賈汝鐸，許漢華

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；3.云南省巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650051)

隨著地下空間工程的快速發(fā)展，如隧道圍巖開挖、礦體爆破及機(jī)械鉆鑿等動態(tài)開挖效應(yīng)引起的巖體活動[1]經(jīng)常性引發(fā)圍巖體的應(yīng)力場調(diào)整、結(jié)構(gòu)劣化，使得圍巖體處于沖擊荷載作用環(huán)境繼而誘發(fā)圍巖失穩(wěn)，帶來巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。天然礦體或圍巖體內(nèi)部包含著大量的原生或次生裂隙，特別是富水環(huán)境中的巖體，受到地下水滲透作用的影響，水-巖作用易導(dǎo)致巖體力學(xué)特性劣化、加劇巖體失穩(wěn)。因此，巖體開挖過程中為達(dá)到減防災(zāi)目的，對巖體的動力學(xué)特性研究從未停止[6-8]。

水-巖耦合引起的圍巖體強(qiáng)度劣化及穩(wěn)定性降低一直是水利工程領(lǐng)域備受關(guān)注的問題之一，特別是水利水電工程中導(dǎo)流渠及輸水管道巖體水巖耦合作用下的巖體穩(wěn)定性及強(qiáng)度劣化關(guān)系到工程安全運(yùn)營。巖體開挖過程中，機(jī)械開挖強(qiáng)度的增強(qiáng)實(shí)則提高沖擊波的輸入強(qiáng)度，沖擊荷載擾動作用也極易導(dǎo)致富水圍巖體發(fā)生失穩(wěn)，這對巖體的安全運(yùn)營機(jī)制產(chǎn)生影響[9-11]。對此，許多學(xué)者對不同含水狀態(tài)巖體進(jìn)行了動力學(xué)試驗(yàn)研究。袁璞等[8]研究發(fā)現(xiàn)，自由水的表面張力和Stefan效應(yīng)抑制了裂紋動態(tài)擴(kuò)展，而裂紋擴(kuò)展阻力、動態(tài)強(qiáng)度與含水狀態(tài)呈正相關(guān)；Friedman等[9]基于動力學(xué)試驗(yàn)測試了水巖作用下灰?guī)r動力學(xué)性能，表明抗沖擊強(qiáng)度與含水率呈負(fù)相關(guān)而破碎程度與含水率呈正相關(guān)。樓溈濤[10]基于動力學(xué)試驗(yàn)研究了花崗巖的動態(tài)應(yīng)變特征，表明加載速率對飽和花崗巖的抗拉強(qiáng)度具有顯著影響。Huang等[11]研究了動靜組合加載條件下砂巖抗拉力學(xué)參數(shù)與含水狀態(tài)的相關(guān)性。焦雋雋等[12]對以砂巖進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)以及壓汞試驗(yàn)，分析了干濕循環(huán)條件下含水率、縱波波速、靜態(tài)力學(xué)特性以及孔隙微觀特性，表明水巖作用對砂巖具有劣化特性。由以上分析可知，巖體含水狀態(tài)對動態(tài)應(yīng)變特征及力學(xué)參數(shù)具有顯著影響，關(guān)注動態(tài)力學(xué)擾動環(huán)境下的富水巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性對于揭示巖體失穩(wěn)機(jī)理具有很大幫助。

本文以金沙峽水電站壓力管道段位(大通河右岸)的灰?guī)r為試驗(yàn)材料，以RMT-150C實(shí)驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿(SHPB)為試驗(yàn)裝置對不同含水率的灰?guī)r進(jìn)行了單軸壓縮和動態(tài)沖擊試驗(yàn)，主要分析灰?guī)r靜態(tài)力學(xué)、動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變形態(tài)、動態(tài)力學(xué)參數(shù)、縱波波速及灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而研究沖擊荷載下灰?guī)r的動力學(xué)響應(yīng)特征。

1 試驗(yàn)材料及裝置

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為金沙峽水電站大通河右岸的灰?guī)r，主要礦物為石英及黏土，呈暗灰色。為降低試驗(yàn)離散性，試驗(yàn)巖樣取自同一塊巖體，尺寸約為40 cm×40 cm×30 cm，密封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。將巖芯切割、打磨后加工成1∶1的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，尺寸為D×H=50 mm×50 mm，兩端面平整度小于0.02 mm?？紤]到試驗(yàn)灰?guī)r的低滲、低孔隙特征，將同一批灰?guī)r試樣進(jìn)行同一條件下的強(qiáng)制飽水處理(飽水壓強(qiáng)為1.50 MPa)，如圖1a所示。通過控制時(shí)間間隔(24 h)分別取出巖樣并擦干封存，測試巖樣的平均含水率記作ω(%)，依次測試5組，包括5種含水率，共15個(gè)試樣。對不同含水率灰?guī)r試樣進(jìn)行編號為DL-i，D表示Dynamics，L表示limestone，i表示次序，平均含水率分別為0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%。干燥灰?guī)r的電鏡掃描試驗(yàn)獲取了SEM圖像(500倍)，如圖1b所示，灰?guī)r細(xì)觀顆粒分布均勻、無明顯裂隙。

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置為中南大學(xué)李夕兵教授基于常規(guī)霍普金森壓桿(SHPB)研制的試驗(yàn)系統(tǒng)[7]，如圖2所示。試驗(yàn)入射桿、透射桿、沖擊桿以及緩沖桿的材料均為40Cr高強(qiáng)合金鋼，滿足試驗(yàn)要求。入射桿、透射桿長度為2.50 m，具有傳遞和透射沖擊波作用；沖擊桿為長0.40 m的紡錘形子彈，由高壓氣體激發(fā)產(chǎn)生沖擊波使巖樣破裂。沖擊波采集及顯示裝置分別為2021AS超動態(tài)應(yīng)變儀和855E型示波儀，集分辨率為10 bit/D，顯示頻率閾值為0.01 Hz。子彈的沖擊速度由激光測速儀測試，沖擊波通過黏貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片捕捉，分別將透射波、入射波及反射波傳遞給示波器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有顯示、存儲、處理和轉(zhuǎn)換功能。

1.2.2 測試原理

試驗(yàn)時(shí)高壓氣體設(shè)置為0.20 MPa為子彈提供近似沖擊強(qiáng)度。子彈沖擊入射桿產(chǎn)生的沖擊波，一部分在巖石-入射桿界面發(fā)生反射形成反射波，另一部分被巖樣透射形成透射波。圖2b中，右側(cè)應(yīng)變片捕獲入射波和反射波，左側(cè)應(yīng)變片捕獲透射波。根據(jù)一維應(yīng)力波理論[7-8]，假設(shè)實(shí)測時(shí)刻t時(shí)入射波、反射波及透射波對應(yīng)的入射應(yīng)力、反射應(yīng)力和透射應(yīng)力分別σI(t)、σR(t)和σT(t)，則灰?guī)r中平均應(yīng)力σ(t)為

(1)

灰?guī)r平均應(yīng)變ε(t)為

(2)

根據(jù)應(yīng)力均勻性假定，入射應(yīng)力、反射應(yīng)力及透射應(yīng)力的等效關(guān)系為

σI(t)+σR(t)=σT(t)

(3)

巖樣的平均應(yīng)力和應(yīng)變分別為

(4)

(5)

式中：As、Ae分別為試樣、入射桿的有效截面積，mm2；H為巖樣高，mm；ρe、Ce分別為入射桿和透射桿的密度(kg/m3)及波速(m/s)。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動深度學(xué)習(xí)方法的無線信道均衡 ………………………………………… 楊，李揚(yáng)，周明拓 24-2-25

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)步驟包括：①調(diào)試試驗(yàn)裝置以確保入射桿、透射桿和緩沖桿滿足“三桿一線”，調(diào)試子彈的沖擊速度，大致為1.50 m/s(0.20 MPa氣壓)，以保證數(shù)據(jù)采集正常。②將灰?guī)r依次編號為DL-1～DL-15，以平均含水率為0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%分組；將巖樣置于入射桿-透射桿中間，涂抹耦合劑確保接觸良好；利用膠帶固定巖樣，防止因振動而導(dǎo)致巖樣脫落導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。③安裝防爆容器，防止破碎巖塊飛濺；發(fā)射子彈撞擊入射桿產(chǎn)生沖擊波，應(yīng)變片捕獲沖擊波。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 灰?guī)r靜態(tài)力學(xué)特征

為比較灰?guī)r的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)及動態(tài)應(yīng)變特征的差異性，對同一批灰?guī)r(D×H=50 mm×100 mm)在RMT-150C實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，獲得靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示，可以看出，灰?guī)r的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體經(jīng)歷了原生裂隙壓縮密實(shí)(OA段)、彈性變形(AB段)、新裂隙萌生與穩(wěn)定擴(kuò)展(BC段)、裂隙快速萌生并非穩(wěn)定貫穿(CD段)以及破壞階段(DE段)?；?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度(σc)及峰值應(yīng)變分別為44.86 MPa，0.009 7，彈性模量(Ec)為6.21 GPa。

圖3表明，應(yīng)力加載初期，原生裂隙被逐漸壓縮密實(shí)，靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線緩慢爬升，剛度被逐漸強(qiáng)化。隨應(yīng)力繼續(xù)增大，灰?guī)r內(nèi)部原生裂隙基本被完全壓縮閉合，靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性增長，進(jìn)入彈性變形階段。張茹等[13]研究認(rèn)為，干燥巖石在彈性變形段無塑性變形發(fā)生，幾乎沒有新裂隙的萌生。應(yīng)力的持續(xù)加載導(dǎo)致灰?guī)r進(jìn)入新裂隙萌生與穩(wěn)定擴(kuò)展階段，內(nèi)部出現(xiàn)原生裂隙擴(kuò)展及新生裂隙萌生，裂隙數(shù)量及尺寸相對增多、增大，初期損傷的累積導(dǎo)致靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增幅逐漸減緩，塑性變形顯著。隨著應(yīng)力持續(xù)加載，新生裂隙快速萌生、原生裂隙急劇擴(kuò)展，巖樣表面的微裂隙貫通形成宏觀裂隙，靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服程度顯著。此時(shí)，巖樣裂隙快速萌生并呈非穩(wěn)定貫穿，宏觀裂隙擴(kuò)展速度顯著增大，靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值點(diǎn)。該過程伴隨著清脆的斷裂聲、局部巖塊的彈射現(xiàn)象出現(xiàn)。前期累積的應(yīng)變瞬間釋放，表面形成的宏觀破裂滑移面，靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線迅速跌落，巖樣呈脆性破壞。

2.2 動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變形態(tài)特征

基于試驗(yàn)方案對平均含水率為0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%條件下的灰?guī)r進(jìn)行沖擊動力學(xué)試驗(yàn)。由于篇幅限制，分別給出典型動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及典型沖擊波波形(見圖4)。圖4a表明，灰?guī)r動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與圖3中的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著差異，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷了彈性變形(oa段)、屈服變形(ab段)、破裂變形(bc段)。相比圖3，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)明顯壓縮密實(shí)階段而直接進(jìn)入彈性變形，這是由于高速沖擊荷載下灰?guī)r平均應(yīng)變率較大，內(nèi)部產(chǎn)生瞬態(tài)變形，極短暫時(shí)間來不及發(fā)生壓縮密實(shí)而直接產(chǎn)生彈性變形[9]。

圖4a表明含水率大小對動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線路徑具有顯著影響，灰?guī)r含水率增大，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對縮短，峰值強(qiáng)度及峰值應(yīng)變減小，彈性變形階段的線性斜率與含水率大小呈負(fù)相關(guān)。這是由于含水率愈大，灰?guī)r脆性的劣化越明顯，相同沖擊速度下的彈性變形越小。相比靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對更加光滑，不同演化階段的過渡更加緊密，特別是彈性變形到塑性變形的過渡具有一致性。動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的演化特征包括線彈性、彈塑性和塑性軟化3個(gè)階段，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到80%動態(tài)峰值應(yīng)力時(shí)，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸減緩，達(dá)到峰值強(qiáng)度后快速下降，這與既有研究[5]結(jié)果一致。

2.3 動態(tài)力學(xué)參數(shù)軟化特征

不同平均含水率下灰?guī)r的動態(tài)峰值應(yīng)力(σd)、峰值應(yīng)變(εd)及彈性模量(Ed)及破壞類型如表1所示?？芍蕿?.71%～0.78%、1.36%～1.44%、2.44%～2.67%、3.64%～4.15%、5.50%～5.72%時(shí)，動態(tài)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及彈性模量的變化范圍分別為22.87～55.84 MPa、0.429%～1.102%和3.97～7.54 GPa。平均含水率為0.75%的動態(tài)峰值應(yīng)力最大，變化范圍為52.09～55.84 MPa，表明較小含水率未對灰?guī)r產(chǎn)生較大影響，巖樣抗沖擊能力最大。平均含水率為1.38%、2.59%、3.88%和5.64%的動態(tài)峰值強(qiáng)度范圍為52.09～55.84、39.97～43.45、37.15～38.52、26.33～29.05、22.87～24.50 MPa，平均值分別為41.68、37.78、27.55和23.49 MPa；相比平均含水率為0.75%，分別降低了23.01%、30.22%、49.11%和56.61%，水-巖弱化作用逐漸增大。

表1 灰?guī)r的動態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 動態(tài)峰值應(yīng)力-應(yīng)變特征

不同平均含水率下灰?guī)r動態(tài)力學(xué)參數(shù)的柱狀分布，如圖5所示，可以看出，灰?guī)r力學(xué)參數(shù)均隨含水率的增大而逐漸減小。圖5a表明，平均含水率為1.38%時(shí)，平均動態(tài)峰值應(yīng)力相比平均含水率為0.75%減小了23.01%；平均含水率為2.59%時(shí)，平均動態(tài)峰值應(yīng)力相比平均含水率為1.38%下的減小9.36%?；?guī)r平均含水率為3.88%的平均動態(tài)峰值應(yīng)力相比平均含水率為2.59%灰?guī)r減小了27.08%，平均含水率增加到5.64%的平均動態(tài)峰值應(yīng)力相比平均含水率為3.88%降低了14.73%?？芍?，動態(tài)峰值應(yīng)力隨平均含水率增大而降低，巖樣軟化程度增大。

灰?guī)r的動態(tài)峰值應(yīng)變與峰值應(yīng)力的發(fā)展趨勢相似，平均含水率越大，破裂時(shí)的動態(tài)峰值應(yīng)變越小，動態(tài)峰值應(yīng)變具有軟化特征。圖5b為不同平均含水率下動態(tài)峰值應(yīng)變的柱狀分布，平均含水率由0.75%增大到1.38%、2.59%、3.88%和5.64%時(shí)，其平均動態(tài)峰值應(yīng)變分別降低17.52%、24.46%、40.01%、64.90%，水-巖作用對應(yīng)變軟化程度增大。由此可知，動態(tài)峰值應(yīng)變在平均含水率為2.59%時(shí)降低程度增大，表明含水率大于2.59%時(shí)灰?guī)r內(nèi)部損傷累積最顯著，進(jìn)而降低抗沖擊能力。平均動態(tài)峰值應(yīng)變與平均含水率為指數(shù)關(guān)系，這與砂巖的動態(tài)應(yīng)變特性[7]具有一致性。

2.3.2 動態(tài)彈性模量演變特征

不同平均含水率下灰?guī)r動態(tài)彈性模量的柱狀分布，如圖5c所示，灰?guī)r的動態(tài)彈性模量范圍分別為7.18～7.54、6.97～7.04、6.39～6.41、4.78～5.24、3.97～4.54 GPa。相比平均含水率0.75%，平均含水率為1.38%、2.59%、3.88%和5.64%時(shí)的平均動態(tài)彈性模量分別衰減36.67%、95.67%、242.67%、311.33%，衰減程度顯著逐漸提高。

灰?guī)r的平均動態(tài)彈性模量在平均含水率為2.59%時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，相比平均含水率0.75%，平均含水率2.59%下動態(tài)彈性模量降低了12.96%；相比平均含水率2.59%，平均含水率5.64%下的動態(tài)彈性模量降低了33.58%，相比前者的衰減程度顯著增加，這與前文分析的灰?guī)r強(qiáng)度趨勢基于一致。由此表明，灰?guī)r宏觀上抵抗彈性變形的能力被顯著弱化，這是由于含水率的增大提高了灰?guī)r礦物顆粒、裂隙界面的潤滑作用[15]，導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性降低。

2.4 灰?guī)r縱波波速演變特征

水工隧道或富水圍巖體中的水-巖作用是導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性降低不可忽略的因素，引起巖體強(qiáng)度降低以及次生軟化現(xiàn)象，這是由于巖石礦物成分決定著細(xì)觀結(jié)構(gòu)，礦物組構(gòu)中的長石、黏土礦物等遇水較易發(fā)生水解，加劇微裂隙的形成進(jìn)而產(chǎn)生損傷。對灰?guī)r飽水過程中，滲透水通過原生裂隙或節(jié)理滲入巖體結(jié)構(gòu)后可在礦物表面形成潤滑水膜，對巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面具有潤滑與溶蝕作用，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)摩擦力降低，次生裂隙引起灰?guī)r的次生軟化效應(yīng)。

2.4.1 縱波波速與含水率關(guān)系

基于聲波測速法分別測試了干燥灰?guī)r及不同含水率狀態(tài)下灰?guī)r巖樣的縱波波速。不同平均含水率下灰?guī)r縱波波速的演化特征，如圖6所示。隨著平均含水率的增大，不同平均含水率下的波速分別為2 861.83、2 637.56、2 433.50、2 210.66、2 157.67 m/s，總體呈“先快速衰減，后緩慢減小”的趨勢，含水率分界點(diǎn)為2.59%，這與灰?guī)r力學(xué)參數(shù)軟化規(guī)律相同。相比干燥灰?guī)r(2 900 m/s)，平均含水率為0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%條件下的波速分別降低了1.32%、9.17%、17.68%、28.33%和33.58%，波速衰減程度與平均含水率呈正相關(guān)，表明水巖-軟化效應(yīng)顯著提高。回歸分析表明，灰?guī)r平均波速(VP)與平均含水率(ω)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

(6)

式(6)表明，灰?guī)r波速隨著平均含水率增大而呈一階指數(shù)函數(shù)衰減。這是由于隨著飽水時(shí)間增加，水巖溶蝕作用導(dǎo)致灰?guī)r中產(chǎn)生大量微裂隙等微缺陷，導(dǎo)致巖樣內(nèi)部的方解石及黏土等礦物不斷溶解，造成微孔隙的擴(kuò)展和貫通，損傷程度增大，因而導(dǎo)致聲波能量耗散增加，并最終引起波速衰減。為此有必要探究灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)特征如孔隙度及內(nèi)部溶蝕程度與含水率的關(guān)系。

2.4.2 軟化系數(shù)與含水率關(guān)系

水-巖作用提高了灰?guī)r內(nèi)部裂隙界面溶蝕程度，誘使內(nèi)部裂隙逐漸萌生并不斷貫通，滲透性逐漸提高而完整性降低。引入水-巖作用下工程巖體的次生軟化程度指標(biāo)，進(jìn)而通過縱波波速(V0為干燥波速，km/s；Vi為平均含水率下的平均波速，m/s)定義灰?guī)r的軟化系數(shù)(Kd)：

(7)

由式(7)表明，Kd=0時(shí)灰?guī)r幾乎不發(fā)生劣化，Kd越大時(shí)灰?guī)r內(nèi)部因水巖溶蝕作用引起的孔隙度越大，強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的軟化程度越大。不同平均含水率下灰?guī)r軟化系數(shù)的演化特征(見圖6)與灰?guī)r波速發(fā)展趨勢相反，灰?guī)r軟化系數(shù)隨平均含水率增大呈逐漸增大發(fā)展趨勢，但增長幅度在逐漸減緩。由此可見，灰?guī)r的軟化程度對飽水敏感程度略有降低趨勢，這與焦雋雋等[12]研究一致。分析認(rèn)為，灰?guī)r內(nèi)部存在的大量原生裂隙，水-巖作用誘使原生裂隙的不斷擴(kuò)展與貫通，促使新生裂隙不斷萌生，進(jìn)而導(dǎo)致灰?guī)r力學(xué)特性發(fā)生劣化?；貧w分析表明，灰?guī)r軟化系數(shù)與平均含水率(ω)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系：

Kd=0.997 6+ln(ω-0.002 5)

(8)

2.5 不同含水率灰?guī)r碎塊的微觀結(jié)構(gòu)特征

為研究含水率對灰?guī)r碎塊的微觀結(jié)構(gòu)特征，基于力學(xué)試驗(yàn)灰?guī)r碎塊進(jìn)行了電鏡掃描試驗(yàn)(SEM，放大500倍)。不同含水率下破裂灰?guī)r的電鏡掃描SEM圖像特征圖7所示，可以看出，隨著含水率增大，灰?guī)r內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)大致由礦物結(jié)構(gòu)交接密實(shí)向多孔隙、結(jié)構(gòu)疏松、表面附著巖屑的微觀結(jié)構(gòu)特征過度?？梢姡畮r溶蝕作用加劇了內(nèi)部結(jié)構(gòu)溶蝕，導(dǎo)致礦物間的膠結(jié)程度減弱、溶蝕孔隙及裂隙數(shù)量增多、尺寸增大。含水率較小時(shí)(0.75%～1.38%)，巖塊表面微裂隙分布均勻，裂隙間的差異性不明顯；巖樣的礦物顆粒結(jié)構(gòu)致密，顆粒間的膠結(jié)密實(shí)且未出現(xiàn)明顯裂隙。含水率由0.75%增加到1.38%時(shí)，微觀裂隙的分布形態(tài)略有差異，巖塊的斷面棱角清晰度與含水率呈正相關(guān)。含水率為1.38%時(shí)，巖塊表面出現(xiàn)類似花瓣?duì)畹寞B加分布，但無明顯孔隙。

對比圖7可知，隨著含水率增大，2.59%、3.88%和5.64%條件下的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為：①孔隙數(shù)量明顯增多、裂隙尺寸明顯增大。比如，含水率的增大加速溶蝕強(qiáng)度和侵蝕速度，導(dǎo)致礦物顆粒間隙增大及溶孔尺寸增大等(見圖7d)。② 由于灰?guī)r中原生解理、裂隙的存在，增大的含水率會優(yōu)先溶蝕具有天然缺陷的位置，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒間的膠結(jié)作用最先減弱甚至解除，滲透水開始侵入內(nèi)部毛細(xì)孔道，加劇溶蝕深度和溶蝕面積，形成顯著孔隙(見圖7c)。③ 灰?guī)r屬于典型的沉積巖，天然沉積成巖作用導(dǎo)致巖石礦物具有微分層特質(zhì)，經(jīng)滲透水的浸泡、潤滑及溶蝕作用，礦物顆粒間的黏土物質(zhì)會因滲透、溶蝕而崩解，導(dǎo)致巖石斷面的礦物晶體棱角分明(見圖7c和7e)，部分礦物顆粒之間出現(xiàn)大量孔隙而使得巖石晶體呈鏤空分布，巖石結(jié)構(gòu)變得松散，局部出現(xiàn)溶坑，這與鄧華鋒等[14]試驗(yàn)具有一致性。④ 隨著強(qiáng)制飽水時(shí)間增長，滲透水加劇溶蝕程度，膠結(jié)物質(zhì)的溶解與溶蝕導(dǎo)致孔隙萌生，巖塊局部位置呈巖片狀發(fā)育(見圖7c和7e)。

基于微觀特性分析，增大的含水率對灰?guī)r孔隙內(nèi)游離態(tài)粒子具有顯著的溶蝕和沖刷作用，導(dǎo)致內(nèi)部原生單一孔隙逐漸向多孔隙結(jié)構(gòu)體過度[15]，引起單位質(zhì)量孔隙體積增大。增大的含水率又會促進(jìn)巖石內(nèi)部孔隙的溶蝕與貫通程度，導(dǎo)致孔隙尺寸變大及裂隙數(shù)量增多，從而提高滲透水與結(jié)構(gòu)面的接觸面積，損傷程度隨之增大。

3 結(jié)論

1)動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯著異于靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。含水率對動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著影響，含水率增大時(shí)曲線路徑相對縮短，彈性變形階段的線性斜率減?。粍討B(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括線彈性、彈塑性及塑性軟化階段。

2)動態(tài)峰值應(yīng)變與峰值應(yīng)力的發(fā)展趨勢相似，平均含水率越大，破裂時(shí)的動態(tài)峰值應(yīng)變越小，表明灰?guī)r應(yīng)變具有軟化特征。平均動態(tài)峰值應(yīng)力、平均動態(tài)應(yīng)變及彈性模量與含水率呈負(fù)相關(guān)。

3)水-巖溶蝕導(dǎo)致灰?guī)r產(chǎn)生大量次生孔隙，引起波能耗散增加，波速隨平均含水率增大呈一階指數(shù)衰減。不同含水率對灰?guī)r軟化具有顯著差異，隨平均含水率增大，軟化系數(shù)呈對數(shù)函數(shù)增大，微觀結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)密實(shí)膠結(jié)向多孔隙、疏松的微觀結(jié)構(gòu)過渡，表明水-巖作用加劇了灰?guī)r溶蝕程度，減弱了礦物間的膠結(jié)能力，導(dǎo)致溶蝕裂隙數(shù)量增多。