不同含水狀態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

（東北大學資源與土木工程學院，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，發生失穩破壞［1-3］。特別是隨著開采時間的推移，礦柱的蠕變效應增強，巖石強度降低，其支撐能力下降，可能會導致頂板冒落或者垮塌。因此，研究不同含水狀態下砂巖的蠕變變形特性及蠕變損傷變化規律，有助于確保含水礦柱的長期穩定性，確保礦山安全生產。

國內外學者針對不同含水狀態下巖石的蠕變變形規律進行了研究［4-5］。應力狀態發生變化，會引起巖石體積變化，進而導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性質，發現各特征應力與破壞應力之比、啟裂應力與閉合應力之差隨含水增多而減小，含水會降低裂紋產生的應力門檻。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現，干燥試樣破壞時強度占單軸抗壓強度的57.6%，水環境下試樣占86.5%，干燥時破壞強度占抗壓強度的比例低。現有文獻對巖石在含水狀態下的蠕變規律研究較為深入，認為水對蠕變的影響使得蠕變應變和應變速率增加，蠕變強度降低。水的弱化機理可以總結為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、減小摩擦和化學腐蝕作用［12］，現階段學術界對其機理的解釋尚未有統一的認識，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生的宏觀效應，表征巖石損傷狀態是預測巖石破壞的前提［13］。超聲波速法是利用不同損傷狀態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，發現蠕變損傷砂巖超聲波計算值和彈性模量法計算結果一致。雖然已經有部分學者開展了巖石蠕變損傷相關研究，但是基于超聲波檢測的不同含水狀態下巖石蠕變過程的研究仍有待深入。因此，通過超聲波監測巖石蠕變過程中內部結構的變化對于探明含水狀態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，研究不同含水狀態和應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下的長期穩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測試超聲波變化特征。如圖1（b）所示，超聲波測試系統由承壓發射換能器、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，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，按照國際巖石力學學會（ISRM）試驗規程，測試標準試件（?50 mm×100 mm）的物理力學參數取值見表1。為了減小巖石材料力學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《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，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，且抽氣時不再產生氣泡，然后將試樣在正常大氣壓下浸泡8 h以上。經過飽水過程，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力—應變曲線相似，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。隨著含水狀態改變，試樣的單軸抗壓強度和彈性模量降低，表明含水狀態影響試樣的單軸抗壓強度和彈性模量。GRIGGS［18］研究發現巖石達到強度的12.5%～80%即可發生蠕變現象。根據文獻［19］，將分級加載設置為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 試驗結果分析與討論

2.1 不同含水狀態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、浸水和飽水狀態下蠕變變形規律相似。每一級加載后，試樣產生瞬時變形，然后進入減速蠕變變形，持續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。雖然不同含水狀態下的試樣蠕變變形規律相似，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，持續加載時間為35.8 h，飽水砂巖在70%強度時發生破壞，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，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，水在砂巖中擴散導致砂巖內部顆粒間的膠結作用降低，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力水平低于干燥砂巖，再次體現了水對砂巖的弱化作用。

圖 3（b）、圖 3（d）、圖3（f）對應于圖 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變從緩慢增大到急劇增大的一個拐點，此時的應變和應變率可以作為巖石破壞前的一個預兆。當蠕變應變過了拐點后0.5 h之內試樣破壞。干燥試樣蠕變應變達到4.28×10-3時應變率開始快速增加，此時蠕變速率由穩定蠕變速率的4.36×10-7s-1變為4.12×10-6s-1后快速增加直到破壞；浸水試樣蠕變應變達到5.11×10-3時應變率開始快速增加，此時蠕變速率由穩定蠕變速率的9.25×10-6s-1變為3.7×10-5s-1后快速增加直到破壞；飽水砂巖蠕變應變達到1.43×10-3時應變率快速增加，蠕變速率由穩定蠕變速率的1.42×10-6s-1增加到1.43×10-5s-1后快速增加直到破壞。

試樣加載后會產生一個瞬時變形，如圖4（a）所示，瞬時變形為加載到設定應力水平時試樣的變形減去此次應力水平加載前的變形。隨著應力水平和含水量增加，瞬時變形增加，這是由于試樣應力—應變曲線在處于50%應力水平之后是上凸，應變增加快于應力增加，同時水對試樣的軟化導致試樣變形量增大。從每一級的應力加載到穩定蠕變所需時間為減速蠕變時間，減速蠕變時間隨應力水平的增加而增大，如圖4（b）所示，相同應力水平下，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%，表明隨著應力加載和蠕變變形的發展，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力下降，更容易發生錯動，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，在裂紋尖端產生水楔作用加速裂紋擴展，導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，導致在第3級加載后蠕變過程中飽水試樣蠕變5.8 h產生破壞，而干燥砂巖在第4級加載后蠕變過程中產生破壞。

2.3 不同含水狀態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，持續時間為450 μs，飽水砂巖的幅值為0.63 V，持續時間為300 μs，超聲波通過飽水砂巖后幅值降低，持續時間減小，表明砂巖飽水使超聲波信號在傳播過程中發生繞射散射現象，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，對應幅值為39.2 mV，飽水后主頻變為33.2 kHz，對應幅值為14.8 mV，飽水使得砂巖超聲波信號主頻降低幅值減小，出現“頻帶漂移”現象，說明砂巖含水會表現出低通濾波特性。

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，測得超聲波主頻減小；飽水砂巖在加載過程中產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生的微裂紋會影響試樣內部水的滲流，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，但是主頻變為27.6 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個變為4個，主頻變為24.6 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幅值都比干燥砂巖低，同時隨著應力水平增加，干燥和飽水砂巖的主頻及幅值都在降低，表明含水狀態和應力水平的改變都使巖石出現了“頻率漂移”現象。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損傷積累，產生更多的微裂隙和微孔隙，導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生破壞。干燥巖石呈現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部擴散，在外荷載作用下表皮產生微裂隙會引導水擴散到裂隙，使得表皮以片狀剝離，在加載的最后階段，內徑部分突然破壞，由于一直浸水端部效應減弱，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，水在試樣內部空間分布均勻，整體強度減弱，延性增強，且端部效應更弱，最終破壞為沿軸向張拉破壞（圖9）。

3 結論

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和應力水平下巖石蠕變變形過程中的超聲波特性，分析了含水狀態對蠕變變形破壞時間效應的影響，揭示了巖石蠕變破壞前兆規律，得到以下結論：

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

（2）浸水砂巖中水對巖石的弱化作用存在時間效應，初始含水狀態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力水平低于干燥試樣。

（3）3種含水狀態的巖石蠕變試驗中，試樣破壞前都有蠕變應變從緩慢增大到急劇增大的一個拐點，拐點處的應變和應變率可以作為巖石破壞前的預兆；蠕變應變過了拐點后0.5 h之內試樣產生破壞，可以作為含水礦柱失穩破壞時間的一個預測指標，進而為判斷含水礦柱的失穩破壞時間和制定支護加固措施提供依據。