不同含水率砂巖單軸壓縮力學(xué)特性及波速法損傷

段天柱，任亞平

不同含水率砂巖單軸壓縮力學(xué)特性及波速法損傷

段天柱1，任亞平2

(1. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了探究不同含水率砂巖單軸壓縮下力學(xué)特性及損傷變化情況，首先對(duì)5種不同含水率砂巖進(jìn)行靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得其物理力學(xué)參數(shù)；而后利用超聲波檢測(cè)儀測(cè)量該5種不同含水率砂巖的波速，將該批次砂巖加載到80%峰值強(qiáng)度后卸載到0，測(cè)量此時(shí)砂巖聲波波速，利用聲波法定義損傷，研究含水率對(duì)砂巖損傷的影響。結(jié)果表明：單軸壓縮下，砂巖的峰值強(qiáng)度及彈性模量隨含水率升高逐漸降低，而峰值應(yīng)變變化呈相反趨勢(shì)；總功及彈性能隨含水率增加而下降，耗散能隨含水率增加而增大。實(shí)驗(yàn)前聲波波速隨含水率升高逐漸減小，實(shí)驗(yàn)后聲波波速隨含水率升高而下降，且下降趨勢(shì)較實(shí)驗(yàn)前更迅速；砂巖的殘余塑性變形和內(nèi)部損傷均隨含水率升高逐漸增大。研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)巖石損傷測(cè)試提供依據(jù)。

聲波；單軸壓縮；含水率；損傷

水分對(duì)巖石物理力學(xué)參數(shù)有重要影響，含水率的變化可能引起巖石內(nèi)部損傷，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[1]。深部煤炭開采中，圍巖常處于含水狀態(tài)，同時(shí)，煤礦開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力改變，并對(duì)圍巖造成損傷[2]。因此，應(yīng)力和巖石含水率變化對(duì)巖石損傷影響研究是當(dāng)前重要的科研方向。

巖石作為一種脆性復(fù)合材料，當(dāng)外力作用巖石時(shí)會(huì)對(duì)其內(nèi)部產(chǎn)生損傷[3-5]。國內(nèi)外關(guān)于應(yīng)力對(duì)巖石損傷影響的研究已很成熟，大量學(xué)者通過巖石損傷實(shí)驗(yàn)得到大量的成果。王云飛等[6]在趙固一礦煤層頂板砂巖不同圍壓下的損傷演化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂巖的損傷破壞經(jīng)歷損傷彌散分布、聚集成核、局部裂隙形成和主控破裂面形成4個(gè)階段；張國凱等[7]利用割線模量定義損傷變量，同時(shí)選取模量加速下降處為損傷門檻，發(fā)現(xiàn)3種工況下微裂紋數(shù)量與損傷呈線性發(fā)展關(guān)系；劉保縣等[8]、羅福友等[9]、蘇承東等[10]、宿輝等[11]利用聲發(fā)射研究了巖石在外力作用下的損傷變化情況。此外，一些學(xué)者從超聲波波速的角度著手，利用巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變會(huì)導(dǎo)致超聲波波速發(fā)生變化來定義巖石的損傷。吳春等[12]通過軟巖相似材料進(jìn)行了2種不同流變加載方式下的單軸流變損傷破壞實(shí)驗(yàn)，結(jié)合超聲檢測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過軟巖試件單軸抗壓強(qiáng)度80%時(shí)，縱波波速曲線才會(huì)在流變過程中持續(xù)下降，出現(xiàn)可檢測(cè)損傷跡象；趙明階等[13]、趙奎等[14]基于巖石在受荷載條件下的聲學(xué)特性模型，建立巖石損傷與聲波波速之間的方程。

近年來隨著煤炭開采朝深部發(fā)展及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，大量學(xué)者開展了水環(huán)境下巖石的損傷研究，并取得了一定成果[15]。姚強(qiáng)嶺等[16]研究發(fā)現(xiàn)，干燥狀態(tài)下含水砂巖聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值與應(yīng)力峰值相對(duì)應(yīng)，隨著含水率增加，聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值較應(yīng)力峰值位置滯后，呈現(xiàn)出“延遲”特征。王凱等[17]針對(duì)不同含水率的原煤煤樣和型煤煤樣進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了考慮含水率的煤體分段式損傷本構(gòu)模型。

上述研究一般將應(yīng)力和水分變化對(duì)巖石損傷的影響單獨(dú)進(jìn)行考慮，而煤礦挖掘過程中巖石處于水分和應(yīng)力變化的雙重作用下，要求現(xiàn)場(chǎng)可采用一種科學(xué)簡便的方法更好更快地獲得二者對(duì)巖石損傷的影響。因此，筆者利用超聲波研究應(yīng)力和水分同時(shí)作用時(shí)對(duì)砂巖的損傷影響，研究成果對(duì)煤礦安全回采有重要的實(shí)際意義。

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試樣采用淮北某礦地下500 m巷道內(nèi)砂巖，對(duì)巷道砂巖進(jìn)行取樣并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量其含水率，其含水率范圍為1.76%~2.42%。為了探究該范圍內(nèi)含水率變化對(duì)砂巖力學(xué)性能及損傷的影響，設(shè)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)試樣含水率分別為0及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含水率范圍中的1.8%、2.0%、2.2%和2.4%。試樣制成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，每組6塊。制成的部分試樣如圖1所示。

圖1 砂巖試樣

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的萬能試驗(yàn)機(jī)，聲波測(cè)量裝備采用型號(hào)為HC-U81的超聲波檢測(cè)儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為了獲取不同含水率砂巖，首先將制備好的圓柱體放在105℃烘干箱中烘干24 h后稱量質(zhì)量，重復(fù)多次，直至前后兩次質(zhì)量變化小于0.01%，即認(rèn)為此時(shí)砂巖為干燥狀態(tài)，測(cè)量此時(shí)砂巖的聲波波速；而后，取波速相近的4組干燥砂巖放入4種不同含水率的恒濕恒溫養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行吸水，吸水24 h后進(jìn)行稱量，重復(fù)多次，直至前后兩次質(zhì)量變化小于0.01%，即認(rèn)為此時(shí)砂巖已達(dá)到恒溫養(yǎng)護(hù)箱中設(shè)定的含水率，測(cè)量此時(shí)砂巖的聲波波速；最后，將每組取出3塊利用萬能試驗(yàn)機(jī)以0.12 mm/min進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到不同含水率下每組樣品的物理力學(xué)參數(shù)；將每組剩余3塊按照同樣加載速率加壓至80%峰值強(qiáng)度[12,18]，然后以相同的速率卸載到0，測(cè)量加載后試樣的波速。

2 含水率對(duì)砂巖力學(xué)特性影響

含水率變化對(duì)砂巖的力學(xué)特性有重要的影響，利用單軸壓縮試驗(yàn)可以明確含水率變化對(duì)砂巖的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量的影響。

2.1 不同含水率砂巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線

圖2為單軸壓縮下不同含水率砂巖的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。從圖2中可以看出隨著含水率的升高砂巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線呈以下特點(diǎn)：①壓密階段占比逐漸增加，近似線彈性階段占比逐漸減??；②峰值強(qiáng)度逐漸降低，峰值應(yīng)變逐漸加大，彈性模量逐漸減小。

圖2 單軸壓縮下不同含水率砂巖應(yīng)力–應(yīng)變曲線

2.2 含水率對(duì)砂巖力學(xué)特性影響

圖3為砂巖的峰值強(qiáng)度隨含水率變化曲線，從圖3可以看出，隨著含水率的增大，砂巖峰值強(qiáng)度逐漸降低，在含水率1.8%~2.4%階段，其峰值強(qiáng)度與含水率關(guān)系呈線性下降。含水率對(duì)峰值強(qiáng)度的影響說明砂巖中含水率升高降低了砂巖的承載能力。

圖3 砂巖的峰值強(qiáng)度σp隨含水率ω變化曲線

圖4為砂巖的峰值應(yīng)變隨含水率變化曲線，從圖4可以看出，干燥時(shí)的峰值應(yīng)變最小，隨著含水率的增大，砂巖的峰值應(yīng)變逐漸上升，其峰值應(yīng)變與含水率關(guān)系呈線性上升，說明含水率升高可以增加砂巖抵抗極限變形的能力。

圖5為砂巖的彈性模量隨含水率變化曲線，從圖5中可以看出，干燥時(shí)砂巖的彈性模量最大，隨著含水率的增大，砂巖的彈性模量逐漸減小，在含水階段，其彈性模量與含水率關(guān)系呈線性下降。

2.3 含水率對(duì)砂巖能量耗散的影響

單軸壓縮過程中，不同含水率砂巖的能量耗散表現(xiàn)出不同特征，通過研究砂巖能量隨水分的變化規(guī)律，可以明確含水率在砂巖變形破壞中的作用。砂巖受壓從產(chǎn)生變形到破壞這一過程，是能量的吸收、耗散和釋放。能量的耗散反映了砂巖材料內(nèi)部微裂紋不斷演化和閉合，同時(shí)孔隙被破壞產(chǎn)生新的裂紋和裂隙的過程，其實(shí)質(zhì)是砂巖變形破壞的過程。砂巖在單軸壓縮過程中，其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如式(1)所示：

圖4 砂巖的峰值應(yīng)變?chǔ)舙隨含水率ω變化曲線

圖5 砂巖的彈性模量E隨含水率ω變化曲線

式中為外力對(duì)砂巖所做的功，即外界輸入的能量；e為變形過程中儲(chǔ)存在砂巖中的彈性變形能；d為加載過程中砂巖耗散的能量，這一部分能量主要使砂巖內(nèi)部損傷并產(chǎn)生塑性變形。

圖6為砂巖各能量隨含水率變化曲線。從圖6可以看出：含水狀態(tài)下的總功及彈性能均小于干燥條件下的，且總功與彈性能隨著含水率的升高逐漸減??；耗散能隨含水率的升高逐漸增大，這是由于水分增加導(dǎo)致砂巖延性變大，吸收的塑性變形能增多。

2.4 應(yīng)力幅值為80%峰值強(qiáng)度時(shí)砂巖的力學(xué)特性

圖7為加載80%峰值強(qiáng)度后卸載到0時(shí)試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。從圖7可以看出，含水率越大其80%峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值越小，加載和卸載過程中近似線彈性階段的斜率隨著含水率的增大而減小，且干燥時(shí)殘余塑性變形最??；含水狀態(tài)下，殘余塑性變形隨含水率上升逐漸增大；殘余塑性變形的增加表明砂巖內(nèi)部脆性逐漸減弱，延性逐漸增強(qiáng)[19]，同時(shí)其積聚的塑性變形能逐漸增多。

圖6 砂巖中各能量隨含水率ω變化曲線

圖7 加載80%峰值強(qiáng)度后卸載到0時(shí)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

3 不同含水率砂巖的損傷特性

3.1 實(shí)驗(yàn)前后砂巖的聲波波速

水分對(duì)砂巖有一定的損傷作用，這種損傷表現(xiàn)在水分對(duì)砂巖軟化、溶蝕等物理化學(xué)作用，在一定程度上改變砂巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)改變砂巖的脆延性。在超聲波實(shí)驗(yàn)中，水分可以使砂巖聲波波速出現(xiàn)變化，當(dāng)進(jìn)行單軸壓縮時(shí)，砂巖內(nèi)部遭遇不同的損傷，其聲波變化情況更加明顯。

圖8為砂巖聲波波速隨含水率變化曲線。從圖8可以看出，聲波波速隨含水率變化呈以下特點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)前砂巖聲波的波速f隨含水率的升高逐漸下降；②實(shí)驗(yàn)后砂巖聲波的波速c隨著含水率的升高逐漸下降，且較實(shí)驗(yàn)前下降更加迅速；③從相同含水率下砂巖的聲波波速對(duì)比可以看出，實(shí)驗(yàn)前的聲波波速f大于實(shí)驗(yàn)后的聲波波速c。

圖8 砂巖聲波波速v隨含水率ω變化曲線

3.2 砂巖損傷隨含水率變化規(guī)律

聲波波速的變化可以有效反映砂巖實(shí)驗(yàn)前后的損傷變化，大量學(xué)者通過巖石聲波波速的變化獲得其損傷變化，并提出了相應(yīng)的公式[20]：

式中為損傷變量，c為實(shí)驗(yàn)后聲波波速，f為實(shí)驗(yàn)前聲波波速。

利用式(2)對(duì)砂巖3組聲波波速進(jìn)行處理，得到其損傷變化情況如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著含水率的升高，砂巖加卸載過程造成的損傷逐漸增大，表明砂巖內(nèi)部的完整性遭到破壞，這種破壞導(dǎo)致砂巖內(nèi)部黏聚力顯著性減小，同時(shí)其內(nèi)部的單元體被破壞，最終使得砂巖整個(gè)支撐面失效。

圖9 砂巖損傷變量D隨含水率ω變化曲線

4 結(jié)論

a.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)下，砂巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量、總功及彈性能隨著含水率的升高逐漸降低，峰值應(yīng)變和耗散能隨著含水率升高逐漸增大。

b.隨著含水率升高，加載過程和卸載過程的斜率逐漸減小，殘余塑性變形逐漸加大。

c. 3種不同情況下的聲波波速測(cè)試結(jié)果顯示，干燥情況下波速最大，隨著含水率的升高，聲波的波速逐漸下降，80%峰值強(qiáng)度壓縮后的聲波波速隨含水率增加逐漸下降，且下降速率較實(shí)驗(yàn)前更迅速。

d.實(shí)驗(yàn)前，砂巖的損傷隨含水率增加逐漸加大；加卸載后，砂巖的損傷隨含水率的升高增大，且損傷變化趨勢(shì)較單獨(dú)水分影響更大。

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Study on uniaxial compression mechanical properties of sandstone with different moisture content and wave velocity method

DUAN Tianzhu1, REN Yaping2

(1. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400039, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to investigate the mechanical properties and damage of sandstone under different uniaxial compression, the static uniaxial compression tests of five sandstones with different moisture content were carried out, and the physical and mechanical parameters were obtained. And the wave velocity of the sandstone samples with different moisture content were measured by ultrasonic detector. Then the sandstone was loaded to 80% peak intensity and then unloaded to 0. The acoustic wave velocity of sandstone was measured at this time. The damage was determined by acoustic wave method. The results show that the peak strength of sandstone under uniaxial compression and the elastic modulus decreases with the increase of moisture content, but the peak strain changes in the opposite direction; the total work and elastic energy decrease with the increase of moisture content, and the dissipation energy change is opposite with the moisture content. The effect of sandstone damage indicates that the wave velocity of the acoustic wave decreases with the increase of moisture content before the test. The wave velocity of the acoustic wave decreases with the increase of moisture content and the trend is slower than that before the test. The residual plastic deformation of sandstone increases gradually with the moisture content; The internal damage of sandstone increases with the increase of moisture content. The results of the study can provide a basis for on-site testing of rock damage.

acoustic emission; uniaxial compression; moisture content; damage

TD45

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.023

1001-1986(2019)04-0153-06

2018-11-22

國家科技重大專項(xiàng)課題(2016ZX05045-002-003)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-003)

段天柱，1985年生，男，河南光山人，碩士研究生，助理研究員，從事煤田地球物理勘探工作. E-mail：duantianzhu@163.com

段天柱，任亞平. 不同含水率砂巖單軸壓縮力學(xué)特性及波速法損傷[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：153–158.

DUAN Tianzhu，REN Yaping. Study on uniaxial compression mechanical properties of sandstone with different moisture content and wave velocity method[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：153–158.

(責(zé)任編輯 周建軍)