滲透-應力耦合作用下灰巖壓縮破壞及聲發射特性分析

2019-10-21 08:10:54宋戰平楊騰添霍潤科王軍保劉新榮周冠南

煤炭學報 2019年9期

宋戰平,程昀,楊騰添,霍潤科,王軍保,劉新榮,周冠南

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室,陜西西安 710055; 3.中國鐵建大橋工程局集團有限公司,天津 300300; 4.重慶大學土木工程學院,重慶 400044)

隨著地下空間工程不斷發展，如隧道挖掘、礦山工程、煤礦開采等，經常伴隨著由于地下水壓力引發的圍巖失穩破壞問題出現[1-3]，使得滲透水壓力作用下的巖石力學特性及破壞機制研究一直是巖土工程領域的熱點問題之一[4]。因此，研究滲透-應力耦合作用下的巖石力學特性對富水圍巖體的工程建設具有重要意義。

國內外很多專家學者通過巖石力學試驗對滲透-應力耦合作用下巖石力學與聲發射特性做了大量研究。趙瑜等[5]探究了巖石裂隙在滲流-應力耦合作用下的擴展特性，反映了裂隙擴展過程滲流的演化規律;XIAO等[6]研究并建立了裂隙巖體的應力-滲流耦合作用下等效多孔隙介質模型;SKEMPTON等[7]研究了水對砂巖應力釋放過程的影響，并指出滲透水對巖體劣化的最集中體現是對巖體損傷力學特性的影響;NOORISHAD等[8]研究了巖體滲流場與應力場的非線性關系，并建立了裂隙介質的非線性形變本構模型;邢福東等[9]揭示了滲透水壓力與側向圍壓對巖石力學特性的影響;彭蘇萍等[10]分析了圍壓對中、細砂巖滲透率和孔滲性的影響規律;此外，穆康等[11]利用耗散能變化解釋了水-力耦合作用下砂巖三軸壓縮的聲發射和能量演化規律;YUAN等[12]研究了直接拉伸試驗的聲發射活性及其拉伸損傷本構模型。可見，隨著巖石滲流-應力耦合測試系統與試驗方法的不斷完善，滲透環境下巖石力學特性得到了不斷發展，并取得了豐富成果。上述研究成果為揭示滲透水壓力對巖石力學及聲發射特性的影響規律奠定了基礎。

而對于地下采礦工程遇到的巖柱或隧道近開挖面巖體，所處的應力環境接近于低側限甚至無側限壓力的單軸壓縮受力狀態，加之滲透水壓力作用使得巖體受力環境異常復雜，力學特性、破壞機制與三軸應力狀態有所不同。為此，針對不同滲透水壓力下灰巖的宏觀力學和聲發射特性，利用滲透-應力耦合裝置進行了灰巖的壓縮破壞試驗，分析了應力-應變曲線、峰值強度、特征應力、破裂和聲發射特性以及劣化機制等。研究結果可為地下高滲透水巖體的穩定性及減防災分析和評價提供理論基礎。

1 試驗概況與方法

1.1 灰巖試件

試驗巖樣選自貴陽市麥西隧道洞身段進口區灰巖，顆粒較細，多為次生孔隙，屬于低孔隙巖石。根據《水電水利工程巖石規范DLT53682007》通過鉆取灰巖試件，并切割、打磨等制成高徑比為2∶1，試件尺寸為φ50 mm×100 mm的標準巖樣，其端面不平行度小于0.02 mm，如圖1所示。

圖1 灰巖試件Fig.1 Limestone specimens

基于為X衍射測試剔除有明顯缺陷的試件以降低試驗離散性，編號為1～12號，見表1。灰巖試件的平均干密度和縱波波速分別為2.68 g/mm3，6.52 km/s，主要成分石英(SiO2)和方解石(CaCO3)平均含量分別為2.60%，97.40%。由于石英難溶于水且含量少，可認為灰巖主要由方解石構成。此外，由于試驗需要對灰巖注入滲透壓力水，在灰巖端面中心處設置注水孔，孔深為10 mm，孔徑為1.5 mm。

1.2 試驗裝置與方法

試驗在隧道與地下工程實驗室滲透-應力耦合試驗裝置上進行，如圖2所示。試驗系統主要由電液伺服壓力裝置、高滲透水壓力裝置和聲發射裝置構成。其最大試驗力為600 kN;最大滲透水壓力為35 MPa，最大和最小滲流量分別為30.00和1.75 mL/min，滲透水壓力精度為0.000 172 MPa;聲發射的最高采集頻率為10 MHz，采集精度為16 bit。

表1 試驗方案
Table 1 Test specimens and schemes for limestone

巖石編號滲透水壓力/MPa干密度/(g·mm-3)干燥縱波波速/(km·s-1)礦物含量/%方解石石英破壞形式1號2.706.5999.50.5劈裂破壞2號02.696.4099.50.5劈裂破壞3號2.676.3999.50.5劈裂破壞4號2.666.5899.50.5鼓狀破壞5號22.656.8899.50.5劈裂破壞6號2.687.0299.50.5劈裂破壞7號2.666.5093.07.0剪切破壞8號42.696.7893.07.0劈裂破壞9號2.665.9893.07.0劈裂破壞10號2.686.5993.07.0劈裂破壞11號62.696.9293.07.0劈裂破壞12號2.696.5097.52.5劈裂破壞

圖2 滲透-應力耦合試驗裝置Fig.2 Diagram of hydro-mechanical coupling apparatus1—真空壓力泵;2—壓力表;3—滲透壓控制器;4—壓力導管連接裝置;5—下部進水構件;6—上部進水構件;7—灰巖試樣

試驗考慮了4種滲透水壓力，即0，2，4，6 MPa，試驗方案見表1。試驗步驟為:① 試驗準備:所有試件在105 ℃下烘干24 h并抽氣24 h，以保證具有相同初始含水率;為了試件內部形成均勻滲流場并防止滲透水滲出，在其表面按間隔5～8 min連續噴涂4～6次止水劑(甲基硅氧烷)，風干24 h后可形成3～6 mm的止水邊界。同時，通過對噴涂(12次)和未噴涂止水劑的試件進行了壓縮試驗，測得應力-應變曲線和體應力應變曲線重合度均較好，排除了止水劑的影響;② 灰巖試件與滲透系統組裝，并確保無滲透水滲出;通過微機控制滲透水壓力以4 MPa/min逐漸增至試驗設定值后靜置48 h，以形成穩定滲流場;③ 將聲發射探頭、徑向伸長計耦合(黃油為耦合劑)于試件上，以測得試件的聲發射信號、軸向和徑向位移。為降低噪音干擾，聲發射采集門檻值設為40 dB，采樣間隔和頻率為400 μs和1 000 kHz;聲發射探頭間距如圖1所示;④ 軸向應力加載:為獲得典型的軸向和體應力-應變曲線，應力加載速率為0.25 MPa/s，直至試件破壞。

2 試驗結果與分析

2.1 破裂應力-應變特性分析

根據試驗方案對滲透水壓力下的試件進行單軸壓縮試驗，灰巖的典型軸向和體積應力-應變曲線，如圖3所示。

圖3 不同滲透水壓下的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of limestone under different osmotic pressure

由圖3(a)看出，不同滲透水壓力下灰巖應力-應變曲線形狀相似，曲線逐漸“爬升”達到峰值后跌落。由于試件承受的滲透水壓力逐漸增大，內部孔隙數量及尺寸逐漸增大，軟化作用導致壓密階段延長而彈性階段相應縮短;峰值后應力-應變曲線的跌落具有一定差異性，主要表現為0 MPa和2 MPa的峰后曲線迅速跌落，4 MPa和6 MPa的應力-應變曲線出現突變特征，其峰后應力-應變曲線呈明顯的震蕩起伏走勢，隨后跌落。這主要是由于隨滲透水壓力增加，灰巖內部遭受更強的溶蝕作用，引起新孔隙的萌生與擴展;孔隙水壓力的增加加劇了礦物顆粒的剝離與運移速度，導致內部孔隙度逐漸增加，不穩定孔隙、裂紋的擴展規模增大[11]。

此外，引入強度劣化系數來研究滲透水壓力對灰巖強度的影響，用σc(0)，σc(i)分別表示滲透水壓力為0和σi時的峰值應力，則灰巖強度劣化系數ηi為

(1)

依據圖3(a)及式(1)，不同滲透水壓力下峰值應力、峰值應變、彈性模量、變形模量及強度劣化系數等特性值見表2。由表2可以看出，滲透水壓力增加加速了灰巖孔隙的形成，表現為強度逐漸被弱化。經計算其峰值應力降幅依次為13.38%，16.27%，16.57%，彈性模量降幅為8.63%，7.45%，9.09%。也可看出，滲透水壓力對灰巖孔隙萌生與擴容階段影響較壓縮密實階段顯著;另外，滲透水壓力越大，強度劣化系數增加越明顯，表明水巖損傷劣化程度越顯著。擬合峰值應力與滲透水壓力關系為

σc=103.37e-0.084 0σ(R2=0.997 2)

(2)

表2 灰巖強度特征值
Table 2 Strength characteristic values of limestone

滲透水壓力σ/MPa峰值應力σc/MPa峰值應變ε彈性模量E/GPa變形模量Ev/GPa強度劣化系數ηi/%0102.250.008 514.8312.03—288.560.009 713.559.1313.39474.150.010 612.547.0027.48661.860.012 211.405.0739.50

由圖3(b)可知，隨著徑向應變發生，體應力-應變曲線逐漸向右“爬升”，達到一定強度后向左偏轉延伸，達到最大峰值應力后緩慢跌落。HAJIABDOLMAJID等[13]和李煉等[14]分析認為，體應力-應變曲線“向左偏轉”是巖石孔隙穩定擴展的標志，此時徑向應變的速率比軸向快，巖石表面開始出現與最大壓應力相同方向的新生孔隙。為分析不同滲透水壓力下灰巖的變形特性，計算了灰巖變形模量，見表2，擬合關系如圖4所示,可以看出，隨著滲透水壓力增加，變形模量的減小速率明顯大于彈性模量。

圖4 彈性模量和變形模量與滲透水壓力關系Fig.4 Relations of elastic modulus and deformation modulus with osmotic pressure

2.2 特征應力分析

當荷載達到某一特征應力值時，巖石內部會發生不同程度的損傷變化。在巖石壓密到損傷發展開始階段，巖石孔隙的閉合應力和損傷開始的起裂應力是描述高滲巖石壓縮變形的關鍵。閉合應力是巖石彈性階段的初始應力，可描述孔隙壓縮密實末期的應力狀態;損傷應力是彈性階段的末期應力，可描述巖石出現微裂隙的初始應力狀態，因此損傷應力也是巖石微裂隙發展的起始點。為量化灰巖壓縮過程中的變形特性，參見MANGOLD等[15]、黃達等[16]等思路，結合圖3得到了灰巖特征應力值，見表3。

表3 灰巖特征應力值
Table 3 Characteristic stresses of limestone specimens

滲透水壓力/MPa閉合應力σa/MPa損傷應力σf/MPa峰值應力σc/MPaσa/σcσf/σcσa/σf019.9693.32102.250.195 20.912 60.213 9217.1472.5288.560.193 50.818 80.236 3413.7772.3874.150.185 80.976 20.190 2612.2657.4761.860.198 20.929 00.213 3

表3反映出灰巖閉合應力和損傷應力均隨滲透水壓力增加而減小，閉合應力為12.26～19.96 MPa，損傷應力為57.47～93.32 MPa。閉合應力與峰值應力比值(σa/σc)、損傷應力與峰值應力比值(σf/σc)以及閉合應力與損傷應力比值(σa/σf)分別為0.185 8～0.198 2，0.818 8～0.976 2和0.190 2～0.236 3，各滲透水壓力下的特征應力比值非常接近，這與前人研究結果一致。分析認為，由于滲透水壓力增加了孔隙數量降低了灰巖強度，導致孔隙壓縮密實所需的閉合應力逐漸減小，發生損傷的敏感程度增強。特征應力與峰值應力、滲透水壓力關系如圖5，6所示。

圖5 特征應力與峰值應力關系Fig.5 Relations of characteristic stresses and peak stresses

圖6 特征應力與滲透水壓力關系Fig.6 Relations of characteristic stresses and osmotic pressures

2.3 灰巖聲發射特性分析

聲發射(AE)振鈴計數是指測試探頭捕捉的超過預設門檻值的信號次數，可表征發生AE頻率。基于聲發射監測，不同滲透水壓力下灰巖試件應力-應變與AE振鈴計數關系，如圖7所示。可以看出，不同滲透水壓力下，灰巖試件的振鈴計數隨著應變增加表現了明顯階段性變化，與應力-應變曲線較好吻合，大致經歷了“平靜—發展—突增—跌落”4個發展過程。

(1)壓密階段:內部原生孔隙以及由于滲透水的溶蝕產生的少部分孔隙被壓縮，引起礦物粒子及孔隙間的相互作用，灰巖內部因應變積累的部分應變能開始釋放，出現小振幅的AE活動，稱為AE平靜期[17];由圖7可知，隨著滲透水壓力增加，密實階段出現的小振幅AE頻率在逐漸增大，這是由于溶蝕作用引起灰巖孔隙率增大，延長了壓縮密實階段，提高了灰巖變形敏感性，進而導致相同應變下發生相對較高頻率的AE活動。相比0，2，4和6 MPa下超過1 000次的AE信號分別增加了18次、89次和374次。此外，相比干燥巖石的AE試驗[18]，本試驗的壓密階段也偶爾出現小峰值AE活動，主要原因是更多溶蝕孔隙的閉合和軟化結構的破裂引起。

(2)彈性階段:應力-應變曲線近似線性增長。有研究表明[18]，干燥巖石彈性階段意味著無塑性變形，也無新裂隙擴展，巖石在繼續被壓密過程中AE活動十分微弱。然而，由于滲透水壓力增加導致灰巖出現明顯AE活動(特別是4 MPa和6 MPa時)，稱為AE發展期。這說明水巖作用弱化了巖石結構穩定性，引起了局部裂隙萌生，導致了應變能的提前釋放。比較發現，滲透水壓力越大，由于滲透水的溶蝕及滲透壓的致裂作用，促進了AE活動發生，這與穆康等[11]研究結果具有一致性。

(3)裂隙萌生與擴展階段:相對裂隙水壓力，軸向應力加載的影響程度明顯增強。此時，灰巖變形比較活躍，結構內部新生裂隙不斷擴展匯合，宏觀裂隙或微破裂面逐漸形成，聲發射進入活躍期，振鈴計數出現突增現象[19]。由于灰巖應力水平由屈服應力向峰值應力過渡，試件表面部分片狀巖塊被高速拋出，遺留在試驗機上的灰巖逐漸暴露出多條微裂隙。分析原因是由于灰巖孔隙經歷了形核、成核、匯集等過程[18]，最后形成穩定的萌生裂隙。

圖7 灰巖應力-應變曲線與聲發射關系Fig.7 Relations of strain-stress and AE counts for limestone

(4)裂隙非穩定貫通階段:應力-應變曲線逐漸達到峰值，灰巖表面出現的平行于加載方向的貫穿裂隙快速擴展，AE活動急劇活躍。這主要是由于水巖劣化引起了灰巖強度逐漸降低，進而弱化了應變能的存儲能力。所以，隨著軸向應力加載，經裂隙壓密、彈性變形及穩定萌生與擴展階段儲存的應變能開始迅速釋放，振鈴計數高峰時段凸顯。分析發現，相比0 MPa時，6 MPa的進入活躍期的臨界應力由80.67 MPa降低至52.07 MPa;在裂隙貫通階段，振鈴計數超過1 000次的AE信號由38次提高到103次，增加了171.05%，破壞前振鈴計數由124次提高到1 219次，增加了875%。此過程，裂隙萌生與擴展階段形成的穩定裂隙開始擴展交接形成滑動面，最終導致灰巖完全破壞。

隨著灰巖強度喪失，其應力-應變曲線開始跌落，聲發射現象回歸平靜期。分析灰巖破壞能耗路徑認為，在達到峰值應力前，灰巖所積累的應變能主要消耗于內部裂隙的壓縮密實、形成、擴展與貫通，大部分耗散能以塑性勢能和裂隙表面能釋放，少量部分能量以動能等形式釋放。可見，通過聲發射特性能夠很好揭示巖石內部裂隙萌生、擴展至破壞的漸進演化過程。

2.4 灰巖破裂特征分析

進行的單軸壓縮破壞試驗的破裂情況，見表4，表明除了4號和7號灰巖分別發生鼓狀和剪切破壞外，其他均為劈裂破壞，占總試件的83.33%，這表明滲透水壓力對灰巖試件的破裂形式并未造成較大影響。由于4號端部平滑度和潤滑處理不足，加載過程中墊塊端面產生的環箍效應約束了巖端位置裂紋發展，導致臌狀破壞[20];7號灰巖破壞面新鮮度略低且含微量雜質，表明該試件中隱形裂縫在承受軸向應力后沿初始裂縫擴展，最后形成貫通裂縫發生了平面剪切破壞。

表4 灰巖破裂數據
Table 4 Failure data of limestone specimen

不同滲透水壓力下灰巖典型的劈裂破壞形式，如圖8所示。由圖8可以看出，盡管灰巖試件均為劈裂破壞，但不同滲透水壓力作用的灰巖宏觀破裂程度具有顯著性差異，主要表現在破裂主裂縫數、碎塊數量及尺寸、主碎塊數量及質量等。此外，灰巖劈裂破壞過程中，裂縫走向與軸向應力方向呈7°～10°夾角，并且裂縫斷面處有大量粉末，在靠近試件端部外表面出現多處彈射缺失區域，彈射體呈片狀或薄塊狀。

若對大于1 g的灰巖碎塊統計并以2.5 g作為主碎塊的判定標準(約為試件質量的5%)，不同滲透水壓力下試件的破裂數據分布情況，見表4。由圖8和表4看出，灰巖主裂縫數為3～8條，碎塊數為26～44塊，主碎塊數為19～28塊，主碎塊平均質量為13.45～17.79 g。滲透水壓力為0 MPa的灰巖碎塊數量較少，而尺寸差異性較大。相比0 MPa時，6 MPa的碎塊數由26塊增加到44塊，增加了69.23%;主碎塊數由19塊增加到28塊，增加了32.14%;主要碎塊平均質量由17.69 g降低到13.45 g，減少了24%。可見，滲透水壓力對灰巖的破裂特征具有顯著影響。

(3)

不同滲透水壓力下灰巖碎塊質量累積比例分布，如圖9所示。由圖9可以看出，隨著灰巖碎塊質量增加，不同滲透水壓力下的碎塊質量累計比例呈規律性增長，且增長幅度與滲透水壓力為線性正相關。0 MPa到6 MPa的灰巖碎塊累計質量分布范圍分別為[0～120 g，0～60 g，0～50 g，0～40 g]，碎塊質量方差分別為[126.94，85.39，61.99，65.82]，這說明碎塊質量逐漸趨于均勻，滲透水壓力對灰巖單軸壓縮過程中的孔隙發育具有促進作用。

若用線性斜率表征灰巖碎塊質量均勻度(λ)，擬合碎塊質量均勻度與滲透壓水壓力為指數函數關系，如圖10所示。這表明，隨著滲透水壓力增加，灰巖內部結構發生顯著劣化，破裂形成的碎塊均勻度逐漸增加。同時，擬合的碎塊質量均勻度與峰值應力關系為

(4)

圖9 灰巖破裂碎塊質量累積比例Fig.9 Cumulative percentages of fractured fragments of limestone

圖10 灰巖碎塊均勻度與滲透水壓力關系Fig.10 Relation of fragment uniformity and osmotic pressure

基于上述灰巖破裂結果的差異性可知，灰巖從壓縮變形到損傷逐漸形成再到貫穿破裂，可視為漸進演化的過程[21]。該過程伴隨著裂隙的萌生演化、裂隙的穩定發展直到大尺度裂隙凸顯、大尺度裂隙交匯貫穿形成宏觀裂紋，最后發生巖石破裂。因此，聲發射監測結果為灰巖損傷演化規律提供了宏觀表現形式[11,17-18]。

2.5 灰巖孔隙體積變化規律分析

滲透-應力耦合作用下灰巖的劣化作用主要表現為:① 滲透水進入孔隙后，水分子在灰巖礦物顆粒表面形成致密水膜，降低顆粒摩擦力、咬合力及結構穩定性，加快礦物粒子或膠結物質從原礦物結構的剝離速度;② 滲透水壓力促進了原生或新生孔隙的張開程度，提升自由水的滲流速度和溶蝕深度，進一步擴大水巖作用區域。當滲透水流經連通性良好的孔隙時，會對孔隙壁的水巖結合面形成沖刷力，加快礦物粒子的運移速度。

選取壓縮破壞灰巖的主破裂面處的巖塊進行了壓汞試驗，圖11為不同滲透水壓力下灰巖單位質量孔隙體積累積曲線。由圖11可以看出，隨著進汞壓力增加，不同滲透水壓力下的灰巖單位質量孔隙體積累曲線均經歷了“先快速增長，后逐漸穩定”的發展趨勢。根據試驗數據擬合的不同滲透水壓力下孔隙體積累計值(V)與進汞壓力(P)為一階指數關系，增長系數分別為0.319 9，0.355 6，0.444 0，0.455 4，其與滲透水壓力呈二次函數關系。圖12為不同滲透水壓力下灰巖的單位質量孔隙體積隨滲透水壓力的變化關系，兩者呈指數函數關系。

圖11 灰巖單位質量孔隙體積累積曲線Fig.11 Cumulative curves of pore volume per unit-mass of limestone

圖12 灰巖單位質量孔隙體積與滲透水壓力關系Fig.12 Relation of cumulative value of pore volume per unit-mass and osmotic pressure

2.6 滲透水壓力引裂作用分析

滲透水壓力除引起灰巖性能劣化外，還加劇了微裂隙尖端的應力集中現象[22]，加快了微裂隙的擴展發育，對灰巖的破壞具有引裂作用。試驗發現，滲透水壓力作用下的灰巖破壞的主破裂面走向基本平行于軸向應力方向，即以劈裂破壞為主。若忽略灰巖本身不均勻性因素的影響，裂隙起裂形式接近于張開型裂紋的純I型破裂。由文獻[22]及斷裂力學可知，隨著滲透水壓力增加，灰巖的應力強度因子隨之增加，裂隙會在更低的軸向應力下發生破裂。由此根據灰巖軸向應力-應變曲線得到不同滲透水壓力下灰巖進入微裂隙擴展階段的起裂應力，如圖13所示。可以看出，灰巖的起裂應力隨滲透水壓力增加呈線性衰減，這與周群力等[23]結論具有一致性。