不同含水状态砂岩分级加载蠕变变形特性研究

2021-12-18刘洪磊宋旭牛雷雷刘溪鸽

金属矿山 2021年11期

刘洪磊宋旭牛雷雷刘溪鸽

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819）

在矿山开采中矿柱被用来支撑采场顶板防止其垮塌，但是常常会遇到含水层，致使矿柱不断受到水的侵蚀，岩体容易软化变形，发生失稳破坏［1-3］。特别是随着开采时间的推移，矿柱的蠕变效应增强，岩石强度降低，其支撑能力下降，可能会导致顶板冒落或者垮塌。因此，研究不同含水状态下砂岩的蠕变变形特性及蠕变损伤变化规律，有助于确保含水矿柱的长期稳定性，确保矿山安全生产。

国内外学者针对不同含水状态下岩石的蠕变变形规律进行了研究［4-5］。应力状态发生变化，会引起岩石体积变化，进而导致容重和含水率的变化［6］。唐世斌等［7-9］研究了荷载和水共同作用下岩石短期和长期力学性质，发现各特征应力与破坏应力之比、启裂应力与闭合应力之差随含水增多而减小，含水会降低裂纹产生的应力门槛。YAO等［10］制备了不同含水率的岩样，采用机械分级加载分别对不同含水率的岩样进行了三轴蠕变试验。CAO等［11］在分级增量加卸载试验中发现，干燥试样破坏时强度占单轴抗压强度的57.6%，水环境下试样占86.5%，干燥时破坏强度占抗压强度的比例低。现有文献对岩石在含水状态下的蠕变规律研究较为深入，认为水对蠕变的影响使得蠕变应变和应变速率增加，蠕变强度降低。水的弱化机理可以总结为5个方面，包括降低岩石的断裂能、降低毛细张力、增加孔隙压力、减小摩擦和化学腐蚀作用［12］，现阶段学术界对其机理的解释尚未有统一的认识，因此有必要进一步研究。

岩石的破坏是损伤累积到一定程度后产生的宏观效应，表征岩石损伤状态是预测岩石破坏的前提［13］。超声波速法是利用不同损伤状态下波速的变化来表征损伤。为了研究超声波信号在岩石破坏过程中的变化规律，LI等［14］研究了页岩在渐进性破坏过程中超声波速度、振幅和衰减的变化。ZHU等［15］研究了扰动作用下岩石的蠕变破坏特征。王宇等［16］对蠕变后和蠕变饱水后的砂岩进行卸荷破坏试验，发现蠕变损伤砂岩超声波计算值和弹性模量法计算结果一致。虽然已经有部分学者开展了岩石蠕变损伤相关研究，但是基于超声波检测的不同含水状态下岩石蠕变过程的研究仍有待深入。因此，通过超声波监测岩石蠕变过程中内部结构的变化对于探明含水状态对岩石蠕变过程的影响机理很有意义。

本研究针对不同含水状态下的砂岩，开展干燥、浸水和饱水的分级加载蠕变试验，研究不同含水状态和应力水平下岩石蠕变变形特征和破坏模式；利用超声波波速与岩石损伤之间的关系，研究水在分级加载蠕变中对损伤演化的影响，分析蠕变变形过程中的超声波特性，对评估矿柱在多种含水状态下的长期稳定性具有一定的借鉴意义。

1 试验装置及试验材料

1.1 试验装置

如图1（a）所示，采用东北大学自主研制的岩石蠕变-冲击试验机进行蠕变试验，在试验过程中利用超声波测试系统测试超声波变化特征。如图1（b）所示，超声波测试系统由承压发射换能器、接收换能器等组成，承压换能器最大承压为300 MPa，发射频率为150 kHz，采样频率为2 MHz，在试件与换能器间涂抹凡士林增加耦合效果（图1（b））。岩石浸水试验通过将试样浸没在储水装置中实现，储水装置的上下底板为刚性垫板，施加在试样上的载荷通过刚性垫板进行传递，加载过程中岩石试样浸没在水中（图1（c））。

1.2 试验材料

本研究所用的红砂岩取自四川自贡某煤矿，按照国际岩石力学学会（ISRM）试验规程，测试标准试件（ϕ50 mm×100 mm）的物理力学参数取值见表1。为了减小岩石材料力学特性受非均匀性和各向异性的影响，从同一岩块按照同一方向加工试样。

根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）［17］，对砂岩进行干燥和饱水处理，研究干燥、浸水和饱水3种含水状态下砂岩蠕变变化特性。具体处理方法为：①干燥，将试样置于烘干箱中，在105～110℃的温度下烘干24 h，取出后，立即放入干燥器内，冷却至室温。②饱水，采用真空抽气法饱和试样，将烘干后的试件置于真空压力表显示为0.1个大气压的真空环境下，抽气时间不少于4 h，随后吸入水使得水面高于试样面，且抽气时不再产生气泡，然后将试样在正常大气压下浸泡8 h以上。经过饱水过程，本次试验所用砂岩饱和含水率为7.3%。③浸水，将烘干且冷却至室温后的试件置于储水装置中，水面浸没试件，然后进行加载。

蠕变试验采用单轴分级加载形式，进行不同含水状态下砂岩试样的单轴压缩试验测试试样的单轴抗压强度。为了后期开展蠕变冲击试验时更加容易达到应力平衡，蠕变试验中选取尺寸为ϕ50 mm×50 mm的试样。如图2所示，干燥、浸水和饱水砂岩单轴压缩下的应力—应变曲线相似，干燥砂岩抗压强度为56.2 MPa，弹性模量为17.12 GPa，浸水情况下抗压强度为34.9 MPa，弹性模量为6.59 GPa，饱水砂岩抗压强度为19.8 MPa，弹性模量为4.46 GPa。随着含水状态改变，试样的单轴抗压强度和弹性模量降低，表明含水状态影响试样的单轴抗压强度和弹性模量。GRIGGS［18］研究发现岩石达到强度的12.5%～80%即可发生蠕变现象。根据文献［19］，将分级加载设置为50%、60%、70%、80%的单轴抗压强度。

在蠕变试验过程中，按照图1（b）的测试方式，首先测试无荷载岩石的超声波，然后放置干燥和饱水试样进行加载，蠕变12 h测试一次超声波波形，分级加载之后测试一次超声波波形。

2 试验结果分析与讨论

2.1 不同含水状态下砂岩蠕变变形特征

如图3（a）、图3（c）和图3（e）所示，砂岩在干燥、浸水和饱水状态下蠕变变形规律相似。每一级加载后，试样产生瞬时变形，然后进入减速蠕变变形，持续一段时间后进入等速蠕变，最后一级加载试样最终进入加速蠕变。虽然不同含水状态下的试样蠕变变形规律相似，但是试样变形量和变形速率相差较大。在第一级加载中，干燥、浸水和饱水砂岩最大变形量分别为 3.2×10-3、3.8×10-3和4.03×10-3，稳定蠕变速率分别为 1.72×10-7s-1、1.49×10-7s-1和 7.78×10-7s-1。干燥和浸水状态试样的蠕变变形速率近似相等，但是和饱水砂岩相差较大，表明加载初期，浸水试样含水较少，水对试样弱化的影响较弱。当含水状态达到饱水时，饱水砂岩中的水足够多能够使砂岩颗粒软化，胶结程度降低，变形能力增大。因此，在第一级加载阶段试样受到水的侵蚀弱化而变软，其蠕变变形速率明显大于干燥试样。

干燥砂岩在达到80%强度后发生破坏，总加载时间为42.6 h，浸水砂岩在达到其70%强度时破坏，持续加载时间为35.8 h，饱水砂岩在70%强度时发生破坏，总加载时间为35.1 h。浸水试样中水对岩石的弱化作用存在时间和空间效应，在第一级加载时，水的含量较低作用不明显，随着时间的推移，水在砂岩中扩散导致砂岩内部颗粒间的胶结作用降低，变形能力变大。同时随着砂岩试样蠕变变形增大，其内部的微裂隙和孔隙不断萌生、扩展和汇聚，水会不断扩散进入砂岩的孔隙和裂隙中，对试样进一步弱化。随着加载时间的增长，浸水砂岩的含水量和饱水砂岩相近，其蠕变变形速率也相近，因此试样破坏的时间和应力水平也相近，表明在本研究试验条件下，最终的含水量影响试样的总体破坏时间，初始含水状态对最终破坏时间影响不大。浸水砂岩和饱水砂岩的破坏时间和应力水平低于干燥砂岩，再次体现了水对砂岩的弱化作用。

图 3（b）、图 3（d）、图3（f）对应于图 3（a）、图3（c）、图3（e）中加速蠕变阶段的放大部分。3类砂岩（干燥、浸水和饱水）在最后一个加载阶段都进入加速蠕变阶段，并且在试样破坏前都有蠕变应变从缓慢增大到急剧增大的一个拐点，此时的应变和应变率可以作为岩石破坏前的一个预兆。当蠕变应变过了拐点后0.5 h之内试样破坏。干燥试样蠕变应变达到4.28×10-3时应变率开始快速增加，此时蠕变速率由稳定蠕变速率的4.36×10-7s-1变为4.12×10-6s-1后快速增加直到破坏；浸水试样蠕变应变达到5.11×10-3时应变率开始快速增加，此时蠕变速率由稳定蠕变速率的9.25×10-6s-1变为3.7×10-5s-1后快速增加直到破坏；饱水砂岩蠕变应变达到1.43×10-3时应变率快速增加，蠕变速率由稳定蠕变速率的1.42×10-6s-1增加到1.43×10-5s-1后快速增加直到破坏。

试样加载后会产生一个瞬时变形，如图4（a）所示，瞬时变形为加载到设定应力水平时试样的变形减去此次应力水平加载前的变形。随着应力水平和含水量增加，瞬时变形增加，这是由于试样应力—应变曲线在处于50%应力水平之后是上凸，应变增加快于应力增加，同时水对试样的软化导致试样变形量增大。从每一级的应力加载到稳定蠕变所需时间为减速蠕变时间，减速蠕变时间随应力水平的增加而增大，如图4（b）所示，相同应力水平下，含水试样减速蠕变时间长于干燥试样。在60%和70%强度的蠕变应力加载时饱水砂岩的减速蠕变时间长于浸水和干燥，但是随着加载时间的增长，浸水试样的减速蠕变时间和饱水砂岩近似，减速蠕变时间随着含水量的变化和岩石的破坏时间一致。

2.2 不同含水状态试样蠕变加载过程中超声波波速特性

岩石的蠕变过程是损伤累积的过程，故可利用岩石的损伤演化表征蠕变变形规律，而岩石的损伤可以利用超声波波速的变化进行量化。通过测试干燥和饱水试样每一级加载过程中超声波波速的变化，利用下式［15］计算岩石的损伤值D：式中，vpi为每一级加载后岩石的超声波波速，m/s；vp0为未加载时的超声波波速，m/s。

干燥砂岩分级加载蠕变下，当应力加载到50%强度时，超声波波速降低了5.0%，蠕变12 h后波速降低了1.2%，表明随着应力加载和蠕变变形的发展，试样的超声波波速降低，损伤在不断演化。第2级、第3级和第4级加载后波速分别降低了3%、3.2%和3.3%，第2和第3级加载后蠕变12 h，波速分别降低了1.3%和1.5%，第4级加载后6.6 h试件破坏。饱水砂岩分级加载下，波速变化和干燥砂岩相似，加载后试样的波速衰减大于蠕变变形导致的波速衰减，但是每一级的波速衰减幅度相差不大。

如图5所示，干燥和饱水岩石在蠕变应力达到50%强度时，砂岩试样的损伤累积分别为0.098和0.116，蠕变12 h后，累积损伤分别为0.121和0.142，表明第一次加载后饱水试样的损伤大于干燥岩石，蠕变引起的损伤仍然是饱水试样大于干燥试样。砂岩饱水后，不仅骨架颗粒间的黏结力下降，更容易发生错动，弱化岩石的强度，而且在蠕变变形过程中向萌生的裂纹中扩散，在裂纹尖端产生水楔作用加速裂纹扩展，导致试样损伤演化加剧。因此，在每一级加载时，饱水砂岩的损伤量大于干燥岩石，同时在同一应力水平的蠕变过程中，饱水砂岩的累积损伤要高于干燥岩石，导致在第3级加载后蠕变过程中饱水试样蠕变5.8 h产生破坏，而干燥砂岩在第4级加载后蠕变过程中产生破坏。

2.3 不同含水状态试样蠕变加载过程中超声波频谱特性

如图6（a）和图6（b）所示，干燥砂岩的超声波波形幅值为2.55 V，持续时间为450 μs，饱水砂岩的幅值为0.63 V，持续时间为300 μs，超声波通过饱水砂岩后幅值降低，持续时间减小，表明砂岩饱水使超声波信号在传播过程中发生绕射散射现象，更多的能量被吸收或耗散。对图6（a）和图6（b）所示的超声波波形分别进行傅叶变换得到其频谱图（图6（c）和图6（d）），干燥和饱水砂岩频谱图整体相似，都存在多个频带，干燥砂岩主频为54.4 kHz，对应幅值为39.2 mV，饱水后主频变为33.2 kHz，对应幅值为14.8 mV，饱水使得砂岩超声波信号主频降低幅值减小，出现“频带漂移”现象，说明砂岩含水会表现出低通滤波特性。

如图7为干燥和饱水砂岩试件在分级加载蠕变过程中的频率变化特征。在第1级加载时，饱水砂岩超声波频谱图存在3个频带，对应频率分别为24.5 kHz（31.4 mV）、36.8 kHz（32.2 mV）和 44.4 kHz（24.6 mV），干燥砂岩超声波频谱图存在2个频带，对应频率分别为26.5 kHz（36.8 mV）和40.0 kHz（39.8 mV）。

对比图7和图6可知：受到外荷载时，干燥试样的主频和峰值减小，饱水情况下主频和峰值增大。当试样由未受载逐渐加载时，岩石被压缩，大量的微裂纹萌生，干燥试样微裂纹内由空气填充，超声波通过试样时高频衰减加剧，测得超声波主频减小；饱水砂岩在加载过程中产生的微裂纹由水填充，水的密度大于空气，因此相同的加载条件下饱水试样的滤波效果相比于干燥试样差，主频要比干燥试样大；饱水砂岩在加载过程中产生的微裂纹会影响试样内部水的渗流，随着微裂纹的增加水在试样中分布更加均匀，相当于试样的均匀性增加，试样对超声波的滤波作用减弱，因此第1阶段加载后通过饱水试样的超声波主频不减反而略增。当干燥砂岩加载到第4阶段时，超声波频带仍然保持两个频带，但是主频变为27.6 kHz，幅值为25 mV。当饱水砂岩加载到第3阶段时，超声波频带由3个变为4个，主频变为24.6 kHz，幅值为16.5 mV。整个加载过程中饱水试样超声波主频及对应幅值都比干燥砂岩低，同时随着应力水平增加，干燥和饱水砂岩的主频及幅值都在降低，表明含水状态和应力水平的改变都使岩石出现了“频率漂移”现象。岩石饱水后，其中的孔隙和裂隙中充满了水，同时黏土矿物等成分在水的作用下溶解，最终增加了岩石本身的黏滞性，导致超声波信号在岩石中衰减加剧。蠕变过程以及分级加载会使砂岩内损伤积累，产生更多的微裂隙和微孔隙，导致试样对高频波的滤波作用增强，最终使得通过试样的超声波主频越来越低。

2.4 破坏模式分析

干燥、浸水和饱水试样的破坏模式基本与文献［20］中矿柱破坏模式一致，如图8所示。最初的圆柱试样在加载过程中首先是表皮破坏，最终沿潜在的剪切面产生破坏。干燥岩石呈现脆性首先是表皮破碎，随着蠕变过程进行，最后沿剪切面滑动，形成X型或Y型破坏，留下1个或2个小圆锥。浸水岩石加载和浸水同时进行，由于水是沿径向从外部向内部扩散，在外荷载作用下表皮产生微裂隙会引导水扩散到裂隙，使得表皮以片状剥离，在加载的最后阶段，内径部分突然破坏，由于一直浸水端部效应减弱，最后小圆锥被沿径向拉坏，整体上浸水岩石破碎比较严重。饱水岩石由于在加载前进行真空饱水，水在试样内部空间分布均匀，整体强度减弱，延性增强，且端部效应更弱，最终破坏为沿轴向张拉破坏（图9）。