luò)狀裂紋；圖2(d)中試件上水平裂紋或垂直裂紋較30次循環(huán)更深更長(zhǎng)，且裂紋附近呈鮞狀，出現(xiàn)了明顯的顆粒脫落現(xiàn)象，部分區(qū)域出現(xiàn)坑狀缺陷。

3.2 孔隙率及束縛流體飽和度變化

孔隙率是定量描述巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)，反映了凍融對(duì)巖石造成的損傷[10]。如前所述，試件每次凍融循環(huán)結(jié)束都會(huì)進(jìn)行NMR檢測(cè)，所以在研究孔隙率變化時(shí)，以5次循環(huán)為間隔分析40次凍融循環(huán)的DR40-1、2、3試件的平均孔隙率變化，取三個(gè)試樣的孔隙率平均值，可以排除因巖石個(gè)體差異的影響而帶來(lái)的試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的孔隙率呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢(shì)，但是整體變化幅度并不大，約在2.06%左右。對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下的平均孔隙變化率進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，擬合的平均孔隙變化率曲線(xiàn)如圖 3所示。

表1 40次凍融循環(huán)試件平均孔隙變化率表

圖3 平均孔隙變化率變化曲線(xiàn)

由圖3可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加砂巖的平均孔隙變化率呈二次方函數(shù)的變化趨勢(shì)，逐漸增加，但是增大的趨勢(shì)逐漸減緩并趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明孔隙率在凍融循環(huán)影響下的劣化是有一定限度的。

束縛流體飽和度是度量巖石內(nèi)部孔隙變化的另一個(gè)重要參數(shù)[14]。束縛流體飽和度的占比與顆粒間約束能力的強(qiáng)弱有直接關(guān)系。將DR40-1、2、3試件每次凍融循環(huán)后的平均束縛流體飽和度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化如圖4所示。

圖4 40次凍融循環(huán)試件束縛流體飽和度變化曲線(xiàn)

由圖4可知，未進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)(0次)，束縛流體飽和度均在50%左右，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，束縛流體飽和度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，且下降幅度明顯，在第40次循環(huán)后，束縛流體飽和度僅為10%～20%。說(shuō)明凍融過(guò)程中，由于凍脹，試件內(nèi)部的微小孔隙體積變大、孔隙率逐漸增加；同時(shí)，試件內(nèi)部中與巖石顆粒相結(jié)合的束縛流體也有部分融化為自由流體；束縛流體飽和度的降低從側(cè)面反映了巖石顆粒間約束能力的不斷削弱，這是導(dǎo)致試件損傷劣化的重要因素。

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)比較

軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)反映了試件在外力作用下的變形規(guī)律，下文分析中每組試件僅取一塊分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

基于體積應(yīng)變法[15]，將全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)劃分為以下5個(gè)階段:oa為Ⅰ階段；ab為Ⅱ階段；bc為Ⅲ 階段；cd為Ⅳ 階段；d點(diǎn)以后為Ⅴ階段。該階段劃分便于后文聲發(fā)射參數(shù)分析。

由圖 5可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的峰值強(qiáng)度迅速降低，峰值強(qiáng)度在0～10、10～20次循環(huán)過(guò)程中降低的不明顯，而在20～30次開(kāi)始顯著降低，直到30～40次循環(huán)降低至未凍融前強(qiáng)度的約1/5；同時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值在前20次循環(huán)過(guò)程中不斷減小，但從30次循環(huán)開(kāi)始應(yīng)變明顯增大并持續(xù)增加；在循環(huán)凍融過(guò)程中，試件到達(dá)峰值應(yīng)力前曲線(xiàn)斜率逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的塑性特征。

凍融系數(shù)是巖石凍融損傷程度的判定標(biāo)準(zhǔn)，凍融系數(shù)越低，證明巖石試件的凍融損傷越嚴(yán)重，其表達(dá)式[13]為

(1)

五組試件的巖石凍融系數(shù)與凍融次數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖 6所示。

圖6 凍融系數(shù)變化曲線(xiàn)

由圖 6所示，凍融系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加也迅速降低，30～40次循環(huán)間曲線(xiàn)斜率最大，凍融系數(shù)下降最快。這共同反映凍融循環(huán)對(duì)巖石試件孔隙結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)累積劣化過(guò)程，試件內(nèi)部發(fā)生不可逆的劣化，從而使巖石具有更明顯的塑性特征?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)本文所研究的砂巖，30次凍融循環(huán)是巖石性質(zhì)發(fā)生變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之前表現(xiàn)出彈性特征，之后為塑性特征。

3.4 聲發(fā)射時(shí)域參數(shù)分析

聲發(fā)射參數(shù)能夠反映巖石內(nèi)部的損傷破壞規(guī)律，通過(guò)分析聲發(fā)射時(shí)域特征參數(shù)來(lái)研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)巖石的損傷過(guò)程[16]。選取聲發(fā)射事件率、能率分析凍融循環(huán)條件下聲發(fā)射信號(hào)與巖石變形破壞間的聯(lián)系。

3.4.1 聲發(fā)射事件率變化特征

聲發(fā)射事件率反映了聲發(fā)射事件的頻度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的軸向應(yīng)力、聲發(fā)射事件率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖 7所示。如圖7可知，0、10、20次凍融循環(huán)聲發(fā)射事件率總體呈現(xiàn)近似于“U”形，即前期高事件率，中期低事件率，后期又快速上升為高事件率；0次循環(huán)時(shí)，事件率呈現(xiàn)前期高，中期降低，后期又快速上升，整體變化趨勢(shì)呈“U”形；10次循環(huán)時(shí)，前期事件率較0次循環(huán)降低；20次循環(huán)時(shí)中期事件率較0次、10次有所提高；30次凍融循環(huán)后，加載全程均為高事件率，無(wú)明顯變化趨勢(shì)，此時(shí)的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)仍為脆性巖石的變化趨勢(shì)，但前20次循環(huán)試件的聲發(fā)射事件率特征已完全消失；40次循環(huán)后聲發(fā)射事件率與前20次特征相反，前期低事件率，中期高事件率，后期事件率逐漸降低，呈“凸”形。

圖7 聲發(fā)射事件率與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖7(a)中Ⅱ、Ⅲ階段因主要發(fā)生彈性變形并伴隨著微裂隙的緩慢發(fā)育，聲發(fā)射事件較少，故主要存在低事件率特征，事件率低于20個(gè)/s；隨著循環(huán)次數(shù)的增加Ⅱ、Ⅲ階段的聲發(fā)射事件逐漸增多，聲發(fā)射事件率增加，在30次循環(huán)時(shí)達(dá)到最高，為120個(gè)/s[圖 7(d)]，這是因?yàn)殡S著凍融損傷的不斷加劇，顆粒間的膠結(jié)性不斷弱化，孔隙更易破裂，微裂隙更易貫通，導(dǎo)致聲發(fā)射活動(dòng)更加活躍。這也說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)試件的損傷主要集中在對(duì)孔隙的作用上，其膠結(jié)強(qiáng)度所能承受的局部應(yīng)力越來(lái)越小，30次循環(huán)時(shí)試件的內(nèi)部損傷最為明顯；40次循環(huán)時(shí)試件已劣化為塑性巖石，事件率隨應(yīng)力的增大而上升，接近Ⅳ階段時(shí)事件率達(dá)到最高，為118個(gè)/s。

各試件均在峰值應(yīng)力到達(dá)時(shí)出現(xiàn)明顯的低事件率缺失現(xiàn)象，這說(shuō)明試件破壞時(shí)的聲發(fā)射活動(dòng)極為活躍，此時(shí)出現(xiàn)更多的是宏觀裂紋的擴(kuò)展。前30次循環(huán)內(nèi)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，低事件率缺失的區(qū)域面積也越來(lái)越小，出現(xiàn)高低事件率并存現(xiàn)象，破壞形式更加復(fù)雜；如圖 7(e)所示，40次循環(huán)后，高事件率出現(xiàn)在峰值應(yīng)力時(shí)同時(shí)出現(xiàn)明顯的低事件率缺失，隨著應(yīng)力的緩慢下降，事件率也在不斷下降，試件瞬間失穩(wěn)的現(xiàn)象消失，峰值應(yīng)力后孔隙的破壞和微裂紋發(fā)育仍不停出現(xiàn)。

3.4.2 聲發(fā)射能率變化特征

聲發(fā)射能率是單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射所釋放的能量。不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖石試件的能率、軸向應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 聲發(fā)射能率與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

根據(jù)聲發(fā)射能量釋放數(shù)量級(jí)的不同，將試件能量的釋放過(guò)程劃分為兩個(gè)階段，其中將峰值應(yīng)力附近聲發(fā)射能量釋放較高的階段定義為“爆發(fā)期”，聲發(fā)射能量釋放較低的階段定義為“平穩(wěn)期”。

統(tǒng)計(jì)各組試樣峰值能率隨循環(huán)次數(shù)的變化如表2所示。結(jié)合圖 8及表 2可知，0次循環(huán)的試件峰值能率最高；10～30次循環(huán)時(shí)試件的峰值能率相差不大，均為0次循環(huán)的1/5左右，這說(shuō)明前30次凍融循環(huán)對(duì)峰值能率沒(méi)有明顯的影響；40次凍融循環(huán)后，峰值能率明顯的下降，試件發(fā)生脆-塑性轉(zhuǎn)變后峰值能率下降明顯，此時(shí)能量的釋放隨應(yīng)力的上升和下降而相應(yīng)的增大和減?。?0次凍融循環(huán)后的峰值能率僅為0次循環(huán)時(shí)的1/10左右，這說(shuō)明凍融循環(huán)作用會(huì)使聲發(fā)射活動(dòng)釋放的能量減少，這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)弱化了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，巖石破壞時(shí)所釋放的能量也與之減少。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的峰值能率與其他階段的平均能率比值

在“平穩(wěn)期”，0、10、20次凍融循環(huán)的試件幾乎沒(méi)有明顯的能量釋放，“平穩(wěn)期”平均能率約為峰值能率的1/500～1/90，說(shuō)明能量釋放均集中在爆發(fā)期；30次循環(huán)時(shí)“平穩(wěn)期”則出現(xiàn)了較高的能量釋放，此時(shí)“平穩(wěn)期”平均能率可達(dá)到峰值能率的1/10左右，這說(shuō)明30次循環(huán)的試件在破壞全過(guò)程聲發(fā)射活動(dòng)強(qiáng)度更大，能量釋放更均勻；試件劣化在前30次具有脆性特征的巖石中最為明顯；40次循環(huán)的試件因劣化為塑性巖石，全過(guò)程出現(xiàn)兩個(gè)“平穩(wěn)期”[圖 8(e)]，且“平穩(wěn)期”平均能率與峰值能率的比值下降至1/50，能量釋放集中在“爆發(fā)期”，此時(shí)“平穩(wěn)期”的聲發(fā)射能率與0～20次循環(huán)“平穩(wěn)期”的聲發(fā)射能率相似，無(wú)明顯能量釋放，聲發(fā)射活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于30次循環(huán)。

4 結(jié)論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，從30次循環(huán)開(kāi)始，試件發(fā)生明顯的外觀劣化，主要有宏觀裂紋的產(chǎn)生、塊體脫落、裂紋周?chē)尸F(xiàn)鮞狀結(jié)構(gòu)3種現(xiàn)象。

(2)試件的孔隙率變化與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)，但是其孔隙變化率的變化趨勢(shì)趨向平緩；束縛流體飽和度變化與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，試件顆粒間的膠結(jié)性隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷降低。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，聲發(fā)射事件率變化趨勢(shì)為前期高、中期低、后期高的“U”形→全程高事件率→前期低、中期高、后期低的“凸”形；且試件失穩(wěn)時(shí)低事件率缺失面積逐漸減少，在30次凍融循環(huán)時(shí)達(dá)到最小，試件破壞形式趨于復(fù)雜。試件破壞釋放的能量逐漸減少，峰值能率下降明顯；“平穩(wěn)期”平均能率與峰值能率的比值之間逐漸增大，在30次凍融循環(huán)時(shí)達(dá)到最大，破壞全過(guò)程聲發(fā)射活動(dòng)強(qiáng)度較高。

(4)就本試驗(yàn)條件，30次凍融循環(huán)是凍融對(duì)試件劣化影響的分界線(xiàn)。表現(xiàn)為:凍融系數(shù)顯著降低；應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)明顯反映出巖石的脆-塑性轉(zhuǎn)變；聲發(fā)射事件率高、活躍，能率強(qiáng)度大。由此可將30次凍融循環(huán)作為砂巖凍融劣化的界定標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)實(shí)際工程的安全性評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。