含水率影響下砂質(zhì)泥巖直剪特性及聲發(fā)射特征

姚強(qiáng)嶺，王偉男，楊書(shū)懿，方 杰，周保精

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.山西師范大學(xué) 國(guó)有資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，山西 臨汾 041000)

煤礦開(kāi)采擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)及完整性遭到破壞和水資源運(yùn)移[1]，此過(guò)程將發(fā)生水-巖相互作用。水巖作用過(guò)程改變了煤巖體的微觀結(jié)構(gòu)、礦物組分及煤巖體裂隙發(fā)育形態(tài)，弱化了煤巖體的物理力學(xué)性能，容易引起工程巖體的變形失穩(wěn)[2-6]。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，水-巖作用得到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，從解決不同問(wèn)題的角度開(kāi)展了巖石單軸及三軸壓縮、剪切等試驗(yàn)研究。LASHKARIPOUR等[7-8]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，研究了含水率影響下泥巖和頁(yè)巖強(qiáng)度損傷弱化規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了泥巖和頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加呈負(fù)指數(shù)減小的規(guī)律。LI等[9]基于分形理論，研究了高壓水射流作用下煤塊破碎粒徑分布規(guī)律，得到了煤粒大小和入口水壓的關(guān)系，為零排放發(fā)電水煤漿的制備提供了理論基礎(chǔ)。PANG等[10]考慮了圍壓對(duì)巖石滲透性的影響，分別采用物理實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了三軸應(yīng)力下巖石滲透率的變化及裂隙擴(kuò)展的規(guī)律，對(duì)煤層底板的突水機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了判斷底板突水的依據(jù)。鄧華鋒等[11-12]基于連續(xù)損傷力學(xué)和統(tǒng)計(jì)理論，并通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)水-巖作用中反復(fù)浸水的工程實(shí)例進(jìn)行了研究，較好地解釋了邊坡巖體在降雨或因水庫(kù)水位升降而引起的變形破壞狀況。顧大釗等[13]通過(guò)物理模擬和數(shù)值模擬方法，對(duì)地下水庫(kù)壩體的地震破壞形態(tài)進(jìn)行了研究，并將研究結(jié)果與地面水庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)由于頂?shù)装宓募s束，地下水庫(kù)壩體比地面水庫(kù)壩體進(jìn)入塑性更慢，驗(yàn)證了地下水庫(kù)抗震安全性，提出了地下水庫(kù)壩體安全系數(shù)的概念。劉業(yè)科[14]采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方法，研究了水-巖作用下深部巖體的損傷演化規(guī)律和流變特性。姚強(qiáng)嶺等[2,15-17]針對(duì)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用，開(kāi)展了水作用下煤系沉積巖力學(xué)試驗(yàn)，揭示了不同含水率、反復(fù)浸水條件下煤系沉積巖宏細(xì)觀變形破壞機(jī)理，系統(tǒng)研究了采空區(qū)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)壩體在含水率和浸水次數(shù)影響下的變形破壞特征。

剪切破壞是工程巖體最常見(jiàn)的破壞形式之一，剪應(yīng)力作用會(huì)使得巖體不同介質(zhì)界面發(fā)生破斷，促使裂隙擴(kuò)展，增大巖體的滲透性。巖體剪切破壞失穩(wěn)發(fā)生時(shí)間較短，破壞形式一般分為剪切破壞、拉剪復(fù)合破壞和剪切滑移3種[18]。WONG等[19]對(duì)預(yù)制裂隙巖石及石膏相似試件進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂隙貫通形式對(duì)巖樣的抗剪強(qiáng)度有影響，拉伸貫通裂隙巖樣抗剪強(qiáng)度比拉剪復(fù)合貫通裂隙低。徐松林和吳文[20]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了大理巖韌性剪切帶局部化變形的產(chǎn)生、發(fā)展和破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)大理巖在剪切荷載作用下，其韌性變形和脆性變形共同存在和發(fā)展，引起巖石破壞的直接原因是韌性剪切帶局部化變形強(qiáng)烈的亞剪切帶。芮勇勤和唐春安[21]通過(guò)RFPA數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)非均勻彈-脆性巖石進(jìn)行了模擬研究，得到了巖石從變形到產(chǎn)生剪切滑移的全過(guò)程，巖石剪切滑移面均由其一端形成，延伸至另一端直至試樣貫通破壞，并發(fā)現(xiàn)巖石剪切破裂面的分形維數(shù)與巖石剪切滑移面的粗糙程度和力學(xué)行為有關(guān)。李克鋼和侯克鵬[22]采用自主研制的壓剪設(shè)備對(duì)飽和巖體試樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，得到了飽和試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角，發(fā)現(xiàn)與自然含水狀態(tài)相比，飽和試樣抗剪性能參數(shù)均下降超過(guò)10%。

工程巖體普遍處于直剪受力狀態(tài)，剪切破壞是煤礦開(kāi)采中巖石破壞的主要形式之一。水對(duì)巖體的弱化作用，對(duì)巷道圍巖、頂?shù)装搴退畮?kù)壩體等工程巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽視的影響。然而，大多數(shù)學(xué)者僅研究飽和巖石與干燥或自然含水狀態(tài)巖石抗剪性能的差異，關(guān)于不同含水率對(duì)巖石直剪特性和裂隙發(fā)育規(guī)律影響的研究較少。地表降雨-蒸發(fā)，水庫(kù)水位升降，地下水滲流等過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致工程巖體含水率處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，因此有必要開(kāi)展含水率對(duì)巖石直剪特性影響的研究。鑒于此，基于自主研制的直剪試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了不同含水率巖石的直剪試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)研究了含水率影響下巖石的直剪特性和聲發(fā)射特征，研究成果為解決水-巖作用產(chǎn)生的工程問(wèn)題提供有益參考。

1 試樣制備

試驗(yàn)所用巖樣為神東礦區(qū)烏蘭木倫煤礦3-1煤層4盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷頂板砂質(zhì)泥巖，侏羅系中下統(tǒng)延安組，干燥狀態(tài)下的平均彈性模量為7.27 GPa，平均泊松比為0.20[23]。將巖石試樣取出后，用保鮮膜包裹密封，防止試樣風(fēng)化。

根據(jù)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》(DZ/T0276.18—2015)，將巖石加工成尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的立方體試塊，相鄰面之間相互垂直，最大偏差不大于0.25°，相對(duì)面之間不平行度小于0.1 mm。共加工立方體試塊60塊，其中3塊用于測(cè)試巖樣浸水規(guī)律，36塊用于直剪試驗(yàn)，余下21塊備用。直剪試驗(yàn)劃分4種含水率和3種法向應(yīng)力，每種含水率和法向應(yīng)力為一組，共進(jìn)行12組試驗(yàn)，每組3塊巖石試塊。若同組試驗(yàn)結(jié)果離散性較大或試驗(yàn)失敗，則用備用試塊進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。

采用德國(guó)Zeiss Imager型偏光顯微系統(tǒng)對(duì)砂質(zhì)泥巖進(jìn)行薄片顯微鑒定試驗(yàn)，以獲取砂質(zhì)泥巖巖性、礦物組分及顯微特征。Imager型偏光顯微系統(tǒng)如圖1所示，包括Imager型偏光顯微鏡和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將Imager型偏光顯微鏡獲取的試樣巖性、礦物組分和顯微特征數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。得到的砂質(zhì)泥巖巖性及礦物組分見(jiàn)表1,表1中標(biāo)本特征為新鮮面灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黏土礦物為主，具有滑感，粉砂質(zhì)碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約60%，自然斷面上可見(jiàn)植物化石，具有水平層理構(gòu)造。由于巖石礦物紋理豐富，在單偏光下顆粒邊緣模糊難以辨別[24]，因此采用正交偏光獲取砂質(zhì)泥巖的顯微特征，如圖2所示。

圖1 偏光顯微鏡Fig.1 Polarization microscope

表1 砂質(zhì)泥巖巖性鑒定Table 1 Identification of sandy mudstone

由表1可知,黏土礦物含量占整體礦物成分的75%，成分主要為高嶺石和伊蒙混層，其中高嶺石吸水性強(qiáng)，遇水后具有可塑性;伊蒙混層遇水后會(huì)使巖石體積膨脹[25]。

圖2(a)為偏光顯微鏡在低倍鏡下的觀測(cè)結(jié)果(比例尺1 000 μm)，發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)泥巖具有水平層理構(gòu)造，可見(jiàn)白色、灰黃色和黑色礦物，結(jié)合表1可知，礦物分別為石英、黏土和炭屑。將偏光顯微鏡放大10倍(比例尺100 μm)，分別觀測(cè)砂質(zhì)泥巖的砂質(zhì)部分和泥質(zhì)部分(圖2(b),(c))，可以發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)部分的礦物主要為石英、炭屑和黏土，其中石英含量最多;泥質(zhì)部分的礦物主要為石英、炭屑、黏土和白云母，其中炭屑和黏土含量最多。

圖2 砂質(zhì)泥巖顯微特征Fig.2 Microscopic characteristics of sandy mudston

為了研究不同含水率巖石的抗剪性能，需要制備含水巖樣。常規(guī)的浸水方法是將試樣放入盛滿水的容器中浸泡，這種方法容易導(dǎo)致試樣崩解破壞[2,15,26-29]。筆者采用自主研制的無(wú)損浸水試驗(yàn)裝置對(duì)巖樣浸水。無(wú)損浸水裝置的原理是將試樣放入密封箱中，加濕器與密封箱通過(guò)塑料導(dǎo)管連接，加濕器產(chǎn)生的水霧經(jīng)過(guò)塑料導(dǎo)管進(jìn)入密封箱，密封箱處于高濕度環(huán)境，進(jìn)而使得巖樣在浸水過(guò)程中能夠保持完好[2,15]。無(wú)損浸水試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 無(wú)損浸水試驗(yàn)裝置[2,15,27-29]Fig.3 Nondestructive immersion test equipment[2,15,27-29]

首先將巖樣放入恒溫干燥箱中進(jìn)行烘干(烘干溫度設(shè)置為105 ℃，時(shí)間為24 h)，之后采用無(wú)損浸水裝置對(duì)干燥巖樣浸水，直至巖樣完全飽和。在浸水的過(guò)程中，每隔一段時(shí)間將巖樣取出，進(jìn)行稱重，得到的砂質(zhì)泥巖含水率隨浸水時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 砂質(zhì)泥巖含水率隨浸水時(shí)間變化規(guī)律Fig.4 Relation of the moisture content of sandy mudstone with water intrusion time

巖樣含水率的計(jì)算公式為

ωa=(ma-md)/md×100%

(1)

式中，ωa為巖樣的含水率，%;ma為浸水巖樣質(zhì)量，g;md為干燥巖樣質(zhì)量，g。

如圖4所示，巖樣含水率隨浸水時(shí)間呈現(xiàn)規(guī)律性變化關(guān)系。通過(guò)擬合曲線發(fā)現(xiàn)，含水率隨浸水時(shí)間呈負(fù)指數(shù)增長(zhǎng)。隨著浸水時(shí)間增加，巖樣含水率增長(zhǎng)速率逐漸減小。根據(jù)浸水曲線和擬合曲線的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)浸水時(shí)間小于18 h時(shí)，巖樣含水率隨浸水時(shí)間幾乎呈線性增加;浸水18 h后巖樣浸水曲線和擬合曲線的斜率開(kāi)始逐漸減小，也即巖樣含水率的增長(zhǎng)速率開(kāi)始逐漸降低;42 h后巖樣浸水曲線和擬合曲線與時(shí)間軸近似平行，巖樣含水率幾乎不再增長(zhǎng)。由此，含水率隨浸水時(shí)間的變化趨勢(shì)可分為3個(gè)階段:① 含水率快速增長(zhǎng)階段(Ⅰ，0～18 h)，巖樣含水率在0～4.75%快速增長(zhǎng)，平均增長(zhǎng)速率0.264%/h;② 含水率緩慢增長(zhǎng)階段(Ⅱ，18～42 h)，巖樣含水率在4.75%～5.63%增長(zhǎng)減緩，速率為0.037%/h;③ 含水率穩(wěn)定階段(Ⅲ，42 h～)，由于連續(xù)96 h(42～138 h)巖樣含水率幾乎不變(5.66%)，認(rèn)為此時(shí)巖樣已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。

為研究不同含水率砂質(zhì)泥巖直剪特性和聲發(fā)射特征，需要選取具有代表性的巖樣含水率，取點(diǎn)方式參照文獻(xiàn)[27]。根據(jù)含水率隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律，0～18 h(含水率快速增長(zhǎng)階段)，巖樣含水率增長(zhǎng)較快，取點(diǎn)應(yīng)密集一些;18 h之后巖樣含水率增長(zhǎng)緩慢，取點(diǎn)應(yīng)稀疏一些，再考慮干燥和飽和的極限情況，確定砂質(zhì)泥巖直剪試驗(yàn)所需含水率分別為0(干燥)，2.00%，4.00%，5.66%(飽和)。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:切向力加載系統(tǒng)、法向力加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖5所示。切向力加載系統(tǒng)為新三思CMT5305型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。法向力加載系統(tǒng)采用自行研制的液壓機(jī)械裝置(直剪試驗(yàn)設(shè)備)，由伸縮式液壓油缸、自動(dòng)控制電動(dòng)液壓泵、機(jī)械反力架等組成。伸縮式液壓油缸最大行程120 mm，自動(dòng)控制電動(dòng)液壓泵額定功率1.5 kW，上面裝有高精度液壓表和調(diào)壓閥，其中調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)法向力大小。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是美國(guó)物理聲學(xué)公司Physical Acoustic Corporation生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)。

圖5 直剪試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Direct shear test system

試驗(yàn)前首先將巖樣放好，開(kāi)啟直剪試驗(yàn)設(shè)備，將液壓油缸緩慢伸長(zhǎng)，使得滾軸滑塊壓頭與巖樣一側(cè)表面接觸，為巖樣提供法向應(yīng)力;調(diào)節(jié)調(diào)壓閥將法向力提高至預(yù)定值(3種法向應(yīng)力大小分別為3，4和5 MPa)，并保持法向力恒定。之后，啟動(dòng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制方式對(duì)巖樣施加切向應(yīng)力，加載速率為0.3 mm/min。為確保試驗(yàn)過(guò)程中巖樣受切向應(yīng)力及聲發(fā)射的同步采集，CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣間隔均設(shè)定為1 μs。聲發(fā)射探頭數(shù)量為2個(gè)(由于本文不進(jìn)行聲發(fā)射定位研究，2個(gè)探頭獲取的聲發(fā)射信號(hào)能夠滿足試驗(yàn)需要，測(cè)得的聲發(fā)射信號(hào)是可靠的，文獻(xiàn)[28-29]均選擇2個(gè)探頭進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè))，測(cè)點(diǎn)分布在巖樣兩側(cè)，具體布置位置如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)聲發(fā)射探頭耦合在巖樣表面，為達(dá)到較好的耦合效果，在探頭與巖樣接觸面上涂上黃油，再用塑料熱熔槍把探頭固定住。本次試驗(yàn)設(shè)定聲發(fā)射系統(tǒng)主放40 dB，檢測(cè)門(mén)檻值40 dB，探頭諧振頻率20～400 kHz。

圖6 聲發(fā)射測(cè)定布置Fig.6 Layout of acoustic emission measuring points

3 含水率對(duì)砂質(zhì)泥巖直剪力學(xué)特性的影響

3.1 不同含水率巖樣剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線

不同含水率、不同法向應(yīng)力下砂質(zhì)泥巖巖樣的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同含水率、不同法向應(yīng)力下砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相似規(guī)律:加載初期，砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈“上凹”狀，曲線斜率不斷升高，表明巖樣剪切模量不斷增加;隨著剪應(yīng)力逐漸增大，曲線趨于直線，此時(shí)剪切模量為常量;之后，曲線呈非線性增長(zhǎng)，斜率逐漸減小，待巖樣破壞后曲線近乎垂直下降，說(shuō)明巖樣發(fā)生脆性破壞。隨著含水率增加，砂質(zhì)泥巖峰值(剪)應(yīng)變逐漸減小。由干燥到飽和，3 MPa法向應(yīng)力條件下巖樣峰值(剪)應(yīng)變由0.029 4減小至0.009 6，減小幅度為67.3%。同理，4 MPa法向應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為0.030 8，0.013 7，55.5%;5 MPa法向應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為0.021 9，0.010 4，52.5%。

圖7 不同含水率砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Shear stress-strain curves of sandy mudstones with different moisture contents

3.2 不同含水率巖樣抗剪強(qiáng)度

砂質(zhì)泥巖巖樣的抗剪強(qiáng)度與含水率之間關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，巖樣抗剪強(qiáng)度與含水率呈負(fù)相關(guān)，與法向應(yīng)力呈正相關(guān)。隨著含水率增加，巖樣抗剪強(qiáng)度呈指數(shù)減小。

圖8 砂質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系Fig.8 Relationship between shear strength and moisture content of sandy mudstone

由干燥到飽和，3 MPa法向應(yīng)力條件下巖樣抗剪強(qiáng)度從5.47 MPa降低至2.65 MPa，降低幅度為51.5%。同理，4 MPa法向應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為6.20 MPa，3.46 MPa，44.2%;5 MPa法向應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為7.31 MPa，4.05 MPa，44.6%。這說(shuō)明水作用對(duì)砂質(zhì)泥巖內(nèi)部造成較為嚴(yán)重的損傷，嚴(yán)重影響巖樣的抗剪強(qiáng)度，且含水率越高，損傷越嚴(yán)重，巖樣抗剪強(qiáng)度越低。

3.3 不同含水率巖樣黏聚力和內(nèi)摩擦角

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則在巖石力學(xué)相關(guān)工程中應(yīng)用廣泛，該準(zhǔn)則認(rèn)為巖石破壞主要是剪切破壞。而黏聚力和內(nèi)摩擦角是用來(lái)評(píng)價(jià)巖石抗剪能力的重要技術(shù)指標(biāo)。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為

τ=c+σtanφ

(2)

式中，τ為巖樣的剪應(yīng)力，MPa;c為巖樣的黏聚力，MPa;σ為巖樣的正應(yīng)力(法向應(yīng)力)，MPa;φ為巖樣的內(nèi)摩擦角，(°)。

由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可知，巖石剪應(yīng)力與正應(yīng)力呈線性關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同含水率巖樣τ-σ關(guān)系曲線，如圖9所示。通過(guò)線性擬合，得到不同含水率巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角，如圖10所示。

圖9 不同含水率砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力-正應(yīng)力分布曲線Fig.9 Distribution of shear stress and normal stress of sandy mudstones with different moisture content

圖10 不同含水率砂質(zhì)泥巖黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.10 Cohesive force and internal friction angle of sandy mudstones with different moisture content

由圖10可知，隨著含水率增加，巖樣黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，但變化規(guī)律不同，其中黏聚力表現(xiàn)為負(fù)指數(shù)下降趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為線性下降趨勢(shì)。由干燥到飽和，巖樣黏聚力從2.66 MPa下降到0.58 MPa，下降了78.2%;內(nèi)摩擦角從42.54°降低至35.05°，降低了17.6%。這是因?yàn)樯百|(zhì)泥巖中高嶺石和伊蒙混層類(lèi)黏土礦物含量較高，尤其是伊蒙混層，遇水后體積膨脹，擠壓周?chē)渌V物，進(jìn)而引起巖石微結(jié)構(gòu)改變，含水率越高，巖石微結(jié)構(gòu)改變?cè)酱?。此外，巖樣浸水后，水分子滲入巖石內(nèi)部原生微裂隙中，在巖石顆粒間形成水膜，削弱顆粒間的膠結(jié)力，降低顆粒間的摩擦系數(shù)，使得巖石破壞時(shí)所克服的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小。含水率越高，巖石顆粒間的膠結(jié)力越弱，粒間摩擦系數(shù)越小，巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角越小。

將黏聚力和內(nèi)摩擦角的擬合公式代入式(2)，得到巖樣抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系為

τ=-1.10e0.2ω+3.89+σtan(-1.19ω+42.53)

(3)

式中，ω為巖樣含水率，%。

基于此，對(duì)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行修正。根據(jù)已知干燥巖樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角值，建立考慮含水率影響的巖石Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，見(jiàn)式(4)。式(4)可為水-巖作用相關(guān)理論和數(shù)值計(jì)算提供一定的參考。

(4)

3.4 不同含水率巖樣剪切破壞特征

為研究含水率對(duì)砂質(zhì)泥巖巖樣剪切破壞特征的影響，以3 MPa法向應(yīng)力為例，得到巖樣直剪破壞特征如圖11所示。

由圖11可知，切向力加載過(guò)程中，不同含水率巖樣均是端部與壓頭接觸應(yīng)力集中處先產(chǎn)生宏觀主裂隙，之后內(nèi)部裂隙沿主裂隙擴(kuò)展、匯聚和貫通。含水率越高，巖樣主裂隙附近的衍生裂隙越多。這是因?yàn)閹r石是具有非均質(zhì)性和各向異性的多孔介質(zhì)材料，當(dāng)水進(jìn)入巖石內(nèi)部孔隙和裂隙后，巖石的礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)和大小、裂隙形態(tài)和方向等均會(huì)發(fā)生改變，且含水率越高，改變?cè)酱蟆Ｒ虼撕畮r樣主裂隙附近會(huì)產(chǎn)生與主裂隙方向不同的衍生裂隙。與含水巖樣相比，干燥巖樣宏觀主裂隙較為平整;飽和巖樣隨著切向力加載，顆粒間相互摩擦和錯(cuò)動(dòng)，巖樣宏觀主裂隙附近出現(xiàn)松散的礦物顆粒，說(shuō)明水作用弱化了巖樣內(nèi)部顆粒的膠結(jié)程度。

圖11 不同含水率砂質(zhì)泥巖直剪破壞特征Fig.11 Characteristics of direct shear failure of sandy mudstones with different moisture content

4 含水率對(duì)砂質(zhì)泥巖聲發(fā)射特征的影響

聲發(fā)射是巖石破壞過(guò)程中的一種伴生現(xiàn)象，蘊(yùn)含著巖石內(nèi)部破壞過(guò)程的重要信息。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為巖石力學(xué)特性和損傷演化規(guī)律研究的重要手段。在不同含水率砂質(zhì)泥巖直剪試驗(yàn)中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，獲取不同含水率巖石在剪切破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征變化規(guī)律，以研究含水率對(duì)巖石剪切破壞過(guò)程中能量釋放大小、裂隙發(fā)育尺度和發(fā)育類(lèi)型等的影響。

4.1 不同含水率巖樣累計(jì)聲發(fā)射特征

聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)能夠反映巖樣內(nèi)部裂隙形成和擴(kuò)展過(guò)程中所釋放出的總能量和內(nèi)部損傷積累程度。圖12為3 MPa法向應(yīng)力條件下，不同含水率砂質(zhì)泥巖直剪試驗(yàn)中剪應(yīng)力及聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線。

由圖12可知，不同含水率砂質(zhì)泥巖巖樣的剪應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律一致，具有階段性:由A到B，巖樣剪應(yīng)力-時(shí)間曲線下凹，斜率逐漸增加，這是因?yàn)樯百|(zhì)泥巖內(nèi)部存在原生孔隙和微裂隙，在剪應(yīng)力作用下逐漸被壓密，將該階段稱為壓密階段;由B到C，巖樣剪應(yīng)力隨時(shí)間變化呈線性增大，將該階段稱為彈性階段;由C到D，巖樣剪應(yīng)力-時(shí)間曲線上凹，部分試樣的剪應(yīng)力-時(shí)間曲線在該階段出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明該階段巖樣產(chǎn)生塑性變形，將該階段稱為塑性階段;D點(diǎn)為剪應(yīng)力-時(shí)間曲線峰值點(diǎn)，D點(diǎn)剪應(yīng)力為巖樣峰值剪應(yīng)力(即巖樣抗剪強(qiáng)度)，D點(diǎn)過(guò)后曲線開(kāi)始下降，表明巖樣已經(jīng)發(fā)生破壞，將D～E稱為破壞階段。

砂質(zhì)泥巖巖樣聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線與剪應(yīng)力-時(shí)間曲線類(lèi)似，隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)且具有階段性:壓密階段(A～B)，該階段巖樣聲發(fā)射活動(dòng)很少，內(nèi)部孔隙逐漸壓密、閉合，微裂隙很少，幾乎沒(méi)有能量釋放;隨著荷載增加，巖樣逐漸進(jìn)入彈性階段(B～C)，該階段聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線呈線性增長(zhǎng);屈服階段(C～D)聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線斜率增大(含水率越小，曲線斜率變化越明顯)，巖樣產(chǎn)生不可逆的損傷裂隙并迅速匯聚，直到巖樣產(chǎn)生破壞(D點(diǎn));D點(diǎn)是剪峰值應(yīng)力點(diǎn)，D點(diǎn)過(guò)后是破壞階段(D～E);D點(diǎn)附近聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線驟增，說(shuō)明此時(shí)巖樣釋放大量聲發(fā)射信號(hào)和應(yīng)變能。對(duì)比圖9可知，隨著含水率的增長(zhǎng)，巖樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)逐漸減小，這是因?yàn)樗淖饔酶淖兞藥r樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，弱化了巖樣強(qiáng)度，使巖樣表面和內(nèi)部裂隙貫通所需能量降低，巖樣破壞時(shí)釋放的應(yīng)變能減小。含水率越高，巖樣聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)越小:干燥巖樣聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)達(dá)5 951次，而含水率2%巖樣降至2 257次，含水率4%巖樣1 549次，飽和巖樣聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)僅404次，與干燥巖樣相比降低了93.2%。這是因?yàn)樗M(jìn)入巖樣孔隙，減少礦物顆粒間的接觸，弱化顆粒間的膠結(jié)作用，使得誘導(dǎo)巖樣裂隙擴(kuò)展所需能量減小，巖樣破壞時(shí)產(chǎn)生的微裂隙數(shù)量減少。

4.2 不同含水率巖樣裂隙發(fā)育類(lèi)型

SHIOTANI等[30]對(duì)巖石剪切試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射RA值(上升時(shí)間/幅值，ms/dB)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，認(rèn)為脆性巖石在破壞時(shí)產(chǎn)生的裂隙主要分為拉張裂隙和剪切裂隙，RA值與裂隙種類(lèi)充分對(duì)應(yīng)——較低RA值對(duì)應(yīng)剪切裂隙，較高RA值對(duì)應(yīng)張拉裂隙。

以3 MPa法向應(yīng)力為例，繪制不同含水率巖樣剪應(yīng)力、聲發(fā)射RA值和時(shí)間的變化關(guān)系如圖13所示。

圖13 不同含水率巖樣剪應(yīng)力、RA值與時(shí)間變化關(guān)系Fig.13 Change relationships between shear stress,RA value and time of rock specimens with different moisture contents

由圖13可知，不同含水率巖樣RA值變化規(guī)律大體一致:壓密階段，聲發(fā)射RA值非常少，巖樣內(nèi)部原生裂隙被壓密，無(wú)新裂隙產(chǎn)生;彈性階段聲發(fā)射RA值非常低，均小于1.5 ms/dB，表明此時(shí)巖樣內(nèi)部主要發(fā)生原生缺陷閉合及新生裂隙擴(kuò)展，新生裂隙基本是剪切裂隙;屈服階段頻繁出現(xiàn)低RA值，說(shuō)明此階段內(nèi)部裂隙以剪切裂隙為主，巖樣內(nèi)部損傷過(guò)程活躍，新生裂隙在主裂隙附近擴(kuò)展、匯聚;隨著荷載繼續(xù)增大，巖樣微裂隙擴(kuò)展速度加快，在峰值剪應(yīng)力附近出現(xiàn)較高RA值，表明此階段產(chǎn)生張拉裂隙;破壞階段巖樣產(chǎn)生以剪切裂隙為主的拉剪復(fù)合裂隙。隨著含水率增加，巖樣聲發(fā)射RA值數(shù)量減小，活躍程度降低。這是由于水作用改變了巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，弱化巖樣強(qiáng)度，內(nèi)部裂隙易于沿主裂隙方向擴(kuò)展，使得巖樣內(nèi)部裂隙數(shù)目減少;飽和巖樣在屈服階段出現(xiàn)較高RA值，表明在該階段產(chǎn)生了張拉裂隙，反映了水對(duì)巖樣強(qiáng)度的弱化作用。

在直剪試驗(yàn)中，不同含水率砂質(zhì)泥巖破壞時(shí)均產(chǎn)生張拉裂隙。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物組分不同，具有非均質(zhì)性和各向異性，在荷載作用下，應(yīng)力重新分布后產(chǎn)生拉應(yīng)力，含水率越高，應(yīng)力分布狀態(tài)變化越大。除此之外，巖樣受剪應(yīng)力的同時(shí)也受正應(yīng)力影響，在泊松效應(yīng)下會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。在屈服階段至峰值附近時(shí)，巖樣損傷嚴(yán)重，整體強(qiáng)度降低，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生張拉裂隙。

4.3 不同含水率巖樣的裂隙發(fā)育程度

Gutenberg和Richter在進(jìn)行地震頻率和震級(jí)研究中，首先提出了用于描述震源尺度分布比例的b值和著名的G-R關(guān)系式[31]:

lnN=a+bM

(5)

式中，N為M+ΔM范圍內(nèi)地震次數(shù);a為地震活動(dòng)程度常數(shù);b為常數(shù)，表示大小地震數(shù)量的比例；M為地震震級(jí)。

在計(jì)算巖石聲發(fā)射b值時(shí)，一般用聲發(fā)射振幅反映聲發(fā)射事件大小，并將聲發(fā)射振幅除以20來(lái)代替地震震級(jí)M，得到

ln[N(A/20)]=a+b(A/20)

(6)

式中，A為聲發(fā)射事件幅值，dB;N(A/20)為幅值大于等于A/20的聲發(fā)射事件次數(shù)。

聲發(fā)射b值能夠反映巖石裂隙發(fā)育程度:b值增大，巖樣以小尺度裂隙發(fā)育為主;b值減小，巖樣以大尺度裂隙擴(kuò)展為主;b值變化幅度小的巖樣內(nèi)部裂隙以漸進(jìn)式擴(kuò)展;b值變化幅度大意味著巖樣的突發(fā)式失穩(wěn)[32]。

為便于b值研究，本文按照應(yīng)力水平(剪應(yīng)力除以抗剪強(qiáng)度)將巖樣由初始加載至峰值的剪應(yīng)力-時(shí)間曲線段劃分成7部分，選取的應(yīng)力水平分別為:0.143，0.286，0.429，0.572，0.715，0.858和1.000(由于加載方式為位移控制，且各巖樣尺寸相同，因此加載時(shí)間、剪切位移和剪應(yīng)變是對(duì)應(yīng)的)。令聲發(fā)射振幅間隔Δ(A/20)為0.5 dB，通過(guò)文獻(xiàn)[33]介紹的最小二乘法計(jì)算b值。

以3 MPa法向應(yīng)力為例，不同含水率砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力、b值和時(shí)間關(guān)系如圖14所示。

圖14 不同含水率砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力-b值-時(shí)間曲線Fig.14 Shear stress-b value-time curves of sandy mudstones with different moisture content

由圖14可知，聲發(fā)射b值較好地反映了不同含水率巖樣在直剪試驗(yàn)各階段裂隙擴(kuò)展發(fā)育規(guī)律:彈性階段聲發(fā)射b值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度較小，表明該階段巖樣內(nèi)部微小裂隙萌生，緩慢穩(wěn)定發(fā)育;屈服階段b值驟降，這是因?yàn)樵撾A段巖樣內(nèi)部裂隙在主裂隙附近不穩(wěn)定擴(kuò)展、匯聚，形成大尺度裂隙;峰值剪應(yīng)力前，干燥巖樣和含水率2%巖樣b值持續(xù)降低，而4%含水率巖樣和飽和巖樣b值升高，說(shuō)明破壞時(shí)低含水率巖樣內(nèi)部呈大尺度裂隙擴(kuò)展，而高含水率巖樣內(nèi)部裂隙尺度較小。這是因?yàn)楹瘦^高時(shí)，水的作用使得巖石內(nèi)部應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中程度降低，小尺度微裂隙發(fā)育較為分散;而含水率較低時(shí)，巖石內(nèi)部應(yīng)力集中程度高，小尺度微裂隙集中擴(kuò)展、匯聚和貫通，最終形成大尺度宏觀裂隙。

5 討 論

本文建立的考慮含水率影響的巖石Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，能夠?yàn)樗?巖作用相關(guān)理論和數(shù)值計(jì)算研究提供一定的參考。例如，在富水巷道/工作面圍巖控制，承壓水上或下采煤防突，以及地下水庫(kù)煤柱壩體穩(wěn)定性分析等研究中，均應(yīng)充分考慮巖石內(nèi)部含水率的動(dòng)態(tài)變化，以及因含水率變化導(dǎo)致的巖石強(qiáng)度的改變。

由巖石直剪破壞特征(圖11)發(fā)現(xiàn)，隨著含水率增加，巖石主裂隙附近的衍生裂隙增多，而通過(guò)巖石聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線(圖12)得到，含水率越高，巖樣聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)越少，微裂隙數(shù)量越少。2者并不矛盾。這是因?yàn)閳D11反映的是肉眼可見(jiàn)的宏觀裂隙，而圖12中的聲發(fā)射事件反映的是巖石微裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展。隨著含水率的增加，巖石內(nèi)部應(yīng)力集中程度減小，應(yīng)力狀態(tài)減弱，產(chǎn)生的微裂隙數(shù)量減少，微裂隙擴(kuò)展方向較為分散。而干燥巖石產(chǎn)生的微裂隙數(shù)量多，且微裂隙擴(kuò)展方向較為集中，與剪應(yīng)力方向大致相同，因此在宏觀表現(xiàn)為一條主剪切裂隙。

6 結(jié) 論

(1)砂質(zhì)泥巖具有水平層理結(jié)構(gòu)，主要礦物為石英、黏土、白云母和炭屑;粉砂質(zhì)碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%;黏土礦物占整體礦物成分的75%，主要成分為高嶺石和伊蒙混層;砂質(zhì)泥巖自然吸水過(guò)程中，含水率隨時(shí)間變化分3個(gè)階段:快速增長(zhǎng)階段(0～18 h)，平均增長(zhǎng)速率0.264%/h；緩慢增長(zhǎng)階段(18～42 h)，平均增長(zhǎng)速率0.003 7%/h；穩(wěn)定階段(42 h～)。

(2)隨著含水率增加，砂質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角分別呈指數(shù)、負(fù)指數(shù)和線性降低，宏觀主裂隙的平整度逐漸下降;由干燥到飽和，砂質(zhì)泥巖黏聚力由2.66 MPa下降到0.58 MPa，降低了78.3%，內(nèi)摩擦角由42.54°下降到35.05°，降低了17.6%;根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果，建立考慮含水率影響的砂質(zhì)泥巖Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

(3)隨著含水率的升高，砂質(zhì)泥巖聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)逐漸減小:由干燥到飽和，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)減小了93.2%(3 MPa法向應(yīng)力條件下);隨著含水率的增加，砂質(zhì)泥巖破壞時(shí)的裂隙尺度減小:低含水率(干燥和含水率2%)巖樣呈大尺度張拉裂隙破壞，高含水率(含水率4%和飽和)巖樣呈小尺度張拉裂隙破壞。