干燥-飽和循環(huán)作用下砂質泥巖抗剪性能劣化試驗研究

湯傳金，姚強嶺，王偉男，王烜輝

(1.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

中西部生態(tài)脆弱礦區(qū)是我國煤炭資源開發(fā)的戰(zhàn)略重地，而該地區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)和缺水區(qū)，植被稀少，水土流失嚴重，水資源的匱乏對當?shù)氐木用裆钏健⑸鷳B(tài)環(huán)境保護、工業(yè)生產特別是煤炭生產產生了非常大的制約作用。煤炭開采活動勢必會破壞地下部分巖層的結構完整性，常常會破壞地下含水層，造成水位下降、地表水流失、地表植被破壞，地表水資源流失更加嚴重[1-2]。部分含水層的水沿著巖層導水裂隙滲透到各個層位，引起工作面滲水、巷道淋水、采空區(qū)存水等一系列問題，對安全高效生產提出了新的要求。保水開采和地下水庫技術在水資源保護和利用問題上提供了解決思路。中西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開發(fā)，一是在有工程條件的區(qū)域推廣保水開采，二是在沒有實現(xiàn)保水開采的區(qū)域推廣應用，均應重視煤水共采，在煤炭開采過程中實現(xiàn)對水資源的有效轉移儲存和利用[3-4]。該區(qū)域是國家的重要生態(tài)屏障，水資源的地位甚至高于煤炭，水資源的保護存在重要的戰(zhàn)略意義。但是煤炭開采破壞含水層后，水資源的儲存狀態(tài)發(fā)生改變，傳統(tǒng)保護含水層結構的方式無法進一步解決已經發(fā)生轉移的水資源問題。地下水庫技術則通過將采空區(qū)安全煤柱和巖柱通過人工壩體連接在一起，將采空區(qū)作為儲水空間，將礦井水進行儲存和利用[5]。

地下水庫在存儲與抽取水的過程中涉及到水位的反復升降，對壩體邊界產生反復損傷作用。包括其他富水環(huán)境的井下作業(yè)，都涉及到水的反復入侵，對煤巖體造成弱化。由于煤巖體結構成分存在差異，在遇水后呈現(xiàn)力學性質的變化具有不同的規(guī)律性。水能夠弱化煤巖體的峰值應力、彈性模量、應變軟化模量和峰后模量[6-7]，降低煤巖體抗剪強度、黏聚力和內摩擦角[8]，通過裂隙尖端材料發(fā)生的物理化學反應降低巖石強度并加速亞臨界裂紋的增長[9]，但對裂隙閉合閾值、裂隙初始發(fā)育閾值和裂隙損傷閾值的比例不產生影響[10]。在工程問題中，剪切破壞是最為常見的破壞形式。剪切載荷容易引起不同介質連接面破壞[11]，促進裂隙拓展和滲透性改變[12]，通常剪切破壞失穩(wěn)發(fā)生在短時間內[13]，破壞形式包括剪切破壞、張拉和剪切復合破壞、剪切滑移3種形式[14]。為了評價煤巖體力學性能弱化和裂隙發(fā)展過程，聲發(fā)射技術被引入巖石力學的研究中。國內外學者通過監(jiān)測不同加載方式煤巖試樣破壞過程中產生的聲發(fā)射信號，研究了加載速率與裂隙數(shù)量[15]、裂隙類型[16]、累計損傷[17]的關系，并研究了聲發(fā)射定位裂隙的相關內容[18]。

水對煤巖體的反復侵蝕，對水庫壩體、頂板、巷道圍巖等工程結構的穩(wěn)定性產生不可忽視的影響。筆者基于砂質泥巖的自然吸水性規(guī)律，研究不同整數(shù)次干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)下砂質泥巖試樣的抗剪強度特征，探討砂質泥巖力學失效過程的裂隙發(fā)展規(guī)律，為涉及水作用反復侵蝕的煤巖體穩(wěn)定性評價的相關工程問題提供借鑒。

1 試驗方案

1.1 試樣的選取與制備

本文選用國家能源投資集團神東礦區(qū)烏蘭木倫煤礦3-1號煤層頂板的砂質泥巖作為研究對象。該煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內，為植被稀少、水土流失嚴重區(qū)域。選取的巖石試樣通過保鮮膜包裝密封，存放于木箱中，底部和四周放入泡沫以減少在運輸過程中造成的巖石損壞，至中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)巖石材料加工廠加工成50 mm×50 mm×50 mm的標準立方體試樣[19]70塊。將3塊試樣單獨標記為:No.1，No.2，No.3，用于測試巖樣的吸水性規(guī)律。其余45塊試樣分為5組，其標記結構見表1:試樣浸水次數(shù)-試驗剪切角-試驗的塊數(shù)，比如W0-1-1表示干燥試樣在45°壓模角下進行壓剪試驗的第1塊。余下22塊備用。

表1 標簽含義Table 1 Meaning of the tag

1.2 試驗設備

試驗設備主要包括干燥裝置、無損浸水裝置、應力加載監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，如圖1所示。干燥裝置是上海市試驗儀器廠生產的101-2型電熱恒溫干燥箱;無損浸水裝置是自制的試驗裝置，主要由保濕箱和加濕器2部分構成，通過塑料管連接，避免了直接將試樣浸入水中而發(fā)生崩解破壞;加載系統(tǒng)采用中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的新三思CMT5305微機控制電子萬能試驗機;本試驗使用Physical Acoustic Corporation的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測巖樣破壞過程中的整體材料變化，該系統(tǒng)主要包括:控制計算機、放大器、聲發(fā)射傳感器等，能夠實現(xiàn)巖石材料發(fā)生變化時的信號采集和數(shù)據(jù)轉換;試驗所用聲發(fā)射探頭型號為Nano30，諧振頻率為140 kHz，頻率范圍為125～750 kHz。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system

1.3 試驗原理及方法

將干燥箱的烘干溫度設定為105 ℃，將試件烘干8 h后取出，放入干燥器中冷卻1 min至室溫，再進行稱量，用保鮮膜密封之后保存。使用無損浸水裝置創(chuàng)造一個試樣可以自由吸水的密閉環(huán)境，進行試樣吸水性試驗。根據(jù)試樣的吸水性規(guī)律，確定試樣到達飽和狀態(tài)的時間。將試樣分為5組，每組至少準備9塊。分組編號W0-1-1～W0-3-3，W1-1-1～W1-3-3，W2-1-1～W2-3-3，W3-1-1～W3-3-3，W4-1-1～W4-3-3。W0組為干燥試樣，后4組分別為干燥-飽和循環(huán)1次試樣、干燥-飽和循環(huán)2次試樣、干燥-飽和循環(huán)3次試樣、干燥-飽和循環(huán)4次試樣。

含水率的測定公式為

(1)

式中，wa為巖樣的含水率，%;ma為巖樣吸收水分之后的質量，g;md為巖樣烘干之后的質量，g。

圖2 剪切試驗原理Fig.2 Shear test principle1—鋪墊板;2—滾柱;3—變角剪切夾具上座;4—試件;5—變角剪切夾具;6—變角剪切夾具下座

剪切試驗和聲發(fā)射監(jiān)測同步進行。將聲發(fā)射探頭布置在試樣的2個暴露面上，用膠帶固定。采用位移控制方式進行加載，加載速度為0.8 mm/min。變角剪切夾具將作用在巖樣上的力P分解為與剪切面平行的剪應力和與剪切面垂直的正應力(圖2)。通過設置的α值和破壞載荷P，可以得到正應力σ、剪應力τ、黏聚力c和內摩擦角φ等力學參數(shù)。

根據(jù)式(2)，(3)可計算試樣所受的正應力σ和剪應力τ:

(2)

(3)

式中，σ為正應力，MPa;τ為剪應力，MPa;α為剪切面與水平方向的夾角，(°);P為破壞時的軸向載荷，N;A為剪切面積，mm2;f為摩擦因數(shù),f=1/(nd);n為滾軸根數(shù);d為滾軸直徑，mm。

2 力學弱化結果分析

2.1 試樣吸水性規(guī)律

結合圖3，巖樣的吸水性規(guī)律整體可分為3個階段:(Ⅰ)含水率加速增長階段、(Ⅱ)含水率減速速增長階段、(Ⅲ)含水率飽和階段。根據(jù)本文研究內容的需求，需要獲得巖樣吸水達到飽和狀態(tài)時的浸水時間。由圖3可得，浸水時間為42 h時巖樣達到飽和狀態(tài)。故后續(xù)干燥-飽和循環(huán)試驗時巖樣將在無損浸水設備中自由吸水42 h，此狀態(tài)可認為達到飽和狀態(tài)。

圖3 浸水曲線Fig.3 Immersion curve

如圖4所示，巖樣飽和狀態(tài)的含水率與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)之間呈現(xiàn)規(guī)律性增長關系。通過擬合曲線發(fā)現(xiàn)，含水率隨著浸水次數(shù)的增加呈指數(shù)增長。在干燥狀態(tài)和第1次飽和狀態(tài)之間，含水率變化最大。隨著循環(huán)狀態(tài)的變化，試樣飽和狀態(tài)之間的含水率變化趨勢逐漸減小。故，含水率與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)之間整體呈現(xiàn)減速上升關系。

圖4 含水率與浸水次數(shù)之間關系Fig.4 Relationship between water content and immersion times

飽和含水率隨干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的增加符合指數(shù)關系:

w=0.07-0.07×0.15xR2=0.99

(4)

式中，w為巖樣的含水率，%;x為浸水次數(shù);R2為擬合曲線的相關性系數(shù)。

2.2 抗剪強度和軸向位移與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的關系

由圖5可知，巖樣抗剪強度、軸向位移均浸水次數(shù)呈負相關關系，與剪切角度也呈負相關關系。擬合方程為

(5)

式中，τ45,τ55,τ65為試樣進行45°，55°，65°剪切試驗時隨浸水次數(shù)變化的抗剪強度;x為浸水次數(shù);R2為相關性系數(shù)。

圖5 試樣抗剪強度、軸向位移與浸水次數(shù)關系Fig.5 Relationship between shear strength,axial displacement and number of immersion

浸水次數(shù)從0到4的過程中，45°剪切角加載的試樣抗剪強度從9.46 MPa衰減到2.59 MPa，衰減幅度為72.62%，軸向位移由3.16 mm降低到1.87 mm，降低幅度為40.82%。同理，在55°剪切角條件下對應的數(shù)據(jù)分別為8.25 MPa，2.26 MPa，72.61%，2.41 mm，1.56 mm，35.27%，在65°剪切角條件下對應的數(shù)據(jù)分別為6.87 MPa，1.96 MPa，71.47%，1.89 mm，0.96 mm，49.21%。

在3種剪切角度下，巖樣破壞時的抗剪強度、加載軸向位移隨干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律具有一致性，表現(xiàn)為抗剪強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)降低趨勢，對應的加載軸向位移也減小。該現(xiàn)象產生的原因是水分子進入試樣內部，通過復雜的物理化學作用改變了巖樣內部顆粒連接方式和結構受力方式，降低試樣抵抗破壞的能力，表現(xiàn)為循環(huán)次數(shù)增加導致抗剪強度降低，以相對較低的加載力就可以導致試樣破壞。需要指出，破壞時對應的軸向加載位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，原因在于水對巖樣的軟化作用造成的變形增加效應小于抗剪強度減小造成的低應力破壞效應，總體表現(xiàn)為破壞軸向位移減小。

2.3 黏聚力和內摩擦角與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的關系

Mohr-Coulomb準則被廣泛應用于工程實踐。該理論認為巖石的破壞主要是剪切破壞，這與正應力和剪應力密切相關。經大量試驗總結與數(shù)學分析證明，巖石的抗剪能力由黏聚力和內摩擦角組成，在壓剪狀態(tài)下可以利用Mohr-Coulomb準則簡單、快速判斷巖石或結構在某一應力狀態(tài)下是否發(fā)生剪切破壞。Mohr-Coulomb強度準則為

|τ|=c+σtanφ

(6)

式中，τ為最大剪應力;c為黏聚力;σ為正應力;φ為內摩擦角。

黏聚力和內摩擦角是衡量工程巖體抗剪性能的重要依據(jù)，被廣泛用來評價工程巖體的力學性能。黏聚力指的是巖石材料內部分子之間的相互吸引，與巖石材料的初期破壞有密切關系;內摩擦角指的是巖石材料結構之間的錯動和咬合，與裂隙發(fā)育和拓展有直接關系。不同次數(shù)干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)下試樣的黏聚力和內摩擦角變化如圖6所示。

圖6 試樣黏聚力、內摩擦角與浸水次數(shù)關系Fig.6 Relationship between cohesion,internal friction angle and number of immersion times

由上圖擬合曲線可知，巖樣的黏聚力及內摩擦角與浸水次數(shù)之間分別呈指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)關系，擬合函數(shù)為

c=4.11×0.28x+1.58R2=0.99

(7)

φ=-0.65x3+1.3x2+5.1x+21.36

R2=0.99

(8)

試樣的黏聚力和內摩擦角隨干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的變化，呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。黏聚力表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)下降趨勢，說明水分子運動對巖樣初期破壞所需的加載力具有弱化作用，每增加循環(huán)一次，黏聚力就會有所降低，降低程度逐漸減小。水分子進入試樣后，滲入到巖石材料內部的微孔隙、縫隙中，在材料顆粒間形成水膜，削弱了微觀結構間黏結力，使得破壞時需要克服的黏聚力減小。黏聚力從第1次干燥狀態(tài)下的5.69 MPa降低到干燥-飽和循環(huán)浸水4次狀態(tài)下的1.63 MPa，降幅達到71.35%。對于內摩擦角，循環(huán)次數(shù)的增加使之先增加后減小。從圖6可知，第2次循環(huán)浸水和第3次循環(huán)浸水時內摩擦角最大，為31.80°，第1次干燥和第4次循環(huán)浸水時內摩擦角最小，為21.80°，比最大值減小10°。由此可見，循環(huán)浸水次數(shù)對內摩擦角的影響并非單向變化。前期巖石材料的含水率相對較小，材料的成分分布以及裂隙的形態(tài)、尺寸、方向在浸水作用下發(fā)生改變，造成破裂面受力時易于傳導應力，減小應力集中，難以發(fā)生破裂面滑動摩擦，表現(xiàn)為內摩擦角增大。隨著循環(huán)次數(shù)進一步增加，水對試樣的力學弱化作用顯著，破裂面本身強度變弱，內摩擦角迅速下降。

將式(7)及(8)代入式(6)，得到抗剪強度與含水率關系為

|τ|=4.11×0.28x+1.58+σtan(-0.65x3+

1.3x2+5.1x+21.36)

(9)

水對巖石材料的力學性能具有復雜的作用。在物理層面上，巖石材料本身具有一定的吸水性，在原巖狀態(tài)也是和水共存的。水進入巖石材料內部，逐漸深入各個微孔隙、裂隙，產生孔隙水壓力，在受載時孔隙擴容，強度降低。同時，水分子附著到微結構表面，降低結構間原有的連接能力，改變結構的受力方式，使試樣容易受到破壞。在化學層面，水中含有一定量的氫離子和氫氧根離子，與材料中的酸性物質或堿性物質發(fā)生緩慢的化學反應，造成部分物質溶于水，削弱原有的材料結構。在干燥-飽和循環(huán)浸水的作用下，水中溶解物質被重新分配，在材料內部形成新的架構或隨著水分蒸發(fā)，使得每進行一次循環(huán)浸水，巖石材料內部微觀結構就會發(fā)生一次微小的改變。這也可以進一步佐證內摩擦角的變化規(guī)律。

2.4 不同浸水狀態(tài)下試樣的破壞載荷-軸向位移和累計聲發(fā)射特征

不同干燥-飽和循環(huán)次數(shù)狀態(tài)下的試樣在55°剪切角度加載下的軸向載荷-軸向位移曲線如圖7所示。

圖7 不同浸水循環(huán)次數(shù)下軸向載荷-軸向位移關系Fig.7 Relationship between axial load and axial displacement under different water immersion cycles

根據(jù)軸向載荷-軸向位移曲線的變化，可以將試樣的整個受載破壞過程分為5個階段:裂隙壓密階段、彈性階段、裂隙穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、裂隙非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段和峰后階段。曲線中的裂隙壓密階段和彈性階段區(qū)間都相對較小，這與調試加載設備時預加的力和加載速度有關。在這2個階段內，巖石試樣完成了初始裂隙的閉合以及彈性能的儲存。在裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段，原有裂隙開始擴展，新的裂隙開始產生，軸向載荷-軸向位移曲線斜率增加，快速上升。經過裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段的裂隙發(fā)育，加載力繼續(xù)增加，裂隙拓展程度增加，相互連通、影響，使得試樣的應力結構不斷改變，最終剪切面破壞，應力達到最大值。破壞后軸向載荷-軸向位移曲線發(fā)生突降，幾乎無殘余強度。

對比干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下的軸向載荷-軸向位移關系曲線，循環(huán)次數(shù)的增加使得試樣的抗剪強度逐漸下降。第1次干燥狀態(tài)到第1次飽和狀態(tài)破壞載荷降低34.85%，到第4次干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)時降幅達72.60%。干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)對巖石材料的弱化損傷效果非常明顯，循環(huán)次數(shù)增加會減少彈性區(qū)間、增加塑性區(qū)間，增強弱化損傷效果。

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣在55°剪切角加載時的聲發(fā)射計數(shù)如圖8所示。

圖8 累計聲發(fā)射計數(shù)特征Fig.8 Cumulative acoustic emission count

聲發(fā)射計數(shù)指超過門檻信號的振蕩次數(shù)。通過對聲發(fā)射參數(shù)對時間的響應過程與巖石試樣的加載力學特性曲線相對比，可以更加準確區(qū)分試樣破壞過程中的內部材料損傷、能量釋放、裂隙發(fā)育類型等，為研究巖石試樣的力學損傷及裂隙損傷對干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的響應關系奠定基礎。

由圖8可知，聲發(fā)射累計計數(shù)滿足隨著循環(huán)浸水次數(shù)增加而減少的規(guī)律。水對巖樣的弱化作用主要在于對力學性質和結構強度，通過復雜的物理和化學作用削弱顆粒間的連接能力和結構強度。加載初期的聲發(fā)射信號都相對較少，塑性階段時聲發(fā)射累計計數(shù)曲線斜率明顯增加，但仍具有一定的波動性。圖中最明顯的地方在于每條累計計數(shù)曲線的直線上升部分，對應試樣的貫通破壞和聲發(fā)射計數(shù)的幾個最大值，其中干燥狀態(tài)的曲線圖中只展示部分。不同干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)巖樣的聲發(fā)射累計計數(shù)和應力曲線具有較好的關聯(lián)性，能間接反應試在剪切破壞過程中各個階段的裂隙發(fā)展狀況。

3 裂隙發(fā)育結果分析

3.1 裂隙發(fā)育的聲發(fā)射計數(shù)特征

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣在55°剪切角加載時的聲發(fā)射計數(shù)如圖9所示。

圖9 巖樣在浸水循環(huán)次數(shù)條件下聲發(fā)射計數(shù)特征Fig.9 Acoustic emission count characteristics of rock samples under different conditions of immersion cycles

由圖9可知，聲發(fā)射計數(shù)對巖樣受載破壞過程最明顯的響應是在巖樣剪應力達到最大值時，試樣失穩(wěn)破壞，巖石材料內部變化最為劇烈，聲發(fā)射計數(shù)達到整個過程中的最大值，且遠遠大于其他階段的計數(shù)值。巖樣的均勻性會產生影響，特別是原生裂隙、內部構造等不確定影響因素在加載后期裂隙的拓展、微結構面之間的摩擦和試樣的貫穿破壞產生不可忽視的作用。需要指出，為了更清晰地顯示整個過程的聲發(fā)射計數(shù)值變化規(guī)律，設置的y軸上限小于部分聲發(fā)射計數(shù)值(試樣破壞位置)，這些數(shù)值在圖8中有所體現(xiàn)。

干燥狀態(tài)下，裂隙閉合階段的應力增長緩慢，試樣的原生裂隙、孔隙閉合，裂隙不平整的表面相互摩擦，產生少量的聲發(fā)射信號。進入彈性階段，剪應力曲線近似呈線性關系，剪切模量近似為常數(shù)，聲發(fā)射信號明顯多于壓密階段。試樣進入裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段，應力曲線快速上升，但聲發(fā)射計數(shù)出現(xiàn)了下降趨勢。在裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段，應力曲線的浮動性增加，出現(xiàn)多個小高峰，同時聲發(fā)射計數(shù)也出現(xiàn)多個明顯高于一般計數(shù)的數(shù)值。表明試樣內部材料結構破壞過程劇烈，裂隙充分交叉連接。直到剪切面完全貫通，試樣失穩(wěn)，聲發(fā)射計數(shù)達到最大。試樣在殘余應力作用下繼續(xù)發(fā)生局部破壞，聲發(fā)射計數(shù)降低。

試樣第1次飽和與第1次干燥狀態(tài)最具有對比性。應力曲線較之平緩，聲發(fā)射計數(shù)數(shù)值上和頻率上都較小，持續(xù)時間減少。這表明水進入巖樣后，對聲發(fā)射信號的產生具有抑制作用。其根本原因是水弱化了試樣內部材料結構的應力狀態(tài)，從而材料損傷活動減弱，聲發(fā)射計數(shù)減少。

在第2～4次干燥-飽和循環(huán)浸水試驗中，首先應力曲線隨著循環(huán)浸水次數(shù)的增加逐漸平緩，最大值降低，試樣強度被削弱。在聲發(fā)射計數(shù)信號上，出現(xiàn)了更加明顯的水弱化現(xiàn)象。在裂隙閉合階段和彈性階段，幾乎不產生聲發(fā)射信號，裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段的信號也非常少，只在裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段產生明顯的聲發(fā)射信號，符合破壞時刻出現(xiàn)最大聲發(fā)射計數(shù)值的規(guī)律。其中，第2次循環(huán)浸水試樣的峰后階段出現(xiàn)較多聲發(fā)射信號，聲發(fā)射計數(shù)值在20以下居多，原因是該試樣裂隙交叉發(fā)展程度大，剪切面破裂時表面起伏程度較大，相對其他試樣能夠承擔較大的峰后應力。

3.2 裂隙發(fā)展類型的RA-AF特征

脆性巖石破壞主要分為拉破壞和剪破壞。張拉裂隙產生的聲發(fā)射波上升時間短、頻率高，以高AF值(平均頻率，kHz)、低RA值(上升時間/幅值，μs/dB)為代表;剪切裂隙產生的聲發(fā)射波上升時間長、頻率低，以低AF值、高RA值為代表[16]。

不同干燥-飽和循環(huán)浸水狀態(tài)下巖樣在55°剪切角加載時的RA-AF關系如圖10所示。

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣的RA-AF值分布具有規(guī)律性:數(shù)據(jù)多沿著AF數(shù)軸分布，大部分小于2 μs/dB和400 kHz。數(shù)據(jù)大量集中在低RA、高AF區(qū)間內，表明試樣整個過程的裂隙以張拉裂隙為基礎。在高RA、低AF區(qū)間內，數(shù)據(jù)稀少且分散性大，主要對應破壞時刻的剪切裂隙。個別AF值大于500 kHz或RA值大于40 μs/dB的數(shù)據(jù)未在圖中體現(xiàn)。

圖10 RA-AF關系Fig.10 Relationship of RA and AF

不同干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)狀態(tài)下巖樣以張拉裂隙為基礎裂隙。在Griffith強度理論中，張拉裂隙尖端附近更容易應力集中，促進裂隙的擴展破壞。由于巖石試樣內部構造和物質組成不完全相同，造成了在循環(huán)浸水條件下，應力重新分布后拉應力成為造成損傷的原因。

隨著干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的增加，張拉裂隙和剪切裂隙的數(shù)量都在減小，循環(huán)浸水對試樣的影響是強度削弱和裂隙減少的綜合效果。試樣本身也存在各異性，裂隙分布、物質組成等細微觀差異對試驗結果產生一定的影響。循環(huán)飽和浸水通過物理和化學作用[20]，改變試樣顆粒間的膠結狀態(tài)和應力分布，增加塑性相對區(qū)間，對裂隙發(fā)展和試樣破壞起到緩沖作用。綜合表現(xiàn)為，多次循環(huán)浸水后，加載時間變短，破壞劇烈程度減小。

4 結 論

(1)巖樣的自然吸水階段分為:含水率加速增長階段、含水率減速增長階段及含水率飽和階段，飽和狀態(tài)的浸水時間確定為42 h。隨著循環(huán)浸水次數(shù)增加，試樣含水率減速增加。

(2)干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的增加使得試樣的抗剪強度呈負指數(shù)函數(shù)降低，軸向位移整體處于減小狀態(tài)。黏聚力隨循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)降低關系，而內摩擦角呈現(xiàn)冪函數(shù)先增后減的趨勢，并據(jù)此建立了考慮干燥-飽和循環(huán)浸水次數(shù)的砂質泥巖Mohr-Coulomb模型。

(3)聲發(fā)射計數(shù)曲線與應力曲線對應性強，結合累計計數(shù)曲線能夠輔助劃分試樣破壞過程的各個階段。試樣加載過程中產生的基礎裂隙是張拉裂隙，破壞時刻對應的剪切裂隙是試樣失穩(wěn)的直接原因。循環(huán)浸水對巖石材料的裂隙發(fā)展具有抑制作用。