干濕循環(huán)作用下深部砂巖強(qiáng)度劣化及能量演化規(guī)律

袁璞，戚少先，位寧寧

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001；3.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001)

隨著近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，一些淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，加大了對(duì)深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采的需求，保證深部地下工程中圍巖的穩(wěn)定是安全開(kāi)采的前提。隨著地下水位的下降與上升，深部地下工程中的圍巖含水率會(huì)發(fā)生變化，處于干濕交替的狀態(tài)，對(duì)巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響[1]。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)巖石的干濕循環(huán)現(xiàn)象開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究。黃武峰等[2]對(duì)干濕和凍融作用下的白云巖進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，探討了干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對(duì)巖石的影響程度，結(jié)果表明在循環(huán)次數(shù)為60次時(shí)，干濕循環(huán)比凍融循環(huán)對(duì)巖石的影響更大。陳緒新等[3]基于不可逆熱力學(xué)損傷理論，分析外力總功、彈性能以及能量耗散之間的內(nèi)在關(guān)系，并建立了相應(yīng)的損傷演化方程。王帥等[4]研究表明，未改良紅砂巖土試件的峰值強(qiáng)度與彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但在5次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。曾鈴等[5]對(duì)碳質(zhì)泥巖開(kāi)展了室外裂隙演化原位實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明炭質(zhì)泥巖裂隙數(shù)量、裂隙最大長(zhǎng)度及裂隙率等裂隙參數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。王來(lái)貴等[6]對(duì)不同溶液中的砂巖開(kāi)展干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，長(zhǎng)石砂巖表觀劣化加劇，波速、抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低。袁璞等[7]借助霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置從動(dòng)態(tài)方面闡述了干濕循環(huán)作用對(duì)巖石強(qiáng)度的影響。羅瓊[8]進(jìn)行了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的泥巖崩解試驗(yàn)，干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)風(fēng)化泥巖的強(qiáng)度指標(biāo)弱化指數(shù)逐漸增長(zhǎng)。Wang等[9]用三軸流變儀探究了不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)飽和砂巖蠕變性能的影響。郭佳奇等[10]得出了飽水灰?guī)r破壞時(shí)能量演化機(jī)制。傅晏等[11]、劉新榮等[12]對(duì)干濕循環(huán)之后的巖石進(jìn)行細(xì)微觀分析從而得出不同干濕循環(huán)次數(shù)的巖石劣化規(guī)律。Ying等[13]采用數(shù)值試驗(yàn)方法確定了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的斷裂韌性，得出斷裂韌性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低。張善凱等[14]從微觀方面分析得出隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹巖的微觀結(jié)構(gòu)中黏土顆粒聚集形態(tài)由緊密狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮顟B(tài)。劉之喜等[15]分析了巖石在單軸壓縮過(guò)程的能量演化，結(jié)果表明彈性能與塑性能的增長(zhǎng)速率都隨著荷載增大而增大。蘇曉波等[16]研究了單軸壓縮荷載下含黏結(jié)面花崗巖能量演化規(guī)律，得出了花崗巖積聚的彈性能超過(guò)了黏結(jié)面部位破壞的耗散能時(shí)，花崗巖在卸載時(shí)會(huì)發(fā)生短促、強(qiáng)烈的脆性破壞。

干濕循環(huán)導(dǎo)致的圍巖承載能力下降會(huì)引發(fā)一定的地質(zhì)災(zāi)害，因此對(duì)受干濕循環(huán)作用后圍巖力學(xué)性質(zhì)劣化的研究顯得尤為重要。為了接近實(shí)際情況，現(xiàn)采用“烘干-自然飽水-烘干”過(guò)程來(lái)模擬自然狀態(tài)下圍巖的干濕循環(huán)作用，并對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和能量演化分析，結(jié)合掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)從宏觀和微細(xì)觀上分析力學(xué)性質(zhì)劣化規(guī)律，為深部地下工程中開(kāi)挖和支護(hù)提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)試樣取自淮南市朱集東煤礦-965 m處的砂巖，表面呈灰褐色，無(wú)明顯裂紋，完整性較好。砂巖主要由石英、長(zhǎng)石和巖屑等組成(表1)。

表1 砂巖組成及含量Table 1 Composition and content of sandstone

將試塊打磨成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，直徑為50 mm，高度為100 mm[17]。側(cè)面與上下兩平面的垂直度誤差不超過(guò)0.25°，上下兩平面不平行度不大于0.05 mm[18]。平均密度為2.5 g/cm3，平均波速為3 056 m/s。加工完畢后的深部砂巖試件見(jiàn)圖1。

圖1 深部砂巖試件Fig.1 Deep sandstone specimens

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)時(shí)，將試樣放入蒸餾水中浸泡，采用自然飽水法，使試樣吸水至飽和。然后從溶液中取出若干試塊分別進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為1、5、10、20和30次干濕循環(huán)試驗(yàn)，以試塊在烘箱60 ℃環(huán)境中烘干12 h后晾曬至室溫再放入溶液中浸泡12 h為一次干濕循環(huán)，將烘干溫度設(shè)置在60 ℃的原因是防止過(guò)高的溫度會(huì)使一些礦物失去結(jié)晶水，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，并以干燥試塊為對(duì)照組。

從達(dá)到相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)的試塊中選取2個(gè)試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為0.01 mm/s。為細(xì)致地研究干濕循環(huán)對(duì)深部砂巖的破壞機(jī)理，選取若干試塊進(jìn)行電鏡掃描觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 密度變化曲線(xiàn)分析

在試驗(yàn)時(shí)對(duì)每次干濕循環(huán)的干濕質(zhì)量進(jìn)行記錄，進(jìn)而求出相對(duì)應(yīng)的密度，公式為

(1)

式(1)中：ρi為每次干濕時(shí)所測(cè)密度；mi為每次干濕循環(huán)時(shí)所測(cè)干質(zhì)量；V為初始時(shí)試塊所測(cè)體積。

圖2為不同循環(huán)次數(shù)下的砂巖密度。由圖2可知，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)之后試塊密度呈逐漸增大的趨勢(shì)，在第1次和第20次干濕循環(huán)之后密度增加量最大，結(jié)合SEM觀測(cè)可以看出第1次干濕循環(huán)后巖石顆粒變?yōu)槠瑺?，使得孔隙?shù)量較干燥狀態(tài)有所增加，在第20次干濕循環(huán)后，此時(shí)巖石損傷較為嚴(yán)重，無(wú)論是孔隙深度和數(shù)量都大大增加，所以在烘干過(guò)程中較深部位的孔隙有水分殘留，引起質(zhì)量和密度的增加。但在15～20次密度呈現(xiàn)略微減少的趨勢(shì)，此時(shí)水巖作用在巖體內(nèi)產(chǎn)生了一定的膠結(jié)物，堵塞了部分孔隙，干濕循環(huán)時(shí)水無(wú)法進(jìn)入巖體內(nèi)部，且外部的水分已經(jīng)被烘干，但隨著干濕循環(huán)繼續(xù)地進(jìn)行，產(chǎn)生的膠結(jié)物逐漸被溶解，滲透路徑也逐漸加長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)部的水分不易蒸發(fā)出來(lái)，致使測(cè)量時(shí)的密度呈增大的趨勢(shì)。

圖2 密度變化Fig.2 Density variation

2.2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分析

砂巖在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示，單軸抗壓強(qiáng)度變化如圖4所示。

圖4 單軸抗壓強(qiáng)度變化Fig.4 Variation of uniaxial compressive strength

由圖3可知，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)總體趨勢(shì)是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的峰值強(qiáng)度逐漸降低，軸向應(yīng)變相應(yīng)減小。在干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次以后，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在達(dá)到峰值應(yīng)力后出現(xiàn)明顯的延性破壞，在干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，出現(xiàn)脆性破壞。一方面是因?yàn)殡S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部的微裂紋逐漸增加，在達(dá)到峰值應(yīng)力以后，還存在一些微小的裂隙，具有一定的再變形能力。另一方面是水巖作用產(chǎn)生的水化物有一定的膠結(jié)作用，所以在達(dá)到峰值應(yīng)力后并未突然破壞[19]。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Stress-strain curves under different dry-wet cycles

由圖4可知，干濕循環(huán)次數(shù)為1、5、10、20和30次比干燥狀態(tài)的試樣強(qiáng)度分別降低了1.84%、3.40%、8.02%、12.19%、15.18%。雖然隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石強(qiáng)度不斷降低，但是從第5次干濕循環(huán)之后強(qiáng)度降低率不斷減少，說(shuō)明干濕循環(huán)作用對(duì)巖石強(qiáng)度影響是有限的。

2.3 劣化度分析

鄧華峰等[20]對(duì)砂巖損傷量的定義有

(2)

ΔSi=Si-Si-1

(3)

(4)

式中：Si為總劣化度；ΔSi為階段劣化度；ΔSin為平均劣化度；T0為未經(jīng)干濕循環(huán)的干燥試樣力學(xué)參數(shù)值；Ti為經(jīng)歷過(guò)i次干濕循環(huán)后的力學(xué)參數(shù)值；ni為第i階段干濕循環(huán)次數(shù)。

圖5、圖6為砂巖在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量劣化曲線(xiàn)。由圖5可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣總劣化度逐漸增大。易看出在10～20次干濕循環(huán)，巖石的劣化度增加最大，為5%，在此階段巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展量最大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的平均劣化度值在減小，其斜率也在減小，說(shuō)明每一階段的劣化程度在逐漸較小。同樣的，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的總劣化度值在增加，但曲線(xiàn)斜率在逐漸減小，意味著干濕循環(huán)對(duì)砂巖強(qiáng)度劣化是有限的，這和應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)分析相符。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度劣化曲線(xiàn)Fig.5 Deterioration curve of uniaxial compressive strength

圖6 彈性模量劣化趨勢(shì)Fig.6 Deterioration trend of elastic modulus

由圖6可知，彈性模量也是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，呈逐漸遞減的趨勢(shì)，且這種遞減的趨勢(shì)是漸進(jìn)的，干濕循環(huán)次數(shù)為1、5、10、20和30次比干燥狀態(tài)的試樣彈性模量分別降低了8.1%、23%、44.83%、61.98%、85.33%。階段劣化度總體是呈增加的趨勢(shì)，在第一階段干濕循環(huán)后，其階段劣化度增加最大。

3 壓縮過(guò)程中的能量特征分析

試樣的破壞過(guò)程本質(zhì)上是能量積蓄、耗散和釋放的全過(guò)程[21]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，輸入能等于彈性能與耗散能之和，也即為單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)壓縮過(guò)程對(duì)巖石試樣所做的功等于巖石體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性能與壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱能之和。當(dāng)儲(chǔ)存的彈性能超過(guò)巖石樣品可以承受的極值時(shí)，巖石會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)而與外部產(chǎn)生能量交換，主要產(chǎn)生的能量有熱能和巖石崩解產(chǎn)生的動(dòng)能。這些可耗散的能量是不能逆轉(zhuǎn)的，但是失穩(wěn)破壞前產(chǎn)生的彈性能是可逆的。

在巖體的失穩(wěn)破壞過(guò)程中，耗散的能量是巖體破壞的本質(zhì)屬性。耗散能可以反映在整個(gè)加載過(guò)程中巖石的完整性和內(nèi)部裂隙的變化情況。

熱力學(xué)第一定律和彈性力學(xué)基本計(jì)算公式有

Et=Ee+Ed

(5)

(6)

(7)

Ed=Et-Ee

(8)

式中：Et為輸入能密度；Ee為彈性能密度；Ed為耗散能密度。

彈性能和耗散能在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)上表示為兩部分面積，如圖7所示。

圖7 單軸壓縮過(guò)程中彈性能與耗散能關(guān)系圖Fig.7 Relationship between elastic energy and dissipation energy during uniaxial compression

由圖8可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石達(dá)到峰值應(yīng)力前所需要的能量逐漸降低，巖石在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用之后，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的能力降低，抵抗變形和破壞的能力也逐漸降低。

圖8 單軸壓縮過(guò)程總能量隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation curve of total energy with the number of dry-wet cycles in uniaxial compression condition

由圖9可知，彈性能是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在整個(gè)單軸壓縮過(guò)程中，在試樣達(dá)到峰值應(yīng)力前，主要是以?xún)?chǔ)存可釋放的彈性能為主，當(dāng)施加的外力消失，一些被壓密的孔隙和裂紋會(huì)恢復(fù)。巖石在不斷經(jīng)歷干濕循環(huán)之后，其內(nèi)部抵抗變形的能力減小，表現(xiàn)為彈性模量的減小和所儲(chǔ)存彈性能的降低。相比于彈性能的規(guī)律性，耗散能呈現(xiàn)不規(guī)律的波動(dòng)性，總能量一部分存儲(chǔ)在巖石內(nèi)部用于抵抗變形，一部分表現(xiàn)為不可逆的耗散能。在第一次干濕循環(huán)之后，耗散能顯著增加用于微裂紋的擴(kuò)展，為水巖相互作用提供更多的通道，讓后來(lái)用于裂紋擴(kuò)展的能量有所減少，耗散能呈下降趨勢(shì)。

圖9 彈性能和耗散能與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖Fig.9 Relationship between elastic energy and dissipation energy and the number of dry-wet cycles

從圖10可知，試樣在試驗(yàn)過(guò)程中所吸收的彈性能占總能量的85%以上，少部分的能量耗散用于裂隙的發(fā)展。可釋放彈性能在峰值后能夠促使試樣內(nèi)部新生裂隙擴(kuò)展、貫通和滑移，直至試樣完全失去承載能力。

圖10 彈性能占比圖Fig.10 Proportion of elastic energy

4 干濕循環(huán)對(duì)砂巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化的影響

為研究不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化的影響，從不同循環(huán)次數(shù)的砂巖中取出若干試樣，先用乙醇進(jìn)行沖洗，去除碎屑，再放入烘箱中干燥。最后挑選合格的樣品進(jìn)行電鏡掃描觀測(cè)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同干濕循環(huán)周期下深部砂巖SEM圖(1 000倍)Fig.11 SEM images of deep sandstone under different dry-wet cycles (1 000 times)

由圖11可知，在干燥狀態(tài)時(shí)，巖石內(nèi)部表現(xiàn)出明顯的致密性和均勻性，次生孔隙較少，無(wú)貫通，基本沒(méi)有較大的裂隙，宏觀上則表明干燥狀態(tài)下的砂巖具有良好的力學(xué)性質(zhì)。但是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部的裂紋逐漸擴(kuò)展且?guī)r體內(nèi)的顆粒數(shù)量逐漸減少，片狀物的數(shù)量在逐漸增加。在第1次干濕循環(huán)作用之后，砂巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，從巖石顆粒慢慢向片狀物轉(zhuǎn)化，孔隙數(shù)量也有所增加。在第5次干濕循環(huán)之后，巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展明顯，一些微小的裂紋已經(jīng)逐漸貫通形成較大的孔隙，巖石顆粒在干濕循環(huán)作用下積累形成片狀。在第10次干濕循環(huán)時(shí)，出現(xiàn)明顯的絮狀物，是由于砂巖中所含蒙脫石晶體，其層間游離的陽(yáng)離子含有Na+時(shí)，吸水后晶體會(huì)逐漸軟化變?yōu)樾鯛頪22]。在蒙脫石晶體不斷吸水崩解變?yōu)樾鯛钗飼r(shí)，內(nèi)部裂隙和新生孔隙不斷新增和發(fā)展，導(dǎo)致承載能力的進(jìn)一步降低。而在第30次干濕循環(huán)時(shí)，砂巖表面的層理和裂紋已經(jīng)能比較明顯地看出來(lái)，此時(shí)巖體內(nèi)部裂縫寬度、長(zhǎng)度已經(jīng)變得很大，在宏觀上直接表現(xiàn)承載能力的降低。

5 結(jié)論

(1)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的力學(xué)性質(zhì)受到了明顯的損傷作用，但是砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量劣化的增加量在減小，表明干濕循環(huán)對(duì)砂巖的損傷逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)單軸壓縮試驗(yàn)表明，在干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，砂巖呈脆性破壞；在干濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，表現(xiàn)出一定的延性。

(3)干濕循環(huán)使砂巖達(dá)到峰值應(yīng)力前吸收的能量和儲(chǔ)存的彈性能都有所降低，經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)時(shí)，耗散的能量顯著增加，較干燥狀態(tài)孔隙增多。

(4)在干燥時(shí)，巖石內(nèi)部表現(xiàn)出明顯的致密性和均勻性；經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)之后，內(nèi)部顆粒數(shù)量逐漸減少，片狀物和絮狀物的數(shù)量增加，新生孔隙增多，致使巖石損傷劣化，承載能力降低。