干湿循环作用下深部砂岩强度劣化及能量演化规律

2022-01-26袁璞戚少先位宁宁

科学技术与工程 2022年1期

袁璞，戚少先，位宁宁

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001；3.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001)

随着近年来社会经济的蓬勃发展，一些浅部矿产资源逐渐枯竭，加大了对深部矿产资源开采的需求，保证深部地下工程中围岩的稳定是安全开采的前提。随着地下水位的下降与上升，深部地下工程中的围岩含水率会发生变化，处于干湿交替的状态，对岩体强度和稳定性产生不利的影响[1]。

近年来，许多学者对岩石的干湿循环现象开展了大量的实验研究。黄武峰等[2]对干湿和冻融作用下的白云岩进行了三轴压缩实验，探讨了干湿循环和冻融循环对岩石的影响程度，结果表明在循环次数为60次时，干湿循环比冻融循环对岩石的影响更大。陈绪新等[3]基于不可逆热力学损伤理论，分析外力总功、弹性能以及能量耗散之间的内在关系，并建立了相应的损伤演化方程。王帅等[4]研究表明，未改良红砂岩土试件的峰值强度与弹性模量随着干湿循环次数的增加而降低，但在5次干湿循环后趋于稳定。曾铃等[5]对碳质泥岩开展了室外裂隙演化原位实验，结果表明炭质泥岩裂隙数量、裂隙最大长度及裂隙率等裂隙参数均随干湿循环次数的增加而呈增长趋势。王来贵等[6]对不同溶液中的砂岩开展干湿循环实验，研究结果显示，随着干湿循环次数的增大，长石砂岩表观劣化加剧，波速、抗压强度和弹性模量逐渐降低。袁璞等[7]借助霍普金森压杆实验装置从动态方面阐述了干湿循环作用对岩石强度的影响。罗琼[8]进行了不同干湿循环次数下的泥岩崩解试验，干湿循环次数的增加，强风化泥岩的强度指标弱化指数逐渐增长。Wang等[9]用三轴流变仪探究了不同干湿循环次数对饱和砂岩蠕变性能的影响。郭佳奇等[10]得出了饱水灰岩破坏时能量演化机制。傅晏等[11]、刘新荣等[12]对干湿循环之后的岩石进行细微观分析从而得出不同干湿循环次数的岩石劣化规律。Ying等[13]采用数值试验方法确定了不同干湿循环次数下的断裂韧性，得出断裂韧性随干湿循环次数的增加而降低。张善凯等[14]从微观方面分析得出随干湿循环次数的增加，膨胀岩的微观结构中黏土颗粒聚集形态由紧密状态转变为松散状态。刘之喜等[15]分析了岩石在单轴压缩过程的能量演化，结果表明弹性能与塑性能的增长速率都随着荷载增大而增大。苏晓波等[16]研究了单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能量演化规律，得出了花岗岩积聚的弹性能超过了黏结面部位破坏的耗散能时，花岗岩在卸载时会发生短促、强烈的脆性破坏。

干湿循环导致的围岩承载能力下降会引发一定的地质灾害，因此对受干湿循环作用后围岩力学性质劣化的研究显得尤为重要。为了接近实际情况，现采用“烘干-自然饱水-烘干”过程来模拟自然状态下围岩的干湿循环作用，并对其进行单轴压缩试验和能量演化分析，结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)从宏观和微细观上分析力学性质劣化规律，为深部地下工程中开挖和支护提供一定的参考依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验试样取自淮南市朱集东煤矿-965 m处的砂岩，表面呈灰褐色，无明显裂纹，完整性较好。砂岩主要由石英、长石和岩屑等组成(表1)。

表1 砂岩组成及含量Table 1 Composition and content of sandstone

将试块打磨成标准圆柱体，直径为50 mm，高度为100 mm[17]。侧面与上下两平面的垂直度误差不超过0.25°，上下两平面不平行度不大于0.05 mm[18]。平均密度为2.5 g/cm3，平均波速为3 056 m/s。加工完毕后的深部砂岩试件见图1。

图1 深部砂岩试件Fig.1 Deep sandstone specimens

1.2 试验步骤

试验时，将试样放入蒸馏水中浸泡，采用自然饱水法，使试样吸水至饱和。然后从溶液中取出若干试块分别进行循环次数为1、5、10、20和30次干湿循环试验，以试块在烘箱60 ℃环境中烘干12 h后晾晒至室温再放入溶液中浸泡12 h为一次干湿循环，将烘干温度设置在60 ℃的原因是防止过高的温度会使一些矿物失去结晶水，对试验产生影响，并以干燥试块为对照组。

从达到相应干湿循环次数的试块中选取2个试件进行单轴抗压强度试验，加载速率为0.01 mm/s。为细致地研究干湿循环对深部砂岩的破坏机理，选取若干试块进行电镜扫描观察。

2 试验结果分析

2.1 密度变化曲线分析

在试验时对每次干湿循环的干湿质量进行记录，进而求出相对应的密度，公式为

(1)

式(1)中：ρi为每次干湿时所测密度；mi为每次干湿循环时所测干质量；V为初始时试块所测体积。

图2为不同循环次数下的砂岩密度。由图2可知，经过干湿循环之后试块密度呈逐渐增大的趋势，在第1次和第20次干湿循环之后密度增加量最大，结合SEM观测可以看出第1次干湿循环后岩石颗粒变为片状，使得孔隙数量较干燥状态有所增加，在第20次干湿循环后，此时岩石损伤较为严重，无论是孔隙深度和数量都大大增加，所以在烘干过程中较深部位的孔隙有水分残留，引起质量和密度的增加。但在15～20次密度呈现略微减少的趋势，此时水岩作用在岩体内产生了一定的胶结物，堵塞了部分孔隙，干湿循环时水无法进入岩体内部，且外部的水分已经被烘干，但随着干湿循环继续地进行，产生的胶结物逐渐被溶解，渗透路径也逐渐加长，导致内部的水分不易蒸发出来，致使测量时的密度呈增大的趋势。

图2 密度变化Fig.2 Density variation

2.2 不同干湿循环次数下的应力-应变曲线分析

砂岩在不同干湿循环次数下的应力-应变曲线如图3所示，单轴抗压强度变化如图4所示。

图4 单轴抗压强度变化Fig.4 Variation of uniaxial compressive strength

由图3可知，应力应变曲线总体趋势是随着干湿循环次数的增加，岩石的峰值强度逐渐降低，轴向应变相应减小。在干湿循环次数达到10次以后，应力应变曲线在达到峰值应力后出现明显的延性破坏，在干湿循环次数较少时，出现脆性破坏。一方面是因为随着干湿循环次数的增加，岩石内部的微裂纹逐渐增加，在达到峰值应力以后，还存在一些微小的裂隙，具有一定的再变形能力。另一方面是水岩作用产生的水化物有一定的胶结作用，所以在达到峰值应力后并未突然破坏[19]。

图3 不同干湿循环次数下应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves under different dry-wet cycles

由图4可知，干湿循环次数为1、5、10、20和30次比干燥状态的试样强度分别降低了1.84%、3.40%、8.02%、12.19%、15.18%。虽然随着干湿循环次数的增加，岩石强度不断降低，但是从第5次干湿循环之后强度降低率不断减少，说明干湿循环作用对岩石强度影响是有限的。

2.3 劣化度分析

邓华峰等[20]对砂岩损伤量的定义有

(2)

ΔSi=Si-Si-1

(3)

(4)

式中：Si为总劣化度；ΔSi为阶段劣化度；ΔSin为平均劣化度；T0为未经干湿循环的干燥试样力学参数值；Ti为经历过i次干湿循环后的力学参数值；ni为第i阶段干湿循环次数。

图5、图6为砂岩在不同干湿循环次数下的单轴抗压强度、弹性模量劣化曲线。由图5可知，随着干湿循环次数的增加，试样总劣化度逐渐增大。易看出在10～20次干湿循环，岩石的劣化度增加最大，为5%，在此阶段岩石内部裂隙扩展量最大。随着干湿循环次数的增加，试样的平均劣化度值在减小，其斜率也在减小，说明每一阶段的劣化程度在逐渐较小。同样的，随着干湿循环次数的增加，砂岩的总劣化度值在增加，但曲线斜率在逐渐减小，意味着干湿循环对砂岩强度劣化是有限的，这和应力应变曲线分析相符。

图5 单轴抗压强度劣化曲线Fig.5 Deterioration curve of uniaxial compressive strength

图6 弹性模量劣化趋势Fig.6 Deterioration trend of elastic modulus

由图6可知，弹性模量也是随着干湿循环次数的增加，呈逐渐递减的趋势，且这种递减的趋势是渐进的，干湿循环次数为1、5、10、20和30次比干燥状态的试样弹性模量分别降低了8.1%、23%、44.83%、61.98%、85.33%。阶段劣化度总体是呈增加的趋势，在第一阶段干湿循环后，其阶段劣化度增加最大。

3 压缩过程中的能量特征分析

试样的破坏过程本质上是能量积蓄、耗散和释放的全过程[21]。根据热力学第一定律，输入能等于弹性能与耗散能之和，也即为单轴压缩试验机压缩过程对岩石试样所做的功等于岩石体内储存的弹性能与压缩过程中产生的热能之和。当储存的弹性能超过岩石样品可以承受的极值时，岩石会产生失稳破坏，进而与外部产生能量交换，主要产生的能量有热能和岩石崩解产生的动能。这些可耗散的能量是不能逆转的，但是失稳破坏前产生的弹性能是可逆的。

在岩体的失稳破坏过程中，耗散的能量是岩体破坏的本质属性。耗散能可以反映在整个加载过程中岩石的完整性和内部裂隙的变化情况。

热力学第一定律和弹性力学基本计算公式有

Et=Ee+Ed

(5)

(6)

(7)

Ed=Et-Ee

(8)

式中：Et为输入能密度；Ee为弹性能密度；Ed为耗散能密度。

弹性能和耗散能在应力应变关系曲线上表示为两部分面积，如图7所示。

图7 单轴压缩过程中弹性能与耗散能关系图Fig.7 Relationship between elastic energy and dissipation energy during uniaxial compression

由图8可知，随着干湿循环次数的增加，岩石达到峰值应力前所需要的能量逐渐降低，岩石在经历干湿循环作用之后，其内部储存能量的能力降低，抵抗变形和破坏的能力也逐渐降低。

图8 单轴压缩过程总能量随干湿循环次数变化曲线Fig.8 Variation curve of total energy with the number of dry-wet cycles in uniaxial compression condition

由图9可知，弹性能是随着干湿循环次数的增加而减小，在整个单轴压缩过程中，在试样达到峰值应力前，主要是以储存可释放的弹性能为主，当施加的外力消失，一些被压密的孔隙和裂纹会恢复。岩石在不断经历干湿循环之后，其内部抵抗变形的能力减小，表现为弹性模量的减小和所储存弹性能的降低。相比于弹性能的规律性，耗散能呈现不规律的波动性，总能量一部分存储在岩石内部用于抵抗变形，一部分表现为不可逆的耗散能。在第一次干湿循环之后，耗散能显著增加用于微裂纹的扩展，为水岩相互作用提供更多的通道，让后来用于裂纹扩展的能量有所减少，耗散能呈下降趋势。

图9 弹性能和耗散能与干湿循环次数关系图Fig.9 Relationship between elastic energy and dissipation energy and the number of dry-wet cycles

从图10可知，试样在试验过程中所吸收的弹性能占总能量的85%以上，少部分的能量耗散用于裂隙的发展。可释放弹性能在峰值后能够促使试样内部新生裂隙扩展、贯通和滑移，直至试样完全失去承载能力。

图10 弹性能占比图Fig.10 Proportion of elastic energy

4 干湿循环对砂岩微细观结构劣化的影响

为研究不同干湿循环次数对砂岩内部结构劣化的影响，从不同循环次数的砂岩中取出若干试样，先用乙醇进行冲洗，去除碎屑，再放入烘箱中干燥。最后挑选合格的样品进行电镜扫描观测，结果如图11所示。

图11 不同干湿循环周期下深部砂岩SEM图(1 000倍)Fig.11 SEM images of deep sandstone under different dry-wet cycles (1 000 times)

由图11可知，在干燥状态时，岩石内部表现出明显的致密性和均匀性，次生孔隙较少，无贯通，基本没有较大的裂隙，宏观上则表明干燥状态下的砂岩具有良好的力学性质。但是随着干湿循环次数的增加，岩石内部的裂纹逐渐扩展且岩体内的颗粒数量逐渐减少，片状物的数量在逐渐增加。在第1次干湿循环作用之后，砂岩的微细观结构发生了明显的变化，从岩石颗粒慢慢向片状物转化，孔隙数量也有所增加。在第5次干湿循环之后，岩石内部裂隙扩展明显，一些微小的裂纹已经逐渐贯通形成较大的孔隙，岩石颗粒在干湿循环作用下积累形成片状。在第10次干湿循环时，出现明显的絮状物，是由于砂岩中所含蒙脱石晶体，其层间游离的阳离子含有Na+时，吸水后晶体会逐渐软化变为絮状[22]。在蒙脱石晶体不断吸水崩解变为絮状物时，内部裂隙和新生孔隙不断新增和发展，导致承载能力的进一步降低。而在第30次干湿循环时，砂岩表面的层理和裂纹已经能比较明显地看出来，此时岩体内部裂缝宽度、长度已经变得很大，在宏观上直接表现承载能力的降低。