不同含水狀態(tài)砂巖分級加載蠕變變形特性研究

劉 洪 磊 宋 旭 牛 雷 雷 劉 溪 鴿

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

在礦山開采中礦柱被用來支撐采場頂板防止其垮塌，但是常常會遇到含水層，致使礦柱不斷受到水的侵蝕，巖體容易軟化變形，發(fā)生失穩(wěn)破壞［1-3］。特別是隨著開采時間的推移，礦柱的蠕變效應(yīng)增強，巖石強度降低，其支撐能力下降，可能會導(dǎo)致頂板冒落或者垮塌。因此，研究不同含水狀態(tài)下砂巖的蠕變變形特性及蠕變損傷變化規(guī)律，有助于確保含水礦柱的長期穩(wěn)定性，確保礦山安全生產(chǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者針對不同含水狀態(tài)下巖石的蠕變變形規(guī)律進行了研究［4-5］。應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，會引起巖石體積變化，進而導(dǎo)致容重和含水率的變化［6］。唐世斌等［7-9］研究了荷載和水共同作用下巖石短期和長期力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)各特征應(yīng)力與破壞應(yīng)力之比、啟裂應(yīng)力與閉合應(yīng)力之差隨含水增多而減小，含水會降低裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力門檻。YAO等［10］制備了不同含水率的巖樣，采用機械分級加載分別對不同含水率的巖樣進行了三軸蠕變試驗。CAO等［11］在分級增量加卸載試驗中發(fā)現(xiàn)，干燥試樣破壞時強度占單軸抗壓強度的57.6%，水環(huán)境下試樣占86.5%，干燥時破壞強度占抗壓強度的比例低?，F(xiàn)有文獻對巖石在含水狀態(tài)下的蠕變規(guī)律研究較為深入，認為水對蠕變的影響使得蠕變應(yīng)變和應(yīng)變速率增加，蠕變強度降低。水的弱化機理可以總結(jié)為5個方面，包括降低巖石的斷裂能、降低毛細張力、增加孔隙壓力、減小摩擦和化學(xué)腐蝕作用［12］，現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界對其機理的解釋尚未有統(tǒng)一的認識，因此有必要進一步研究。

巖石的破壞是損傷累積到一定程度后產(chǎn)生的宏觀效應(yīng)，表征巖石損傷狀態(tài)是預(yù)測巖石破壞的前提［13］。超聲波速法是利用不同損傷狀態(tài)下波速的變化來表征損傷。為了研究超聲波信號在巖石破壞過程中的變化規(guī)律，LI等［14］研究了頁巖在漸進性破壞過程中超聲波速度、振幅和衰減的變化。ZHU等［15］研究了擾動作用下巖石的蠕變破壞特征。王宇等［16］對蠕變后和蠕變飽水后的砂巖進行卸荷破壞試驗，發(fā)現(xiàn)蠕變損傷砂巖超聲波計算值和彈性模量法計算結(jié)果一致。雖然已經(jīng)有部分學(xué)者開展了巖石蠕變損傷相關(guān)研究，但是基于超聲波檢測的不同含水狀態(tài)下巖石蠕變過程的研究仍有待深入。因此，通過超聲波監(jiān)測巖石蠕變過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對于探明含水狀態(tài)對巖石蠕變過程的影響機理很有意義。

本研究針對不同含水狀態(tài)下的砂巖，開展干燥、浸水和飽水的分級加載蠕變試驗，研究不同含水狀態(tài)和應(yīng)力水平下巖石蠕變變形特征和破壞模式；利用超聲波波速與巖石損傷之間的關(guān)系，研究水在分級加載蠕變中對損傷演化的影響，分析蠕變變形過程中的超聲波特性，對評估礦柱在多種含水狀態(tài)下的長期穩(wěn)定性具有一定的借鑒意義。

1 試驗裝置及試驗材料

1.1 試驗裝置

如圖1（a）所示，采用東北大學(xué)自主研制的巖石蠕變-沖擊試驗機進行蠕變試驗，在試驗過程中利用超聲波測試系統(tǒng)測試超聲波變化特征。如圖1（b）所示，超聲波測試系統(tǒng)由承壓發(fā)射換能器、接收換能器等組成，承壓換能器最大承壓為300 MPa，發(fā)射頻率為150 kHz，采樣頻率為2 MHz，在試件與換能器間涂抹凡士林增加耦合效果（圖1（b））。巖石浸水試驗通過將試樣浸沒在儲水裝置中實現(xiàn)，儲水裝置的上下底板為剛性墊板，施加在試樣上的載荷通過剛性墊板進行傳遞，加載過程中巖石試樣浸沒在水中（圖1（c））。

1.2 試驗材料

本研究所用的紅砂巖取自四川自貢某煤礦，按照國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）試驗規(guī)程，測試標準試件（?50 mm×100 mm）的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。為了減小巖石材料力學(xué)特性受非均勻性和各向異性的影響，從同一巖塊按照同一方向加工試樣。

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根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266-99）［17］，對砂巖進行干燥和飽水處理，研究干燥、浸水和飽水3種含水狀態(tài)下砂巖蠕變變化特性。具體處理方法為：①干燥，將試樣置于烘干箱中，在105～110℃的溫度下烘干24 h，取出后，立即放入干燥器內(nèi)，冷卻至室溫。②飽水，采用真空抽氣法飽和試樣，將烘干后的試件置于真空壓力表顯示為0.1個大氣壓的真空環(huán)境下，抽氣時間不少于4 h，隨后吸入水使得水面高于試樣面，且抽氣時不再產(chǎn)生氣泡，然后將試樣在正常大氣壓下浸泡8 h以上。經(jīng)過飽水過程，本次試驗所用砂巖飽和含水率為7.3%。③浸水，將烘干且冷卻至室溫后的試件置于儲水裝置中，水面浸沒試件，然后進行加載。

蠕變試驗采用單軸分級加載形式，進行不同含水狀態(tài)下砂巖試樣的單軸壓縮試驗測試試樣的單軸抗壓強度。為了后期開展蠕變沖擊試驗時更加容易達到應(yīng)力平衡，蠕變試驗中選取尺寸為?50 mm×50 mm的試樣。如圖2所示，干燥、浸水和飽水砂巖單軸壓縮下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似，干燥砂巖抗壓強度為56.2 MPa，彈性模量為17.12 GPa，浸水情況下抗壓強度為34.9 MPa，彈性模量為6.59 GPa，飽水砂巖抗壓強度為19.8 MPa，彈性模量為4.46 GPa。隨著含水狀態(tài)改變，試樣的單軸抗壓強度和彈性模量降低，表明含水狀態(tài)影響試樣的單軸抗壓強度和彈性模量。GRIGGS［18］研究發(fā)現(xiàn)巖石達到強度的12.5%～80%即可發(fā)生蠕變現(xiàn)象。根據(jù)文獻［19］，將分級加載設(shè)置為50%、60%、70%、80%的單軸抗壓強度。

在蠕變試驗過程中，按照圖1（b）的測試方式，首先測試無荷載巖石的超聲波，然后放置干燥和飽水試樣進行加載，蠕變12 h測試一次超聲波波形，分級加載之后測試一次超聲波波形。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 不同含水狀態(tài)下砂巖蠕變變形特征

如圖3（a）、圖3（c）和圖3（e）所示，砂巖在干燥、浸水和飽水狀態(tài)下蠕變變形規(guī)律相似。每一級加載后，試樣產(chǎn)生瞬時變形，然后進入減速蠕變變形，持續(xù)一段時間后進入等速蠕變，最后一級加載試樣最終進入加速蠕變。雖然不同含水狀態(tài)下的試樣蠕變變形規(guī)律相似，但是試樣變形量和變形速率相差較大。在第一級加載中，干燥、浸水和飽水砂巖最大變形量分別為 3.2×10-3、3.8×10-3和4.03×10-3，穩(wěn)定蠕變速率分別為 1.72×10-7s-1、1.49×10-7s-1和 7.78×10-7s-1。干燥和浸水狀態(tài)試樣的蠕變變形速率近似相等，但是和飽水砂巖相差較大，表明加載初期，浸水試樣含水較少，水對試樣弱化的影響較弱。當含水狀態(tài)達到飽水時，飽水砂巖中的水足夠多能夠使砂巖顆粒軟化，膠結(jié)程度降低，變形能力增大。因此，在第一級加載階段試樣受到水的侵蝕弱化而變軟，其蠕變變形速率明顯大于干燥試樣。

干燥砂巖在達到80%強度后發(fā)生破壞，總加載時間為42.6 h，浸水砂巖在達到其70%強度時破壞，持續(xù)加載時間為35.8 h，飽水砂巖在70%強度時發(fā)生破壞，總加載時間為35.1 h。浸水試樣中水對巖石的弱化作用存在時間和空間效應(yīng)，在第一級加載時，水的含量較低作用不明顯，隨著時間的推移，水在砂巖中擴散導(dǎo)致砂巖內(nèi)部顆粒間的膠結(jié)作用降低，變形能力變大。同時隨著砂巖試樣蠕變變形增大，其內(nèi)部的微裂隙和孔隙不斷萌生、擴展和匯聚，水會不斷擴散進入砂巖的孔隙和裂隙中，對試樣進一步弱化。隨著加載時間的增長，浸水砂巖的含水量和飽水砂巖相近，其蠕變變形速率也相近，因此試樣破壞的時間和應(yīng)力水平也相近，表明在本研究試驗條件下，最終的含水量影響試樣的總體破壞時間，初始含水狀態(tài)對最終破壞時間影響不大。浸水砂巖和飽水砂巖的破壞時間和應(yīng)力水平低于干燥砂巖，再次體現(xiàn)了水對砂巖的弱化作用。

圖 3（b）、圖 3（d）、圖3（f）對應(yīng)于圖 3（a）、圖3（c）、圖3（e）中加速蠕變階段的放大部分。3類砂巖（干燥、浸水和飽水）在最后一個加載階段都進入加速蠕變階段，并且在試樣破壞前都有蠕變應(yīng)變從緩慢增大到急劇增大的一個拐點，此時的應(yīng)變和應(yīng)變率可以作為巖石破壞前的一個預(yù)兆。當蠕變應(yīng)變過了拐點后0.5 h之內(nèi)試樣破壞。干燥試樣蠕變應(yīng)變達到4.28×10-3時應(yīng)變率開始快速增加，此時蠕變速率由穩(wěn)定蠕變速率的4.36×10-7s-1變?yōu)?.12×10-6s-1后快速增加直到破壞；浸水試樣蠕變應(yīng)變達到5.11×10-3時應(yīng)變率開始快速增加，此時蠕變速率由穩(wěn)定蠕變速率的9.25×10-6s-1變?yōu)?.7×10-5s-1后快速增加直到破壞；飽水砂巖蠕變應(yīng)變達到1.43×10-3時應(yīng)變率快速增加，蠕變速率由穩(wěn)定蠕變速率的1.42×10-6s-1增加到1.43×10-5s-1后快速增加直到破壞。

試樣加載后會產(chǎn)生一個瞬時變形，如圖4（a）所示，瞬時變形為加載到設(shè)定應(yīng)力水平時試樣的變形減去此次應(yīng)力水平加載前的變形。隨著應(yīng)力水平和含水量增加，瞬時變形增加，這是由于試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線在處于50%應(yīng)力水平之后是上凸，應(yīng)變增加快于應(yīng)力增加，同時水對試樣的軟化導(dǎo)致試樣變形量增大。從每一級的應(yīng)力加載到穩(wěn)定蠕變所需時間為減速蠕變時間，減速蠕變時間隨應(yīng)力水平的增加而增大，如圖4（b）所示，相同應(yīng)力水平下，含水試樣減速蠕變時間長于干燥試樣。在60%和70%強度的蠕變應(yīng)力加載時飽水砂巖的減速蠕變時間長于浸水和干燥，但是隨著加載時間的增長，浸水試樣的減速蠕變時間和飽水砂巖近似，減速蠕變時間隨著含水量的變化和巖石的破壞時間一致。

2.2 不同含水狀態(tài)試樣蠕變加載過程中超聲波波速特性

巖石的蠕變過程是損傷累積的過程，故可利用巖石的損傷演化表征蠕變變形規(guī)律，而巖石的損傷可以利用超聲波波速的變化進行量化。通過測試干燥和飽水試樣每一級加載過程中超聲波波速的變化，利用下式［15］計算巖石的損傷值D：式中，vpi為每一級加載后巖石的超聲波波速，m/s；vp0為未加載時的超聲波波速，m/s。

干燥砂巖分級加載蠕變下，當應(yīng)力加載到50%強度時，超聲波波速降低了5.0%，蠕變12 h后波速降低了1.2%，表明隨著應(yīng)力加載和蠕變變形的發(fā)展，試樣的超聲波波速降低，損傷在不斷演化。第2級、第3級和第4級加載后波速分別降低了3%、3.2%和3.3%，第2和第3級加載后蠕變12 h，波速分別降低了1.3%和1.5%，第4級加載后6.6 h試件破壞。飽水砂巖分級加載下，波速變化和干燥砂巖相似，加載后試樣的波速衰減大于蠕變變形導(dǎo)致的波速衰減，但是每一級的波速衰減幅度相差不大。

如圖5所示，干燥和飽水巖石在蠕變應(yīng)力達到50%強度時，砂巖試樣的損傷累積分別為0.098和0.116，蠕變12 h后，累積損傷分別為0.121和0.142，表明第一次加載后飽水試樣的損傷大于干燥巖石，蠕變引起的損傷仍然是飽水試樣大于干燥試樣。砂巖飽水后，不僅骨架顆粒間的黏結(jié)力下降，更容易發(fā)生錯動，弱化巖石的強度，而且在蠕變變形過程中向萌生的裂紋中擴散，在裂紋尖端產(chǎn)生水楔作用加速裂紋擴展，導(dǎo)致試樣損傷演化加劇。因此，在每一級加載時，飽水砂巖的損傷量大于干燥巖石，同時在同一應(yīng)力水平的蠕變過程中，飽水砂巖的累積損傷要高于干燥巖石，導(dǎo)致在第3級加載后蠕變過程中飽水試樣蠕變5.8 h產(chǎn)生破壞，而干燥砂巖在第4級加載后蠕變過程中產(chǎn)生破壞。

2.3 不同含水狀態(tài)試樣蠕變加載過程中超聲波頻譜特性

如圖6（a）和圖6（b）所示，干燥砂巖的超聲波波形幅值為2.55 V，持續(xù)時間為450 μs，飽水砂巖的幅值為0.63 V，持續(xù)時間為300 μs，超聲波通過飽水砂巖后幅值降低，持續(xù)時間減小，表明砂巖飽水使超聲波信號在傳播過程中發(fā)生繞射散射現(xiàn)象，更多的能量被吸收或耗散。對圖6（a）和圖6（b）所示的超聲波波形分別進行傅葉變換得到其頻譜圖（圖6（c）和圖6（d）），干燥和飽水砂巖頻譜圖整體相似，都存在多個頻帶，干燥砂巖主頻為54.4 kHz，對應(yīng)幅值為39.2 mV，飽水后主頻變?yōu)?3.2 kHz，對應(yīng)幅值為14.8 mV，飽水使得砂巖超聲波信號主頻降低幅值減小，出現(xiàn)“頻帶漂移”現(xiàn)象，說明砂巖含水會表現(xiàn)出低通濾波特性。

如圖7為干燥和飽水砂巖試件在分級加載蠕變過程中的頻率變化特征。在第1級加載時，飽水砂巖超聲波頻譜圖存在3個頻帶，對應(yīng)頻率分別為24.5 kHz（31.4 mV）、36.8 kHz（32.2 mV）和 44.4 kHz（24.6 mV），干燥砂巖超聲波頻譜圖存在2個頻帶，對應(yīng)頻率分別為26.5 kHz（36.8 mV）和40.0 kHz（39.8 mV）。

對比圖7和圖6可知：受到外荷載時，干燥試樣的主頻和峰值減小，飽水情況下主頻和峰值增大。當試樣由未受載逐漸加載時，巖石被壓縮，大量的微裂紋萌生，干燥試樣微裂紋內(nèi)由空氣填充，超聲波通過試樣時高頻衰減加劇，測得超聲波主頻減??；飽水砂巖在加載過程中產(chǎn)生的微裂紋由水填充，水的密度大于空氣，因此相同的加載條件下飽水試樣的濾波效果相比于干燥試樣差，主頻要比干燥試樣大；飽水砂巖在加載過程中產(chǎn)生的微裂紋會影響試樣內(nèi)部水的滲流，隨著微裂紋的增加水在試樣中分布更加均勻，相當于試樣的均勻性增加，試樣對超聲波的濾波作用減弱，因此第1階段加載后通過飽水試樣的超聲波主頻不減反而略增。當干燥砂巖加載到第4階段時，超聲波頻帶仍然保持兩個頻帶，但是主頻變?yōu)?7.6 kHz，幅值為25 mV。當飽水砂巖加載到第3階段時，超聲波頻帶由3個變?yōu)?個，主頻變?yōu)?4.6 kHz，幅值為16.5 mV。整個加載過程中飽水試樣超聲波主頻及對應(yīng)幅值都比干燥砂巖低，同時隨著應(yīng)力水平增加，干燥和飽水砂巖的主頻及幅值都在降低，表明含水狀態(tài)和應(yīng)力水平的改變都使巖石出現(xiàn)了“頻率漂移”現(xiàn)象。巖石飽水后，其中的孔隙和裂隙中充滿了水，同時黏土礦物等成分在水的作用下溶解，最終增加了巖石本身的黏滯性，導(dǎo)致超聲波信號在巖石中衰減加劇。蠕變過程以及分級加載會使砂巖內(nèi)損傷積累，產(chǎn)生更多的微裂隙和微孔隙，導(dǎo)致試樣對高頻波的濾波作用增強，最終使得通過試樣的超聲波主頻越來越低。

2.4 破壞模式分析

干燥、浸水和飽水試樣的破壞模式基本與文獻［20］中礦柱破壞模式一致，如圖8所示。最初的圓柱試樣在加載過程中首先是表皮破壞，最終沿潛在的剪切面產(chǎn)生破壞。干燥巖石呈現(xiàn)脆性首先是表皮破碎，隨著蠕變過程進行，最后沿剪切面滑動，形成X型或Y型破壞，留下1個或2個小圓錐。浸水巖石加載和浸水同時進行，由于水是沿徑向從外部向內(nèi)部擴散，在外荷載作用下表皮產(chǎn)生微裂隙會引導(dǎo)水擴散到裂隙，使得表皮以片狀剝離，在加載的最后階段，內(nèi)徑部分突然破壞，由于一直浸水端部效應(yīng)減弱，最后小圓錐被沿徑向拉壞，整體上浸水巖石破碎比較嚴重。飽水巖石由于在加載前進行真空飽水，水在試樣內(nèi)部空間分布均勻，整體強度減弱，延性增強，且端部效應(yīng)更弱，最終破壞為沿軸向張拉破壞（圖9）。

3 結(jié)論

利用巖石蠕變-沖擊試驗機開展分級加載蠕變試驗，討論了不同含水狀態(tài)和應(yīng)力水平下巖石蠕變變形過程中的超聲波特性，分析了含水狀態(tài)對蠕變變形破壞時間效應(yīng)的影響，揭示了巖石蠕變破壞前兆規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）整個加載過程中飽水砂巖超聲波主頻及對應(yīng)幅值都比干燥試樣低，同時隨著應(yīng)力水平增加，干燥和含水砂巖的主頻及幅值都在降低，出現(xiàn)“頻率漂移”現(xiàn)象。在應(yīng)力加載和同一應(yīng)力水平的蠕變過程中，飽水砂巖的損傷量大于干燥巖石，導(dǎo)致試樣對高頻波的濾波作用增強，砂巖含水表現(xiàn)出低通濾波。

（2）浸水砂巖中水對巖石的弱化作用存在時間效應(yīng)，初始含水狀態(tài)影響蠕變變形量和變形速率，但是對最終破壞時間影響不大，浸水砂巖和飽水砂巖破壞的時間和應(yīng)力水平低于干燥試樣。

（3）3種含水狀態(tài)的巖石蠕變試驗中，試樣破壞前都有蠕變應(yīng)變從緩慢增大到急劇增大的一個拐點，拐點處的應(yīng)變和應(yīng)變率可以作為巖石破壞前的預(yù)兆；蠕變應(yīng)變過了拐點后0.5 h之內(nèi)試樣產(chǎn)生破壞，可以作為含水礦柱失穩(wěn)破壞時間的一個預(yù)測指標，進而為判斷含水礦柱的失穩(wěn)破壞時間和制定支護加固措施提供依據(jù)。