渗透-应力耦合作用下灰岩压缩破坏及声发射特性分析

2019-10-21宋战平杨腾添霍润科王军保刘新荣周冠南

煤炭学报 2019年9期

宋战平,程昀,杨腾添,霍润科,王军保,刘新荣,周冠南

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055; 2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室,陕西西安 710055; 3.中国铁建大桥工程局集团有限公司,天津 300300; 4.重庆大学土木工程学院,重庆 400044)

随着地下空间工程不断发展，如隧道挖掘、矿山工程、煤矿开采等，经常伴随着由于地下水压力引发的围岩失稳破坏问题出现[1-3]，使得渗透水压力作用下的岩石力学特性及破坏机制研究一直是岩土工程领域的热点问题之一[4]。因此，研究渗透-应力耦合作用下的岩石力学特性对富水围岩体的工程建设具有重要意义。

国内外很多专家学者通过岩石力学试验对渗透-应力耦合作用下岩石力学与声发射特性做了大量研究。赵瑜等[5]探究了岩石裂隙在渗流-应力耦合作用下的扩展特性，反映了裂隙扩展过程渗流的演化规律;XIAO等[6]研究并建立了裂隙岩体的应力-渗流耦合作用下等效多孔隙介质模型;SKEMPTON等[7]研究了水对砂岩应力释放过程的影响，并指出渗透水对岩体劣化的最集中体现是对岩体损伤力学特性的影响;NOORISHAD等[8]研究了岩体渗流场与应力场的非线性关系，并建立了裂隙介质的非线性形变本构模型;邢福东等[9]揭示了渗透水压力与侧向围压对岩石力学特性的影响;彭苏萍等[10]分析了围压对中、细砂岩渗透率和孔渗性的影响规律;此外，穆康等[11]利用耗散能变化解释了水-力耦合作用下砂岩三轴压缩的声发射和能量演化规律;YUAN等[12]研究了直接拉伸试验的声发射活性及其拉伸损伤本构模型。可见，随着岩石渗流-应力耦合测试系统与试验方法的不断完善，渗透环境下岩石力学特性得到了不断发展，并取得了丰富成果。上述研究成果为揭示渗透水压力对岩石力学及声发射特性的影响规律奠定了基础。

而对于地下采矿工程遇到的岩柱或隧道近开挖面岩体，所处的应力环境接近于低侧限甚至无侧限压力的单轴压缩受力状态，加之渗透水压力作用使得岩体受力环境异常复杂，力学特性、破坏机制与三轴应力状态有所不同。为此，针对不同渗透水压力下灰岩的宏观力学和声发射特性，利用渗透-应力耦合装置进行了灰岩的压缩破坏试验，分析了应力-应变曲线、峰值强度、特征应力、破裂和声发射特性以及劣化机制等。研究结果可为地下高渗透水岩体的稳定性及减防灾分析和评价提供理论基础。

1 试验概况与方法

1.1 灰岩试件

试验岩样选自贵阳市麦西隧道洞身段进口区灰岩，颗粒较细，多为次生孔隙，属于低孔隙岩石。根据《水电水利工程岩石规范DLT53682007》通过钻取灰岩试件，并切割、打磨等制成高径比为2∶1，试件尺寸为φ50 mm×100 mm的标准岩样，其端面不平行度小于0.02 mm，如图1所示。

图1 灰岩试件Fig.1 Limestone specimens

基于为X衍射测试剔除有明显缺陷的试件以降低试验离散性，编号为1～12号，见表1。灰岩试件的平均干密度和纵波波速分别为2.68 g/mm3，6.52 km/s，主要成分石英(SiO2)和方解石(CaCO3)平均含量分别为2.60%，97.40%。由于石英难溶于水且含量少，可认为灰岩主要由方解石构成。此外，由于试验需要对灰岩注入渗透压力水，在灰岩端面中心处设置注水孔，孔深为10 mm，孔径为1.5 mm。

1.2 试验装置与方法

试验在隧道与地下工程实验室渗透-应力耦合试验装置上进行，如图2所示。试验系统主要由电液伺服压力装置、高渗透水压力装置和声发射装置构成。其最大试验力为600 kN;最大渗透水压力为35 MPa，最大和最小渗流量分别为30.00和1.75 mL/min，渗透水压力精度为0.000 172 MPa;声发射的最高采集频率为10 MHz，采集精度为16 bit。

表1 试验方案
Table 1 Test specimens and schemes for limestone

岩石编号渗透水压力/MPa干密度/(g·mm-3)干燥纵波波速/(km·s-1)矿物含量/%方解石石英破坏形式1号2.706.5999.50.5劈裂破坏2号02.696.4099.50.5劈裂破坏3号2.676.3999.50.5劈裂破坏4号2.666.5899.50.5鼓状破坏5号22.656.8899.50.5劈裂破坏6号2.687.0299.50.5劈裂破坏7号2.666.5093.07.0剪切破坏8号42.696.7893.07.0劈裂破坏9号2.665.9893.07.0劈裂破坏10号2.686.5993.07.0劈裂破坏11号62.696.9293.07.0劈裂破坏12号2.696.5097.52.5劈裂破坏

图2 渗透-应力耦合试验装置Fig.2 Diagram of hydro-mechanical coupling apparatus1—真空压力泵;2—压力表;3—渗透压控制器;4—压力导管连接装置;5—下部进水构件;6—上部进水构件;7—灰岩试样

试验考虑了4种渗透水压力，即0，2，4，6 MPa，试验方案见表1。试验步骤为:① 试验准备:所有试件在105 ℃下烘干24 h并抽气24 h，以保证具有相同初始含水率;为了试件内部形成均匀渗流场并防止渗透水渗出，在其表面按间隔5～8 min连续喷涂4～6次止水剂(甲基硅氧烷)，风干24 h后可形成3～6 mm的止水边界。同时，通过对喷涂(12次)和未喷涂止水剂的试件进行了压缩试验，测得应力-应变曲线和体应力应变曲线重合度均较好，排除了止水剂的影响;② 灰岩试件与渗透系统组装，并确保无渗透水渗出;通过微机控制渗透水压力以4 MPa/min逐渐增至试验设定值后静置48 h，以形成稳定渗流场;③ 将声发射探头、径向伸长计耦合(黄油为耦合剂)于试件上，以测得试件的声发射信号、轴向和径向位移。为降低噪音干扰，声发射采集门槛值设为40 dB，采样间隔和频率为400 μs和1 000 kHz;声发射探头间距如图1所示;④ 轴向应力加载:为获得典型的轴向和体应力-应变曲线，应力加载速率为0.25 MPa/s，直至试件破坏。

2 试验结果与分析

2.1 破裂应力-应变特性分析

根据试验方案对渗透水压力下的试件进行单轴压缩试验，灰岩的典型轴向和体积应力-应变曲线，如图3所示。

图3 不同渗透水压下的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of limestone under different osmotic pressure

由图3(a)看出，不同渗透水压力下灰岩应力-应变曲线形状相似，曲线逐渐“爬升”达到峰值后跌落。由于试件承受的渗透水压力逐渐增大，内部孔隙数量及尺寸逐渐增大，软化作用导致压密阶段延长而弹性阶段相应缩短;峰值后应力-应变曲线的跌落具有一定差异性，主要表现为0 MPa和2 MPa的峰后曲线迅速跌落，4 MPa和6 MPa的应力-应变曲线出现突变特征，其峰后应力-应变曲线呈明显的震荡起伏走势，随后跌落。这主要是由于随渗透水压力增加，灰岩内部遭受更强的溶蚀作用，引起新孔隙的萌生与扩展;孔隙水压力的增加加剧了矿物颗粒的剥离与运移速度，导致内部孔隙度逐渐增加，不稳定孔隙、裂纹的扩展规模增大[11]。

此外，引入强度劣化系数来研究渗透水压力对灰岩强度的影响，用σc(0)，σc(i)分别表示渗透水压力为0和σi时的峰值应力，则灰岩强度劣化系数ηi为

(1)

依据图3(a)及式(1)，不同渗透水压力下峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量及强度劣化系数等特性值见表2。由表2可以看出，渗透水压力增加加速了灰岩孔隙的形成，表现为强度逐渐被弱化。经计算其峰值应力降幅依次为13.38%，16.27%，16.57%，弹性模量降幅为8.63%，7.45%，9.09%。也可看出，渗透水压力对灰岩孔隙萌生与扩容阶段影响较压缩密实阶段显著;另外，渗透水压力越大，强度劣化系数增加越明显，表明水岩损伤劣化程度越显著。拟合峰值应力与渗透水压力关系为

σc=103.37e-0.084 0σ(R2=0.997 2)

(2)

表2 灰岩强度特征值
Table 2 Strength characteristic values of limestone

渗透水压力σ/MPa峰值应力σc/MPa峰值应变ε弹性模量E/GPa变形模量Ev/GPa强度劣化系数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

由图3(b)可知，随着径向应变发生，体应力-应变曲线逐渐向右“爬升”，达到一定强度后向左偏转延伸，达到最大峰值应力后缓慢跌落。HAJIABDOLMAJID等[13]和李炼等[14]分析认为，体应力-应变曲线“向左偏转”是岩石孔隙稳定扩展的标志，此时径向应变的速率比轴向快，岩石表面开始出现与最大压应力相同方向的新生孔隙。为分析不同渗透水压力下灰岩的变形特性，计算了灰岩变形模量，见表2，拟合关系如图4所示,可以看出，随着渗透水压力增加，变形模量的减小速率明显大于弹性模量。

图4 弹性模量和变形模量与渗透水压力关系Fig.4 Relations of elastic modulus and deformation modulus with osmotic pressure

2.2 特征应力分析

当荷载达到某一特征应力值时，岩石内部会发生不同程度的损伤变化。在岩石压密到损伤发展开始阶段，岩石孔隙的闭合应力和损伤开始的起裂应力是描述高渗岩石压缩变形的关键。闭合应力是岩石弹性阶段的初始应力，可描述孔隙压缩密实末期的应力状态;损伤应力是弹性阶段的末期应力，可描述岩石出现微裂隙的初始应力状态，因此损伤应力也是岩石微裂隙发展的起始点。为量化灰岩压缩过程中的变形特性，参见MANGOLD等[15]、黄达等[16]等思路，结合图3得到了灰岩特征应力值，见表3。

表3 灰岩特征应力值
Table 3 Characteristic stresses of limestone specimens

渗透水压力/MPa闭合应力σa/MPa损伤应力σf/MPa峰值应力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反映出灰岩闭合应力和损伤应力均随渗透水压力增加而减小，闭合应力为12.26～19.96 MPa，损伤应力为57.47～93.32 MPa。闭合应力与峰值应力比值(σa/σc)、损伤应力与峰值应力比值(σf/σc)以及闭合应力与损伤应力比值(σa/σf)分别为0.185 8～0.198 2，0.818 8～0.976 2和0.190 2～0.236 3，各渗透水压力下的特征应力比值非常接近，这与前人研究结果一致。分析认为，由于渗透水压力增加了孔隙数量降低了灰岩强度，导致孔隙压缩密实所需的闭合应力逐渐减小，发生损伤的敏感程度增强。特征应力与峰值应力、渗透水压力关系如图5，6所示。

图5 特征应力与峰值应力关系Fig.5 Relations of characteristic stresses and peak stresses

图6 特征应力与渗透水压力关系Fig.6 Relations of characteristic stresses and osmotic pressures

2.3 灰岩声发射特性分析

声发射(AE)振铃计数是指测试探头捕捉的超过预设门槛值的信号次数，可表征发生AE频率。基于声发射监测，不同渗透水压力下灰岩试件应力-应变与AE振铃计数关系，如图7所示。可以看出，不同渗透水压力下，灰岩试件的振铃计数随着应变增加表现了明显阶段性变化，与应力-应变曲线较好吻合，大致经历了“平静—发展—突增—跌落”4个发展过程。

(1)压密阶段:内部原生孔隙以及由于渗透水的溶蚀产生的少部分孔隙被压缩，引起矿物粒子及孔隙间的相互作用，灰岩内部因应变积累的部分应变能开始释放，出现小振幅的AE活动，称为AE平静期[17];由图7可知，随着渗透水压力增加，密实阶段出现的小振幅AE频率在逐渐增大，这是由于溶蚀作用引起灰岩孔隙率增大，延长了压缩密实阶段，提高了灰岩变形敏感性，进而导致相同应变下发生相对较高频率的AE活动。相比0，2，4和6 MPa下超过1 000次的AE信号分别增加了18次、89次和374次。此外，相比干燥岩石的AE试验[18]，本试验的压密阶段也偶尔出现小峰值AE活动，主要原因是更多溶蚀孔隙的闭合和软化结构的破裂引起。

(2)弹性阶段:应力-应变曲线近似线性增长。有研究表明[18]，干燥岩石弹性阶段意味着无塑性变形，也无新裂隙扩展，岩石在继续被压密过程中AE活动十分微弱。然而，由于渗透水压力增加导致灰岩出现明显AE活动(特别是4 MPa和6 MPa时)，称为AE发展期。这说明水岩作用弱化了岩石结构稳定性，引起了局部裂隙萌生，导致了应变能的提前释放。比较发现，渗透水压力越大，由于渗透水的溶蚀及渗透压的致裂作用，促进了AE活动发生，这与穆康等[11]研究结果具有一致性。

(3)裂隙萌生与扩展阶段:相对裂隙水压力，轴向应力加载的影响程度明显增强。此时，灰岩变形比较活跃，结构内部新生裂隙不断扩展汇合，宏观裂隙或微破裂面逐渐形成，声发射进入活跃期，振铃计数出现突增现象[19]。由于灰岩应力水平由屈服应力向峰值应力过渡，试件表面部分片状岩块被高速抛出，遗留在试验机上的灰岩逐渐暴露出多条微裂隙。分析原因是由于灰岩孔隙经历了形核、成核、汇集等过程[18]，最后形成稳定的萌生裂隙。

图7 灰岩应力-应变曲线与声发射关系Fig.7 Relations of strain-stress and AE counts for limestone

(4)裂隙非稳定贯通阶段:应力-应变曲线逐渐达到峰值，灰岩表面出现的平行于加载方向的贯穿裂隙快速扩展，AE活动急剧活跃。这主要是由于水岩劣化引起了灰岩强度逐渐降低，进而弱化了应变能的存储能力。所以，随着轴向应力加载，经裂隙压密、弹性变形及稳定萌生与扩展阶段储存的应变能开始迅速释放，振铃计数高峰时段凸显。分析发现，相比0 MPa时，6 MPa的进入活跃期的临界应力由80.67 MPa降低至52.07 MPa;在裂隙贯通阶段，振铃计数超过1 000次的AE信号由38次提高到103次，增加了171.05%，破坏前振铃计数由124次提高到1 219次，增加了875%。此过程，裂隙萌生与扩展阶段形成的稳定裂隙开始扩展交接形成滑动面，最终导致灰岩完全破坏。

随着灰岩强度丧失，其应力-应变曲线开始跌落，声发射现象回归平静期。分析灰岩破坏能耗路径认为，在达到峰值应力前，灰岩所积累的应变能主要消耗于内部裂隙的压缩密实、形成、扩展与贯通，大部分耗散能以塑性势能和裂隙表面能释放，少量部分能量以动能等形式释放。可见，通过声发射特性能够很好揭示岩石内部裂隙萌生、扩展至破坏的渐进演化过程。

2.4 灰岩破裂特征分析

进行的单轴压缩破坏试验的破裂情况，见表4，表明除了4号和7号灰岩分别发生鼓状和剪切破坏外，其他均为劈裂破坏，占总试件的83.33%，这表明渗透水压力对灰岩试件的破裂形式并未造成较大影响。由于4号端部平滑度和润滑处理不足，加载过程中垫块端面产生的环箍效应约束了岩端位置裂纹发展，导致臌状破坏[20];7号灰岩破坏面新鲜度略低且含微量杂质，表明该试件中隐形裂缝在承受轴向应力后沿初始裂缝扩展，最后形成贯通裂缝发生了平面剪切破坏。

表4 灰岩破裂数据
Table 4 Failure data of limestone specimen

不同渗透水压力下灰岩典型的劈裂破坏形式，如图8所示。由图8可以看出，尽管灰岩试件均为劈裂破坏，但不同渗透水压力作用的灰岩宏观破裂程度具有显著性差异，主要表现在破裂主裂缝数、碎块数量及尺寸、主碎块数量及质量等。此外，灰岩劈裂破坏过程中，裂缝走向与轴向应力方向呈7°～10°夹角，并且裂缝断面处有大量粉末，在靠近试件端部外表面出现多处弹射缺失区域，弹射体呈片状或薄块状。

若对大于1 g的灰岩碎块统计并以2.5 g作为主碎块的判定标准(约为试件质量的5%)，不同渗透水压力下试件的破裂数据分布情况，见表4。由图8和表4看出，灰岩主裂缝数为3～8条，碎块数为26～44块，主碎块数为19～28块，主碎块平均质量为13.45～17.79 g。渗透水压力为0 MPa的灰岩碎块数量较少，而尺寸差异性较大。相比0 MPa时，6 MPa的碎块数由26块增加到44块，增加了69.23%;主碎块数由19块增加到28块，增加了32.14%;主要碎块平均质量由17.69 g降低到13.45 g，减少了24%。可见，渗透水压力对灰岩的破裂特征具有显著影响。

(3)

不同渗透水压力下灰岩碎块质量累积比例分布，如图9所示。由图9可以看出，随着灰岩碎块质量增加，不同渗透水压力下的碎块质量累计比例呈规律性增长，且增长幅度与渗透水压力为线性正相关。0 MPa到6 MPa的灰岩碎块累计质量分布范围分别为[0～120 g，0～60 g，0～50 g，0～40 g]，碎块质量方差分别为[126.94，85.39，61.99，65.82]，这说明碎块质量逐渐趋于均匀，渗透水压力对灰岩单轴压缩过程中的孔隙发育具有促进作用。

若用线性斜率表征灰岩碎块质量均匀度(λ)，拟合碎块质量均匀度与渗透压水压力为指数函数关系，如图10所示。这表明，随着渗透水压力增加，灰岩内部结构发生显著劣化，破裂形成的碎块均匀度逐渐增加。同时，拟合的碎块质量均匀度与峰值应力关系为

(4)

图9 灰岩破裂碎块质量累积比例Fig.9 Cumulative percentages of fractured fragments of limestone

图10 灰岩碎块均匀度与渗透水压力关系Fig.10 Relation of fragment uniformity and osmotic pressure

基于上述灰岩破裂结果的差异性可知，灰岩从压缩变形到损伤逐渐形成再到贯穿破裂，可视为渐进演化的过程[21]。该过程伴随着裂隙的萌生演化、裂隙的稳定发展直到大尺度裂隙凸显、大尺度裂隙交汇贯穿形成宏观裂纹，最后发生岩石破裂。因此，声发射监测结果为灰岩损伤演化规律提供了宏观表现形式[11,17-18]。

2.5 灰岩孔隙体积变化规律分析

渗透-应力耦合作用下灰岩的劣化作用主要表现为:① 渗透水进入孔隙后，水分子在灰岩矿物颗粒表面形成致密水膜，降低颗粒摩擦力、咬合力及结构稳定性，加快矿物粒子或胶结物质从原矿物结构的剥离速度;② 渗透水压力促进了原生或新生孔隙的张开程度，提升自由水的渗流速度和溶蚀深度，进一步扩大水岩作用区域。当渗透水流经连通性良好的孔隙时，会对孔隙壁的水岩结合面形成冲刷力，加快矿物粒子的运移速度。

选取压缩破坏灰岩的主破裂面处的岩块进行了压汞试验，图11为不同渗透水压力下灰岩单位质量孔隙体积累积曲线。由图11可以看出，随着进汞压力增加，不同渗透水压力下的灰岩单位质量孔隙体积累曲线均经历了“先快速增长，后逐渐稳定”的发展趋势。根据试验数据拟合的不同渗透水压力下孔隙体积累计值(V)与进汞压力(P)为一阶指数关系，增长系数分别为0.319 9，0.355 6，0.444 0，0.455 4，其与渗透水压力呈二次函数关系。图12为不同渗透水压力下灰岩的单位质量孔隙体积随渗透水压力的变化关系，两者呈指数函数关系。

图11 灰岩单位质量孔隙体积累积曲线Fig.11 Cumulative curves of pore volume per unit-mass of limestone

图12 灰岩单位质量孔隙体积与渗透水压力关系Fig.12 Relation of cumulative value of pore volume per unit-mass and osmotic pressure

2.6 渗透水压力引裂作用分析

渗透水压力除引起灰岩性能劣化外，还加剧了微裂隙尖端的应力集中现象[22]，加快了微裂隙的扩展发育，对灰岩的破坏具有引裂作用。试验发现，渗透水压力作用下的灰岩破坏的主破裂面走向基本平行于轴向应力方向，即以劈裂破坏为主。若忽略灰岩本身不均匀性因素的影响，裂隙起裂形式接近于张开型裂纹的纯I型破裂。由文献[22]及断裂力学可知，随着渗透水压力增加，灰岩的应力强度因子随之增加，裂隙会在更低的轴向应力下发生破裂。由此根据灰岩轴向应力-应变曲线得到不同渗透水压力下灰岩进入微裂隙扩展阶段的起裂应力，如图13所示。可以看出，灰岩的起裂应力随渗透水压力增加呈线性衰减，这与周群力等[23]结论具有一致性。