袁 璞，戚少先，位寧寧

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3. 安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下工程開發(fā)的深度也不斷加大，如各種深部開采的礦山、核廢料深層處理和深部地下防護(hù)工程等。深部地下工程是較為熱門的研究領(lǐng)域，干濕循環(huán)作用為水巖作用常見形式之一，其劣化效應(yīng)是不可忽視的問題[1-2]。

目前，許多學(xué)者對干濕循環(huán)作用下巖石損傷特性進(jìn)行了研究[3-4]。文獻(xiàn)[5]對干濕循環(huán)后的砂巖進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，對劣化后的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[6-7]得出了飽水風(fēng)干后砂巖的縱波波速與孔隙率變化規(guī)律； 文獻(xiàn)[8]用核磁共振技術(shù)結(jié)合掃描電子顯微鏡對干濕循環(huán)作用后的砂巖微觀變化進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[9]對干濕循環(huán)和地震共同作用下的庫區(qū)泥巖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析； 文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對巖石造成的損傷是漸進(jìn)的并且是不可逆的。以上研究主要集中在干濕循環(huán)對巖石宏觀力學(xué)性能的影響，缺乏從微觀角度分析干濕循環(huán)對深部砂巖力學(xué)特性劣化機(jī)理的探討。

因此，針對深部地下工程中干濕循環(huán)作用引起的巖石劣化效應(yīng)，本文采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和細(xì)觀數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從宏觀和細(xì)觀上共同分析干濕循環(huán)作用對深部砂巖單軸抗壓強(qiáng)度劣化的影響，以期為深部地下工程巖體穩(wěn)定性分析提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 深部砂巖試件

試驗(yàn)巖樣取自淮南市某煤礦-965m處的深部砂巖，整體呈淺灰色，表面沒有明顯的裂紋，按照規(guī)范[11]將其加工成直徑為50mm、高度為100mm的圓柱形試件(見圖1)。

圖1 深部砂巖試件

1.2 試驗(yàn)過程

挑選合格的試件分為6組，分別進(jìn)行0、1、5、10、20、30次的干濕循環(huán)試驗(yàn)；以試件在60℃烘箱中干燥12h后晾曬至室溫，再放入水中浸泡12h，為1次干濕循環(huán)，用n表示干濕循環(huán)次數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)后巖石物理特性變化

定義砂巖經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)之后的孔隙體積與自然狀態(tài)下的砂巖體積之比為孔隙率，即

(1)

式中：P為孔隙率，%；V0為砂巖在自然狀態(tài)下的體積，cm3；V為砂巖的絕對密實(shí)體積，cm3；ρ0為水的密度，g/cm3，msat為飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g；mdry為干燥后的質(zhì)量，g。

由圖2可知， 巖石在經(jīng)歷干濕循環(huán)之后孔隙率呈不斷增加的趨勢， 但增加的速率逐漸減弱。 在第10～20次干濕循環(huán)過程中， 砂巖的孔隙率增加最大， 此時(shí)宏觀上表現(xiàn)為單軸抗壓強(qiáng)度的明顯降低。

圖2 干濕循環(huán)作用后砂巖孔隙率與縱波波速變化

縱波波速可反映出巖石內(nèi)部的完整性，可定量分析內(nèi)部的損傷程度。由圖2可知，經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，砂巖的縱波波速不斷降低，且在第10次干濕循環(huán)之后砂巖波速降低值最大，此時(shí)砂巖內(nèi)部的孔隙率增加也最大，砂巖完整性較差，導(dǎo)致聲波在孔隙處發(fā)生繞射或被吸收，傳播速度降低。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

砂巖在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出不同循環(huán)次數(shù)下的試件峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量(見表1)。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下砂巖力學(xué)參數(shù)

從圖3和表1可以看出，峰值應(yīng)力和彈性模量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)不同程度的減小；在第10～20次干濕循環(huán)時(shí)，強(qiáng)度降低最大，巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展最快；在第20～30次干濕循環(huán)時(shí)，應(yīng)力降幅有所減緩。在干濕循環(huán)達(dá)到一定的次數(shù)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出一定的延性破壞特征，而未經(jīng)過干濕循環(huán)作用為脆性破壞。

3 離散元數(shù)值分析

巖石的損傷是指巖石內(nèi)部的孔隙和微裂紋受到外力作用時(shí)繼續(xù)發(fā)展并擴(kuò)大的過程，最終導(dǎo)致巖石力學(xué)參數(shù)的降低。然而這些微小孔隙和裂紋的變化是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以發(fā)現(xiàn)的，因此對巖石的細(xì)觀分析是研究巖石損傷必不可少的手段。本文基于顆粒流軟件PFC2D并結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬干濕循環(huán)作用下深部砂巖細(xì)觀損傷的演化。

3.1 模型的選擇與建立

PFC2D中的平行粘結(jié)模型可很好地反映砂巖的力鏈分布和裂紋發(fā)展的過程[12]31。

第一步，生成砂巖顆粒。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，受力后砂巖脆性剪切破裂帶的間距與其平均粒徑成正比，且約為平均粒徑的5～10倍。真實(shí)砂巖粒徑在0.04～2.0mm之間，根據(jù)實(shí)際情況，模擬砂巖顆粒半徑在0.40～0.60mm之間隨機(jī)生成。PFC2D數(shù)值模型寬50mm、高100mm，包含5 964個(gè)顆粒。

第二步，確定細(xì)觀參數(shù)。文獻(xiàn)[14]提出的由壓縮實(shí)驗(yàn)確定模型細(xì)觀參數(shù)的方法，經(jīng)過大量試算，先確定出對峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變影響較大的細(xì)觀參數(shù)，如平行粘結(jié)的抗拉強(qiáng)度和粘聚力；再根據(jù)文獻(xiàn)[12]77可知，摩擦角的變化對試件破壞形式有較大的影響，剛度比和摩擦系數(shù)對應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的影響不大；最后微調(diào)以符合實(shí)際情況。確定的細(xì)觀參數(shù)如表2所示。

表2 深部砂巖模型細(xì)觀參數(shù)表

第三步，施加應(yīng)力。利用墻體伺服機(jī)制，不斷調(diào)整墻體速度達(dá)到期望的應(yīng)力值。

3.2 干濕循環(huán)深部砂巖細(xì)觀數(shù)值分析

對經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的深部砂巖進(jìn)行單軸壓縮模擬，其峰值強(qiáng)度如表3所示。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度模擬值與實(shí)驗(yàn)值

表3表明PFC2D模擬得到的峰值應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)峰值應(yīng)力相差較小，最大誤差僅為3.6%。因此，表2的細(xì)觀參數(shù)可以很好地分析深部砂巖細(xì)觀劣化的過程。

1) 干濕循環(huán)深部砂巖力鏈分布 在外荷載作用下，砂巖顆粒相互接觸在巖石內(nèi)部形成不均勻分布的力鏈網(wǎng)絡(luò)，圖4為不同干濕循環(huán)次數(shù)下的力鏈分布圖。力鏈?zhǔn)怯?個(gè)或多個(gè)剛性顆粒接觸形成的線性顆粒組。

圖4 深部砂巖力鏈分布圖

圖4中黑色表示壓力鏈，紅色表示拉力鏈，力鏈的粗細(xì)表示接觸力的大小。由于砂巖處于受壓狀態(tài)，此時(shí)壓力鏈的數(shù)量和粗細(xì)程度明顯高于拉力鏈，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增多時(shí)，拉力鏈數(shù)量逐漸減少，壓力鏈數(shù)量增多。

當(dāng)砂巖試件處于干燥狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)處砂巖力鏈分布較細(xì)且分散，力的分布比較均勻，所以其受壓承載力較大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，力鏈分布逐漸集中，形成強(qiáng)接觸力鏈。此時(shí)顆粒間需要承受和傳遞的力逐漸增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為砂巖試件更容易劣化。

2)干濕循環(huán)深部砂巖裂紋分布 不同干濕循環(huán)次數(shù)深部砂巖受壓破壞時(shí)裂紋分布及演化曲線如圖5和圖6所示。R代表剪切裂紋占總裂紋的比例。

n=0 R=16.8%

圖6 裂紋演化曲線

由圖5可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試件的剪切裂紋數(shù)量逐漸增加，其中紅色表示拉伸裂紋，藍(lán)色表示剪切裂紋。干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，砂巖破壞主要以拉伸裂紋為主，表現(xiàn)為拉裂破壞。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次時(shí)，砂巖破壞時(shí)其內(nèi)部剪切裂紋明顯增多，破壞形式開始向剪切破壞發(fā)展，由于此時(shí)拉伸裂紋還占有一定的比例，所以最終破壞形式表現(xiàn)為脆性剪切破壞。

由圖6可知，在加載初期，試件并沒有新增裂紋，此時(shí)處于壓密階段。隨著軸向變形逐漸增大，新生裂紋逐漸出現(xiàn)并加速發(fā)展，大部分裂紋是在試件破壞前短時(shí)間內(nèi)形成的，當(dāng)裂紋逐漸積累并貫通時(shí)，試件產(chǎn)生宏觀裂縫并喪失承載力。

4 干濕循環(huán)砂巖微觀結(jié)構(gòu)分析

為研究干濕循環(huán)次數(shù)對砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化的影響，從不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖中取出若干試樣，先用乙醇沖洗，再放入烘箱干燥，最后采用上海百賀儀器科技有限公司的FEI掃描電鏡進(jìn)行觀測。

由圖7可知，在干燥狀態(tài)下，砂巖顆粒間排列緊密、孔隙少，因此強(qiáng)度較高。干濕循環(huán)作用后，顆粒間逐漸出現(xiàn)細(xì)小的孔隙，微裂紋逐漸開始發(fā)育。隨干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，鈣質(zhì)膠結(jié)物溶解、溶蝕以及水巖相互作用，砂巖的微細(xì)觀孔隙、裂隙逐漸發(fā)育、貫通，尺度逐漸增大，顆粒結(jié)構(gòu)逐漸松散[15]，砂巖由較致密的孔隙膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸向不規(guī)則的蜂窩狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致了砂巖宏觀變形和強(qiáng)度的劣化。

圖7 干濕循環(huán)作用后深部砂巖SEM圖(1 000倍)

5 結(jié)語

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的孔隙率、縱波波速以及單軸抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，砂巖微觀結(jié)構(gòu)從致密狀發(fā)展為蜂窩狀。在干濕循環(huán)作用初期，砂巖內(nèi)部力鏈分布較為分散，沒有形成強(qiáng)接觸力鏈，此時(shí)承載能力較高。在干濕循環(huán)10次以后，剪切裂紋逐漸增多，開始向剪切破壞發(fā)展。

在實(shí)際工程中，除干濕循環(huán)作用外，深部砂巖還可能受到化學(xué)腐蝕與溫度變化等作用，干濕循環(huán)與多種環(huán)境耦合作用下深部砂巖的力學(xué)特性還需進(jìn)一步研究。